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【笔记】氧化钒热成像技术深度解析：从 VO₂ 相变到车载夜视的"芯"脏

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  • Release time: 2026-09-17
核心结论：氧化钒（VOx）是当今非制冷红外焦平面探测器（微测辐射热计）的绝对主流热敏材料，凭借 -2%~-3%/K 的温度电阻系数（TCR）和远低于非晶硅的 1/f 噪声，占据了约 75% 的非制冷探测器份额（申万宏源口径）。它不需要深低温制冷，即可在 8-14μm 长波红外波段实现 20-30mK 的温度灵敏度，正在从军用、工业测温走向 车载夜视，服务 AEB 强制法规落地 的主战场。对车载电控工程师而言，这是一条与热电堆互补、而非替代的感知路线。
一、先定位：红外探测器的两条技术路线

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图源：www.raytrontek.com睿创微纳官网

红外探测器按工作原理分为光子型（量子型）和热型两大类。光子型探测光子直接激发载流子，灵敏度极高，但需要 80K~200K 深低温制冷来压制暗电流；热型探测器吸收红外辐射后升温，通过材料物理性质（电阻、极化、热电势）的变化来感知能量，室温即可工作，因此被称为"非制冷型"（Uncooled）。[1]
热型探测器内部又分为热释电、热电堆、微测辐射热计（Microbolometer）三条支线。其中微测辐射热计属于热敏电阻型——红外辐射使像元温度升高、薄膜电阻变化，经 CMOS 读出电路（ROIC）转为电信号。它是目前技术最成熟、市场占有率最高的非制冷焦平面技术路线。[1]
维度
制冷型（光子型）
非制冷型（微测辐射热计）
典型材料
碲镉汞 / 锑化铟 / 量子阱 / 二类超晶格
 氧化钒（VOx）
 / 非晶硅（a-Si）
工作温度
80K~200K（需制冷机）
室温（-40℃~+85℃ 工作）
灵敏度
极高，探测距离远
NETD 典型 20~50mK
成本/功耗
昂贵、体积大、制冷机寿命约 1 万小时
低（机芯整机功耗 1~2W）、紧凑、长寿命
主战场
军用夜视、精确制导、星载遥感
安防、工业测温、车载 ADAS、消费电子
表 1：制冷型 vs 非制冷型红外探测器对比（整理自海通证券红外产业专题、行业公开资料[1]）
一句话记住分工：制冷型拼极限灵敏度（军用远距离），非制冷型拼 SWaP-C（尺寸、重量、功耗、成本）——而车载、工业、消费市场需要的恰恰是后者。

 

二、认识氧化钒：一个"善变"的材料家族
2.1 VO₂ 的明星属性：68℃ 金属-绝缘体相变
二氧化钒（VO₂）是凝聚态物理领域的"网红"强关联材料：1959 年贝尔实验室的 Morin 首次发现其相变现象。温度低于约 68℃ 时，VO₂ 呈单斜结构（M 相），是带隙约 0.6~0.7eV 的半导体；越过 68℃，晶体转变为四方金红石结构（R 相），呈金属态——伴随电阻率 3~5 个数量级的突变和红外光学特性的剧烈变化。[2][3]凭借这一特性，VO₂ 在智能节能窗、光电开关、红外隐身、太赫兹器件等方向被广泛研究。[2]
工程师视角的补充：VO₂ 相变可以由温度、电场、光照、应力等多种物理场触发，电场诱导相变的响应时间可达纳秒级，光致相变最快报道约 100fs。其相变机理（Peierls 结构相变 vs. Mott 电子关联）至今仍有争议，是基础研究的富矿。[3]
2.2 但探测器里用的，其实是"混合相 VOx"
这里有一个容易被科普文章混淆的关键点：热成像探测器里的热敏薄膜并不是纯相 VO₂。如果用 VO₂ 做探测层，68℃ 的相变会导致电阻突变和严重滞回——而车载工作温度上限恰好覆盖这个区间，这显然不可接受。

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图源：物理学报：电场诱导二氧化钒绝缘-金属相变的研究进展
