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“本文從三家相關上市公司公開的商務信息和專利情報出發，探討紅外熱成像儀的核心部件非制冷紅外熱成像探測器芯片的發展歷程。”
一、前言
受到COVID-19疫情的沖擊，紅外測溫儀的需求一路上漲，使得紅外熱成像技術應用的社會認知度有了很大提高。由于紅外熱成像技術長期以來一直是軍工領域的保密技術，充滿了神秘感。本文從三家相關上市公司睿創微納（688002.SH）、大立科技（002214.SZ）、高德紅外（002414.SZ）公開的商務信息和專利情報出發，探討紅外熱成像儀的核心部件非制冷紅外熱成像探測器芯片的發展歷程，從而為其他微電子器件的研發投資和戰略規劃提供參考。
隨著新冠病毒的不斷變異，社會上大多數人將會在每一次變異毒株的流行中，展現出不同程度的發熱，于是紅外測溫儀已經逐步成為每一個公共場所的必備設備，以檢測行人的體溫，盡量將正在染疫的人群篩選出來，進行有限度地隔離，同時又不影響健康人群的正常生活和工作秩序。這種自動紅外測溫儀具有非接觸、遠距離、大面積、快速篩查等優點，還可以避免讓工作人員暴露在危險境地。
我們通常見到的紅外熱像儀是一種在常溫下運行的、用來探測物體表面紅外輻射、將物體溫度分布圖像轉換成可讀取辨別的視頻數字圖像的高科技產品，其得以實現背后的支撐就是非制冷紅外熱成像探測器芯片。和病毒長期共存已經成為全球的共識，也催生了非制冷紅外熱成像技術在民用紅外測溫領域中的持續井噴式應用。因此可靠的紅外熱成像儀的核心部件非制冷紅外熱成像探測器芯片產業，在未來將長期成為風口上的行業。
紅外測溫技術，牽涉到器件、屏蔽去噪、軟硬件集成等諸多子技術需要技術攻關，是一個系統化的工程。以一臺最簡單的紅外測溫儀為例，其由探測器芯片、數據控制處理芯片、鏡頭、機芯、熱像儀系統等上百個組件構成。其中紅外探測器（現在的民用系統里面一般是采用非制冷紅外焦平面探測器），是所有組件中技術含量最高，成本占比最高，同時也是限制成像儀產能的關鍵元器件。
紅外探測器的設計、生產及研發涉及到材料、集成電路設計、制冷和封裝等多個學科，技術難度很大，目前全球僅有美國、法國、以色列、中國等少數國家能夠掌握紅外探測器核心技術。尤其是制冷型紅外器件多用在軍事等高端領域，基本都是各國禁止出口的產品。長期以來我國為了突破這一技術壟斷及產品禁運，以中科院上海技物所、長春光機所、北方夜視集團、北方光電集團、湖北華中光電、中電科11所、中船重工717所、航天科工8358所等為研發主體的國家企事業單位已經在軍用制冷型紅外器件等高端領域基本實現了國產替代，占據了國內軍用紅外領域主要市場。
近年來，隨著民營企業允許進入國防科技工業領域，民營紅外熱成像企業與國有科研院所之間逐步演變為合作、競爭的關系, 但是民營企業主要從事非制冷型紅外成像技術。在諸多紅外熱成像行業的企業中，專注于該成像系統的核心器件非制冷型紅外傳感器研發和生產的企業，包括睿創微納（688002.SH）、大立科技（002214.SZ）、高德紅外（002414.SZ）等上市公司。民營企業通過自主研發以及市場化規模化生產，將生產成本大大降低，從紅外探測器到紅外整機產品的全產業鏈都有能力覆蓋，滿足了一般軍事需求及大部分民用需求，也催生了非制冷紅外熱成像技術在民用領域中的應用。目前，中國已經成為掌握非制冷紅外探測器產業化生產能力的第五國。
由于軍用紅外探測器為保密技術，沒有公開資料能夠幫助我們研究其技術發展和產業發展路徑。但是睿創微納（688002.SH）、大立科技（002214.SZ）、高德紅外（002414.SZ），這3家民營企業均為上市企業，其信息公開充分，我們可以根據其公開的經營數據和專利情報，了解到具有高技術壁壘的民用非制冷紅外探測器件的技術演進脈絡，給其他微電子器件的研發投資和戰略規劃提供參考。
二、三家企業近5年的毛利率和研發費用
眾所周知，技術壁壘所帶來的高額利潤，必然是非制冷紅外探測器研發投資的持續動力。以下根據睿創微納（688002.SH）、大立科技（002214.SZ）、高德紅外（002414.SZ）三家上市公司的年報數據，得出近5年的毛利率普遍在50%以上，個別年份可達60%以上。從各費用占比看，其研發費用大多為其他費用占比的2倍。可見具有高技術壁壘的高科技公司，為了保持公司的技術優勢，進一步提升公司的技術實力，提高競爭力，也必須在研發上持續高投入。具體數據見圖 1、圖 2、圖 3。
圖1 睿創微納毛利率以及各費用占比
圖2 大立科技毛利率以及各費用占比
圖3 高德紅外毛利率以及各費用占比
三、技術構成和演進
國產非制冷型紅外成像系統，依靠反向工程從仿制起步，經過近二十年的發展突破了國外對我國先進制造工藝和封裝等技術的封鎖，擺脫了紅外核心器件受制于人的局面，實現了從探測器芯片、鏡頭、機芯、熱像儀直到光電系統的全系統的國產化。目前國產非制冷紅外熱成像探測器芯片產業已從最初依賴進口，實現了國產化相同水平的替代，甚至在某些性能實現了超越。
為了研究我國非制冷型民用紅外探測器技術的發展路徑，我們可以通過厘清這三家公司的專利技術演進，從而得到該技術在我國的發展歷程。
1、睿創微納
煙臺睿創微納技術股份有限公司Raytron（股票代碼: 688002.SH）成立于2009年12月。作為2019年科創版首批上市25家企業之一，被認為科創板第二股。睿創微納主要從事紅外熱成像核心技術與產品的研發。是一家非制冷紅外熱成像與MEMS傳感技術開發的集成電路芯片企業。睿創微納產品主要包括非制冷紅外熱成像MEMS芯片、紅外熱成像探測器、紅外熱成像機芯、紅外熱像儀及光電系統。
截至2022年底，公司及控股子公司公開專利1173項，有效專利1033項，有效率占88%；其中授權發明299項，實用新型專利365項、外觀設計專利192項，另外還有發明申請247項。
通過技術主題研究，見圖 4，發現其專利最多的主題是紅外圖像處理，共有89件，而其最核心的紅外探測器研發方向，卻只有37件。這種現象很容易理解，紅外圖像處理的技術千變萬化，容易出現新的技術方案，因此需要通過專利加以保護；同時，紅外探測器由于其技術高門檻，一些器件的工藝技術，由于侵權取證難，一般會作為技術秘密保存，而不會去專門申請專利。另外，紅外圖像處理這一主題，更加趨向終端產品和解決方案，說明睿創微納技術的市場化導向。
圖4 睿創微納技術主題
通過對公司發布的新產品新技術的研究，我們從睿創微納的專利里面可以總結出以下重點專利列表 1，按照時間排序就可以看出技術路線。
表1 睿創微納重點專利列表
從公司初創至2013 年，公司培育了4項核心技術非制冷紅外焦平面讀出電路架構、高性能氧化釩薄膜材料、MEMS 傳感器工藝和真空封裝。之后，公司依托培育期內形成的核心技術，開發出了第一代非制冷紅外MEMS 芯片和探測器產品。2016 年后，隨著公司技術和產品開發的持續深入推進，核心技術進入到深化期，并于近年涉足了制冷型紅外機芯的研制。
可以從重點專利印證，睿創微納在紅外探測器方面，重點研發了小像元間距紅外傳感器以及相配套的晶圓級真空封裝技術；在紅外成像機芯和整機方面，重點研發ASIC 圖像處理專用芯片技術、晶圓級光學技術；在相應的控制和處理軟件方面，重點發展基于人工智能的紅外圖像處理算法；從而使得公司從技術壁壘最高的傳感器芯片出發，到整機和數據處理軟硬件實現了整體開發能力。
2、大立科技
浙江大立科技股份有限公司前身為1984年成立的浙江省測試技術研究所，于2001年完成改制。2008年2月在深圳證券交易所中小板掛牌上市(股票代碼：002214.SZ)。是國內紅外和安防行業A股首家上市公司。公司的主要業務涵蓋非制冷紅外焦平面探測器、紅外熱成像儀及以熱成像技術為核心的光電系統和巡檢機器人等。大立科技是國內少數具有完全知識產權，能夠獨立研發，從生產熱成像核心器件、機芯組件到整機系統制造,并具有完整產業鏈的專業制造商之一，也是國內唯一實現產品量產的雙技術路線(非晶硅與氧化釩)非制冷焦平面紅外探測器的紅外企業。
大立科技始終堅持民軍兩條腿齊步走的策略，一直強調軍民融合，有軍品資質優勢，是國家二級保密資格單位。公司軍品紅外產品主要有紅外導引頭、觀瞄具、慣導產品、球型吊艙以及并購新增的機載光電吊艙等。從過去幾年的情況看，紅外導引頭產品是公司軍品營收的主要組成部分，占軍品一半以上，機載光電吊艙是公司重點布局的新方向。