电场诱导二氧化钒绝缘-金属相变的研究进展实际工程中，探测器采用磁控溅射/离子束溅射在精确控制的氧分压下沉积多相混合的氧化钒薄膜（VOx）——VO₂、V₂O₅、V₂O₃ 等物相混合的非单晶结构。它没有突兀的相变，而是呈现单调、平滑、可预期的负温度电阻系数：室温下 TCR 约 -2%~-3%/K。作为对比，钛金属薄膜 TCR 仅约 -0.35%~-1%/K，硅二极管等效 TCR 只有 0.2%/K。[1][4]
钒氧化物家族速览（据《非制冷红外焦平面探测器及其技术发展动态》[4]）
▸ VO₂：单晶态 TCR 高达 4%/K，但需特殊工艺制备；相变特性反而适合智能窗、光开关等应用
▸ V₂O₅：室温电阻过大，导致器件噪声偏高，不利于读出
▸ V₂O₃：室温电阻较低、噪声更优、制备相对不复杂，是重点研究对象
▸ 混合相 VOx：工程折中的产物——TCR 与电阻率、1/f 噪声、工艺重复性的平衡点
注意区分两个"氧化钒"：相变 VO₂（智能窗/隐身/开关器件，吃的是 68℃ 突变特性）和热敏 VOx（红外探测，吃的是平滑的 TCR 特性）。二者材料同源、机理诉求完全相反。
2.3 一句话工作原理
8-14μm 的长波红外辐射（对应约 300K 物体的辐射峰值波段）被像元吸收 → 像元温度上升（毫开尔文量级）→ VOx 薄膜电阻按 TCR 规律下降 → ROIC 施加偏置并把电阻变化转为电压 → 列级 14/16bit ADC 数字化 → ISP 做非均匀性校正、盲元补偿、动态范围压缩，输出热图像。[4][5]
三、像元解剖：一颗 12μm 微桥的 MEMS 工程
现代 12μm 像元的本质是一座悬空的 MEMS"微桥"：桥面是多层氮化硅（Si₃N₄）+ VOx 热敏薄膜的复合结构，通过两条极细的支撑腿悬空于 CMOS 读出电路（ROIC）之上。整套设计围绕一个核心矛盾展开——热隔离与响应速度的博弈。
3.1 三个设计要点
① 热隔离：支撑腿的热导 G 被压到极小，防止吸收的热量在 ROIC 采样前泄漏到衬底；像元与衬底之间还设计了约 1/4 波长的红外谐振腔（反射面在微桥下方），使特定波段辐射在腔内谐振增强吸收。[4]
② 响应速度：热时间常数 τ = C/G（热容/热导）。像元热容被做到亚纳克量级，12μm 像元的典型 τ 约 8~12ms——这是 50/60Hz 全帧视频不拖影的物理基础。注意 τ 与灵敏度的矛盾：G 越小灵敏度越高，但 τ 越大、动态场景越模糊。[6]
③ 真空封装：整个桥阵密封在高真空管壳内（金属/陶瓷封装或晶圆级封装 WLP），消除空气对流与气相热导——因为残余气体的热泄漏足以毁掉毫开尔文级的信号。[5][6]
3.2 读出与图像处理链路
▸ ROIC：位于微桥阵列正下方，列级电容跨阻放大器（CTIA）对每行像元积分采样，剥离大幅背景 pedestal 电流，把动态范围留给热差分信号；列级 14/16bit ADC 就地数字化。[5][6]
▸ NUC（非均匀性校正）：薄膜厚度、腿几何、晶体管阈值都存在像元间失配，原始图像近似噪声。用两点（增益+偏置）校正矩阵逐像元实时校正，并靠机械快门闭合或无快门（shutterless）背景建模定期刷新偏置。[5]
▸ DPC 盲元补偿：坏点坐标出厂写入 EEPROM，运行时用邻域插值修补。[5]
▸ DDE 动态范围压缩：600℃ 排气管贴着 -20℃ 冬夜天空的场景，靠非线性压缩进 8bit 显示。[5]
给电控工程师的类比：微测辐射热计像元 ≈ "悬空的高灵敏热敏电阻 + 差分采样链路"。你熟悉的偏置稳定性、自热效应、1/f 噪声、共模抑制问题在这里一个不少——只是被压缩进了 12μm 见方、亚纳克热容的 MEMS 结构里。
四、VOx vs 非晶硅：纠缠三十年的对手
两条技术路线的出身都很有来头：VOx 源自美国 Honeywell 研究中心（20 世纪 80 年代初军方资助启动，80 年代末研制出非制冷 VOx 微测辐射热计）；a-Si 源自美国 TI 与法国 CEA-Leti（1992 年起 CEA-LETI/LIR 持续投入）。[1][4]三十年缠斗下来，形成了"VOx 占高端、a-Si 拼成本"的基本格局。
参数
氧化钒 VOx
非晶硅 a-Si
TCR（室温）
约 -2%~-3%/K
约 -2.5%~-4%/K（标称更高）
1/f 噪声
 低（核心优势）
较高（无定形结构缺陷态所致）
典型 NETD
20~30mK
约 50mK
热时间常数
8~12ms
10~16ms（受薄膜工艺与像元结构影响）
小像元扩展性
可量产至 12/10/8μm
17μm 以下噪声恶化明显
工艺兼容性
需反应溅射氧分压精确控制
 与标准 CMOS 工艺完全兼容（核心优势）
温度稳定性
较好，NUC 间隔长
高低温端 NETD 恶化更明显
主要代表厂商
Teledyne FLIR、DRS、BAE、睿创微纳、高德红外
Lynred/ULIS、大立科技
表 2：VOx vs a-Si 关键参数对比（整理自中科院上海技物所综述[4]、申万宏源[7]、行业公开技术资料[6]）
胜负手是 1/f 噪声，而不是 TCR。a-Si 的 TCR 标称值甚至更高，但无定形结构中的悬挂键与局域陷阱态带来大幅 1/f 噪声，不同材料的 1/f 噪声可相差几个数量级，而 NETD 恰恰主要受限于热敏材料的 1/f 噪声——这决定了 a-Si 的 NETD 通常不如 VOx。[4]实践中 a-Si 往往需要更长积分时间或更强的时域滤波（代价是运动模糊）来追平画质。[5]车载动态场景下，运动模糊是 a-Si 路线上车需要重点权衡的工程短板。
a-Si 的反击点在成本与产能：完全兼容标准硅 CMOS 产线，制备简单。有第三方拆解估算 640×512 阵列的两种工艺总制造成本差异仅约 4%（a-Si 略低），但该口径来自厂商博客而非审计数据，仅供方向性参考。[8]
五、选型必看的三张"体检报告"
5.1 NETD：噪声等效温差
NETD 是热像仪能分辨的最小温差，数字越小越灵敏。商用 VOx 机芯普遍做到 35mK 以下，高端产品 20~30mK。[5][7]工程上要注意两点：① NETD 与 F 数的平方成正比（探测器、像元、积分时间不变前提下）——f/1.0 换 f/1.4 镜头，NETD 直接翻倍；② 台架 NETD ≠ 系统 NETD，整车振动耦合进 ROIC 偏置线、供电纹波都会让实际 NETD 显著恶化，电源域的隔离与去耦设计和探测器本身同等重要。[6]
5.2 像元尺寸：三十年缩小 8 倍
像元间距从早期的 50μm 一路走到 25→17→12→10→8μm。缩小像元的直接收益：同等面阵下芯片更小、锗镜头更小更便宜；同等焦距下视场分辨率更高——10μm 像元比 15μm 的探测距离远 20% 以上。[1]国内厂商在这条曲线上完成了"跟跑-并跑-领跑"：睿创微纳 2015 年发布全国首款 17μm 非制冷探测器，2017 年 12μm，2019 年 10μm，2021 年发布全球首款 8μm 1920×1080，2024 年完成全球首款 6μm 640×512 产品开发。[9][10]当然，衍射极限决定了像元不能无限缩小，8μm 以下已逼近 LWIR 物理边界（长波红外 8-14μm 波长本身即限制光学衍射极限）。[1]
5.3 封装：成本的大头
封装成本占探测器研发成本超过 50%。路线演进为：金属封装（含 TEC 与柱状吸气剂，周期 3-7 天，军用）→ 陶瓷封装（去 TEC、片式吸气剂，当前主流）→ 晶圆级封装 WLP（晶圆上完成封测再切割，可将封装成本从千元量级降到百元量级）。Teledyne 的 WLP 方案将盖帽晶圆与 VOx 像元 ROIC 晶圆真空键合为 3D 堆叠，宣称省去的外部封装可占器件成本的 75% 以上。[1][11]
六、全球供应商格局：美法以中四强分治
非制冷红外探测器是少数几个"全球仅美、法、以色列、中国等少数国家掌握核心技术"的半导体细分领域。[1]格局上，2023 年 Teledyne FLIR、Lynred、睿创微纳三家合计占全球约 67% 份额，海康微影、高德红外紧随其后。[7]
Teledyne FLIR / Teledyne Space Imaging（美国）