截至2022年底，公司及控股子公司公開的專利158項，有效專利137項，有效率占87%；其中授權發明35項，實用新型專利51項、外觀設計15項，另外還有發明申請36項。大立科技雖然成立較早，但是可檢索到的專利是三家企業里面最少的。而且從2003年開始才有專利申請，這也從側面反應了，這家企業的研發還是以軍品為主，不能申請專利公開其核心技術。
通過技術主題研究，見圖5，發現其專利最多的主題是紅外探測器，共有21件。其他主要的技術主題多為紅外系統的硬件層面，有關紅外圖像處理的偏軟件層面的專利卻只見到5件，足見大立科技的研發主要還是專注于硬件層面，產品定位于探測器芯片、機芯等紅外系統的前端設備，后端應用層面的圖像處理著力較少。可見這家企業的主要客戶，需要的紅外圖像為圖像原始數據，各種圖像處理工作還是由紅外成像儀的用戶來做，這也是典型的軍方用戶的需求。
圖5 大立科技技術主題
通過對公司僅有的百來個專利的研究，我們從大立科技的專利里面可以總結出以下重點專利列表 2，按照時間排序就可以看出技術路線。
表2 大立科技重點專利列表
根據大立科技上市公司的公開信息，其研發的非制冷紅外探測器未來將向著更小像元間距、更大的面陣規模、晶元級封裝、晶圓級紅外光學和ASIC 集成化方向發展。已實現量產像元間距25um/17um/15um/12um等系列產品，封裝類別涵蓋金屬封裝、陶瓷封裝和晶圓封裝，見圖6。
其有價值的專利，主要集中在2010年后。但是通過反復比對，大立科技的重點專利和公司發布的新產品關聯度不高。可見其關鍵產品還是以軍品為主，由于公司的保密要求，其關鍵技術不被允許申請專利，從而形成了技術秘密。但是由于其軍品在民用領域應用前景更為廣闊，相信隨著其產品價格的不斷下降，其軍工技術有望在不久的將來能夠轉為民用，從而造福于人民生活的方方面面。
圖6 大立科技紅外探測器產品迭代圖 （資料來源：公司官網）
3、高德紅外
武漢高德紅外股份有限公司創立于1999年，2010 年7月在在深圳證券交易所中小板掛牌上市(股票代碼：002414.SZ)。業務涵蓋紅外焦平面探測器芯片、紅外熱像整機及綜合光電系統、新型完整武器系統和傳統非致命性彈藥及信息化彈藥四大板塊。公司多年深耕以紅外為核心的高科技創新行業，堅持創新驅動發展，充分利用民營企業機制靈活的優勢，構建起從底層紅外核心器件，到綜合光電系統，再到頂層完整裝備系統總體的全產業鏈科研生產布局，核心競爭優勢凸顯。
截至2022年底，公司及控股子公司公開的專利675項，有效專利547項，有效率占81%；其中授權發明105項，實用新型專利231項、外觀設計專利65項，另外還有發明申請146項。雖然公司成立比睿創微納早10年，但是從專利角度看，遠遠落后于睿創微納。推測這是睿創微納是科創板上市企業，需要保持其科創屬性，故而在專利申請上格外重視。另外，高德紅外的研發涉及制冷型紅外探測器，屬于軍工技術，不少技術受到嚴格管控，不能申請專利。
通過技術主題研究，見圖7，發現其專利最多的主題是紅外探測器，共有85件，排名第二的紅外圖像處理方法卻僅僅有41件，說明高德紅外在紅外探測器芯片方面研發投入占比驚人，而且其技術主題構成里面還有許多制冷型探測器的部分，說明其在高端軍事領域有相當的市場占比。根據高德紅外上市公司的公開信息：2020年公司成功獲得了某類完整裝備系統總體科研生產資質和某兩類完整裝備系統總體科研資質，是國內唯一拿到該類總體資質的民營企業。從而高德紅外的是目前國內唯一一家同時具備制冷型和非制冷型紅外探測器研發和批量生產能力的民營企業。即使在軍事領域有相應的保密制度，但我們還是能檢索到在軍事領域里面廣泛使用的制冷型紅外探測器的技術的專利，這也說明一些軍用技術已經進行了民用轉化。
由于軍用領域進入技術壁壘遠比民用領域高，需經歷長期的研發“試制-定型-批產”的過程，對供應商的研發能力和相關資質要求較高，因此是否有軍品研發和批量生產能力，是考驗該供應商的技術積累深度、技術壁壘高度的重要指標。
圖7 高德紅外技術主題
通過對公司發布的新產品新技術的研究，我們從高德紅外的專利里面可以總結出以下重點專利列表 3，按照時間排序就可以看出技術路線。