VOx 微测辐射热计的产业化标杆，8-14μm 全线布局，WLP 晶圆级封装的推动者；车载领域已为驾驶员预警系统交付超 100 万个热像模块。[11][12]
Leonardo DRS（美国）/ BAE Systems（英国）
DRS 的 Tenum 640 系列、U6800 VGA VOx 探测器含 10μm 像元、60fps 规格；BAE 的 Athena 1920（1920×1200）面向高端防务。两者是美英军供需 VOx 探测器的主力。[13]
Lynred（法国，Sofradir/ULIS 合并）/ SCD（以色列）
Lynred 是 a-Si 路线的旗手，2026 年初发布 8μm 超紧凑 YOCTO 微测辐射热计；SCD 主打超低 NETD 与 12μm VOx 方向。[13][14]
睿创微纳 / 艾睿光电（中国·烟台）
IDM 全产业链（芯片-探测器-机芯-整机），8μm/6μm 小像元 VOx 芯片量产，2024 年微测辐射热计出货 105 万颗、全球出货份额 33%（收入份额 26%），超越 FLIR 登顶全球出货第一。截至 2025 年底探测器年产能 600 万只（其中 WLP 500 万只）。[9][7]
高德红外 / 海康微影 / 大立科技 / 国科天成（中国）
高芯科技（高德红外子公司）大批量供货非制冷 VOx 探测器并建有制冷型碲镉汞/二类超晶格产线；海康微影背靠海康渠道抢占安防与入门工业市场；大立科技坚守非制冷非晶硅（a-Si）路线；国内具备 1280×1024、12μm、氧化钒、陶瓷封装量产能力的仅睿创微纳、高德红外、海康微影三家。[9][15]
市场规模：申万宏源口径，全球非制冷红外探测器 2019 年 12.35 亿美元 → 2023 年 17.54 亿美元（CAGR 9.17%），预计 2030 年达 24.28 亿美元；其中氧化钒路线占约 75%。而 Mordor Intelligence 按"非制冷红外成像整机"口径给出的 VOx 份额为 48.6%（2025）。口径差异提示：申万统计对象为探测器芯片，Mordor 统计对象为整机系统，口径不同导致份额数值差异显著，仅供方向性参考——但两条口径都指向同一结论：VOx 是绝对主流，车载是增长最快的细分。[7][14]
产业史备注：非制冷红外长期被西方国家列入严格技术管制清单，国内经历了"买不到→仿不出→自研突破→全球出货第一"的完整逆袭周期。对硬件选型工程师而言，今天的现实是：国产 VOx 机芯在民品性价比上已具优势，车载前装定点密集落地。

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七、上车：氧化钒热成像的车载主战场
7.1 法规是第一驱动力
车载红外正从"豪华配置"变为"合规刚需"：美国 FMVSS No.127 要求 AEB 系统在现有雷达+可见光方案难以应对的高速夜间场景下通过测试；中国首个 AEB 强制性国标《轻型汽车自动紧急制动系统技术要求及试验方法》发布实施；E-NCAP / C-NCAP 持续加大夜间与恶劣天气场景的评分权重。[12][16]VSI Labs 的实测中，搭载热成像融合的 AEB 测试车通过了全部 FMVSS 127 昼夜测试，而三款 2024 年款主流 AEB 系统均在夜间场景出现失败。[12]
7.2 感知层的不可替代性
▸ 被动探测生命体热辐射：完全黑暗、对向车灯眩光、隧道口光线剧变、逆光场景下，可见光摄像头过曝失效，而 8-14μm 热成像不受可见光干扰。[16]
▸ 对雷达与激光雷达的互补：雷达对杂波中的生物分类能力弱，激光雷达在雨雾中性能退化，热成像恰好补位——多光谱融合是主流方案而非替代。[12]
▸ 电池热失控预警：动力电池热失控前电芯温升是最早的可观测信号，红外面阵可对电池包/高压部件做非接触温度场监测，是热管理工程师最熟悉的工程应用场景。[17]
7.3 车规化里程碑（时间线）
① 过去二十年：FLIR 为驾驶员预警系统累计装车超 100 万个热像模块（奔驰 S 级、奥迪 A8 等搭载 Veoneer 夜视系统 + FLIR Boson 机芯）。[12]
② 2024-2025：法雷奥与 Teledyne FLIR 达成合作，推出首个 ASIL-B 热成像 ADAS 方案，面向乘用车/商用车/自动驾驶的夜间 AEB。[14]
③ 2026 年 1 月 CES：Teledyne FLIR 发布 Tura——首款符合 ISO 26262 功能安全的 ASIL-B 级 LWIR 热像仪，640×512 被动式传感器，IP6K9K 加热外壳、无快门设计，AEC-Q 认证组件。[12]
④ 国产侧：睿创微纳率先通过 AEC-Q100 Grade 2 车规认证的红外 MEMS 芯片及 ISP 芯片，2026 年 2 月获 TÜV 莱茵 ISO 26262 ASIL D 功能安全管理体系认证（注：为企业功能安全管理体系认证，不等同于芯片器件硬件 ASIL-D 等级）；车载红外夜视系统获比亚迪、吉利、长城、滴滴自动驾驶等 15 家以上定点，赋能 20 余款量产车型（仰望 U8/U8L、方程豹豹 8 等）；全球首发红外 AEB 系统搭载极氪 9X 量产落地。[16][18]
车载工程细节速记：整机工作温度 -40℃~+85℃（部分车载规格延至 105℃）；锗（Ge）镜头是 LWIR 光学的标配（n≈4.0，可实现 f/1.0 大光圈），硫系玻璃可热模压非球面以降本，且 dn/dT 小利于无电机被动消热差设计；普通玻璃在 8-14μm 完全不透明——挡风玻璃后装红外方案需慎重评估窗口材料（因此前装车载热成像传感器一般布置在挡风玻璃外部区域）。[5]
八、热电堆 vs 氧化钒微测辐射热计：一张表分清
这是后台被问得最多的问题——前作《热电堆成像》讲过 thermopile 路线，本文的 VOx 微测辐射热计与其同属"非制冷热型"探测器，但工程定位差异极大：
维度
热电堆阵列（Thermopile）
VOx 微测辐射热计
感知机理
塞贝克效应，输出热电势（自发电）
电阻随温变化，需偏置与读出电路
典型分辨率
低（常用 8×8 ~ 32×32 级别）
高（256×192 ~ 1920×1080）
时间常数
慢（典型几十 ms 量级）
快（8~12ms）
成本量级
低（元-十元级）
较高（百元-千元级，持续下探）
车载定位
舱内乘员检测（CPD）、空调区域温控等近场低成本场景
前向夜视/AEB、周视感知、电池热失控预警等远场高性能场景
表 3：热电堆 vs VOx 微测辐射热计（结合前作《热电堆成像：从原理到车载应用》与本篇调研综合整理）
选型结论：近场、低成本、只要"有没有人/热源在哪"→ 热电堆；远场、高分辨率、要"看清轮廓并支撑制动决策"→ VOx 微测辐射热计。两者在智能座舱 + ADAS 感知体系里是分工关系，不存在替代关系。
九、趋势展望
① 像元持续微缩：12μm 已成主流，8μm 量产、6μm 完成开发。小像元直接缩小锗镜头口径，是整机降本的第一杠杆。[9][10]
② WLP 普及：晶圆级真空封装把封装成本从千元级压到百元级，是民品放量、消费级/车载模组价格下探的关键。[1][11]
③ 车载放量拐点：Mordor Intelligence 预测，车载热成像模块年出货量将从 2024 年的不足 200 万颗增长到 2030 年的超过 1600 万颗，驱动机芯走向个位数美元级别的裸芯片成本；汽车被普遍预测为增速最快的应用方向（基数较低背景下实现高绝对增速，对应复合增速约 10% CAGR）。预测类数据均为第三方机构估算，仅供方向性参考。[14]
④ 无快门化与功能安全：无快门设计消除 NUC 盲区（2-3 秒不可视窗口），配合 ASIL 等级开发流程，是热成像进入制动回路的必要条件。[12]
⑤ 材料路线竞合：VOx 靠温度系数与低噪声守高端；a-Si 靠 CMOS 兼容性扩中低端；胶体量子点等新路线在 SWIR 方向酝酿变量。[15]
url: https://www.jzdyjy.com/en/notice/412.html
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