在檢索到的專利里，一共發現85件專利和制冷探測器相關，占比12.6%。高德紅外的制冷探測器技術從2010年開始有個別專利申請；到2020年有13件專利申請，首次突破了10件；再到2022年制冷型探測器技術相關專利申請呈現井噴，共有40件專利申請，由于專利公開的滯后性，相信未來2年內仍然會有2022年申請的專利被公開。這種制冷探測器技術專利申請的趨勢說明，高德紅外近年來正在加速進行軍工技術的民用轉化進程。
表3 高德紅外重點專利列表
在非制冷探測器方面，高德紅外開展更小像元新產品的研制，隨著1Kx1K面陣產品、超晶格長波系列產品、小像元探測器等新產品導入量產，給了客戶更多的選擇，為公司繼續占據市場提供了堅實的后盾。小像元產品性能逐步提升、成本進一步下降，其批量化交付在市場上擁有更強的競爭力。公司通過專項攻關進一步提升生產效率，先后完成了非制冷陶瓷探測器一體式封裝開發，晶圓級生產線全自動化調試，從而實現了封裝工序全自動作業，產品批量化生產能力得到長足進步。
四、總結
從紅外成像系統產業鏈而言，從上游到下游分別為探測器、鏡頭、機芯、熱像儀組件，到最下游的光電系統為最終產品。從技術壁壘而言，上游的探測器才是最有技術難度、最難以進入的領域，也是軍用領域出于保密要求禁止公開的部分。雖然紅外探測器芯片領域的研發，主要還是以國家企事業單位為研發和生產主體，以保密的軍用技術為先導的技術領域。但是隨著軍民融合，軍工技術逐漸的已經開始轉化為民用。
本文通過研究睿創微納、大立科技、高德紅外三家上市公司的公開信息，探討了其技術壁壘最高的紅外探測器專利的技術構成和演進。由于制冷型紅外熱成像探測器芯片多用于軍用領域，能獲得的相關信息非常少，很難總結出有價值的結論，但是從非制冷紅外熱成像探測器芯片的技術出發，還是能從公開的專利數據中，得到一定量的信息，總結在表 4。
表4 三家上市公司技術比較
非制冷熱成像的核心技術是非制冷紅外芯片的設計、制造和探測器的封裝測試。下游的終端產品成像儀和光電系統以及相應的圖像處理軟件等是隨著探測器芯片的發展而發展的，下游技術也是沒有太多技術壁壘的技術領域。單從是否有制冷型探測器的研發和批量產品來看，就可以獲知高德紅外所具有的技術壁壘最高、其次是睿創微納，最后才是大立科技。
Maxtech International 的全球紅外熱成像市場規模的預測及 YOLE《Thermal Imagers and Detectors 2020》報告可以推算出國內紅外市場占有率，從中可知高德紅外占有率最高為6.62%，其次是睿創微納為3.43%，最后是大立科技為2.29%。市場占有率的排位和三家公司所擁有的技術壁壘排位是一致的。
由于國內非制冷紅外熱成像行業起步較晚，基礎薄弱，早期國內企業幾乎無自主生產非制冷紅外成像產品的能力。伴隨著國內技術水平的不斷提高，目前已經基本實現非制冷紅外成像產品的進口替代。公司在行業發展的過程中，經歷了核心技術培育期、核心技術產品化時期和核心技術深化期。
期望本文通過一個技術壁壘非常高的紅外熱成像儀的核心部件非制冷紅外熱成像探測器芯片的專利技術布局和演進的研究，為其他微電子器件的研發投資和戰略規劃提供參考。
參考文獻:
[1] 煙臺睿創微納技術股份有限公司招股說明書
[2] 北京富吉瑞光電科技股份有限公司招股說明書
[3] 武漢高德紅外股份有限公司，2022年半年度報告
[4] 浙江大立科技股份有限公司，2022年半年度報告
[5] 東方財富網“高德紅外” https://data.eastmoney.com/notices/stock/002414.html
[6] 東方財富網“大立科技” https://data.eastmoney.com/notices/stock/002214.html
[7] 東方財富網“睿創微納” https://data.eastmoney.com/notices/stock/688002.html
[8]睿創微納官網 http://www.raytrontek.com/
[9]大立科技官網 https://www.dali-tech.com/about
[10]高德紅外官網 https://www.wuhan-guide.com/
