红外传感器论文 技术论文非色散红外二氧化碳传感器的设计与实现

技术论文非色散红外二氧化碳传感器的设计与实现

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[1]于可,刘灿,张磊,等.非色散红外二氧化碳传感器的设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2024(05):213-217.DOI:10.14016/j.cnki.1001-9227.2024.05.213.

作者：于 可，刘 灿，张 磊，谭秋林

( 中北大学微纳器件与系统教育部重点实验室

中北大学仪器科学与动态测试国家重点实验室)

摘 要:针对目前市面上 CO2 传感器量程小、体积大等问题 ,以红外光谱吸收原理为基础 ,设计了一种基于非色散红外技术的 CO2 气体传感器 。在朗伯-比尔定律基础上引入 气体非吸收峰对浓度检测的影响 ,并据此建立了相应的浓度计算方程。 在气室方面 ,提出了一种反射型结构 ,并通过仿真验证了该结构的可行性 。在软硬件方面 ,以单片机作为控制核心 ,并在其 内部实现了温度补偿及浓度拟合功能 。为测试性能 ,使用温度试验箱搭建测试平台 。结果表明 ,在不同温度下 ,该传感器能 够准确测量 0-5%范围内的 CO2 ,且满量程精度为 2. 8% ,满足工业生产等领域对 CO2 实时检测的要求。

关键词:非色散红外技术;CO2 传感器 ;气室;气体检测

（来源： 自动化与仪器仪表 2024年第5期）

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红外传感器行业技术水平特点及机遇挑战（附报告目录）

红外传感器行业技术水平特点及机遇挑战（附报告目录）

1、红外传感器行业简介及分类

红外传感器是一种用于发现并测定红外辐射的强度，并将其转变为电能以便应用的传感器。根据传感机理的不同，红外传感器可分为非制冷型热式红外传感器和制冷型光子红外传感器两大类。其中，非制冷型热式红外传感器按照工作原理大致可以分为红外热电堆传感器、热释电红外传感器和微测辐射热计红外传感器。

相关报告：北京普华有策信息咨询有限公司《红外传感器行业报告,市场规模,发展前景,利润分析,价格趋势,竞争格局,投资机遇》

资料来源：普华有策

制冷型光子红外传感器是利用半导体材料的光子效应进行红外传感，传感器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象，通常能获得更高的红外性能以及更短的响应时间，但热噪声对环境温度非常敏感，因此需要制冷装置对其进行制冷，成本较高，这就大大限制了制冷型光子红外传感器的应用，主要应用于航空航天、军事等对性能要求高、成本不敏感的领域。非制冷型热式红外传感器是将接收到的红外辐射转换成热能，导致红外敏感元件温度上升，然后通过测量温度上升来测量红外辐射信号的大小，由于是将红外辐射转换热量对温度差进行测量，所以非制冷型热式红外传感器可以在室温环境下工作，无需制冷，降低了传感器的制造成本和操作难度，在军事、工业及各类民用消费等领域广泛应用。

非制冷型热式红外传感器按照工作原理大致可以分为热电堆传感器、热释电传感器和微测辐射热计传感器。红外热电堆传感器通过塞贝克效应将红外辐射导致的温度变化转换为电压信号输出。热释电红外传感器是通过受热物体中的电荷堆积来测量红外辐射导致的温度变化。微测辐射热计红外传感器通过将红外辐射导致的温度变化引起的电阻变化转换成电信号输出。

2、红外传感器行业发展概况

红外传感技术市场应用广泛，在工作方式上可以大致分为两大类应用。一类是侧重于物体热成像的应用，主要为制冷型光子红外传感器、微测辐射热计红外传感器，其红外传感系统侧重于被测物体的红外热成像，主要应用于军事领域及部分民用领域；一类是侧重于物体及温度量感知的应用，主要为红外热电堆传感器、热释电红外传感器，其红外传感系统侧重于被测物体的温度感知量及更高的精确度，主要应用于民用领域。

（1）军用红外传感器行业发展概况

军用红外产品从上世纪 70-80 年代起就逐步应用于海陆空战场上，经过多年的技术迭代及产品换代，目前红外产品在美国、法国等发达国家军队的普及率较高，市场趋于稳定。

我国军用市场底子较薄，正处在大力追赶阶段。近年来红外传感器在我国军事领域的应用处于快速提升阶段，包括单兵、坦克装甲车辆、舰船、军机和红外制导武器在内的红外装备市场将迎来快速发展阶段。国内军用红外市场正快速发展，属于朝阳行业，市场容量巨大。目前在我国积极推进军队信息化及武器装备现代化建设的大背景下，未来国内军用红外市场将持续快速增长。

（2）民用红外传感器行业发展概况

近年来，随着红外产品的成本及价格不断下降，其在民用领域的应用更加广泛。另外，民用红外传感器市场保持着很快的增长速度，增长幅度要远大于军用领域。红外传感器在民用市场消费额的快速增长主要来源于产品成本下降带来新应用领域的不断扩大，随着红外传感器在健康医疗、安防监控、智能家居、物联网、消费电子、工业控制等行业应用的推广，民用红外传感器行业将迎来市场需求的快速增长期。

目前，民用红外市场应用前景较好，需求旺盛。随着我国经济持续发展及国内红外传感器产品的普及，市场对于红外传感器产品的需求也日趋旺盛，未来将有更多新兴市场需求成为红外市场新的增长点。

2020 年，红外传感技术的大量广泛应用使得人们看到了红外技术非接触测温的便利性及可靠性，将加速红外技术在新领域的应用推广，对红外技术的市场普及起到催化作用，未来，红外产品市场需求将会在原本的基础之上呈现快速增长的态势，为行业内企业提供重大发展机遇。

3、红外热电堆传感器行业发展概况

与传统的红外热电堆传感器相比，基于 MEMS 技术的红外热电堆传感器具有尺寸小、重量轻、噪声小、成本低、使用方便等优点，因此 MEMS 红外热电堆传感器在性能与成本方面能够较好的兼顾民用消费领域的需求，在健康医疗、安防监控、智能家居、消费电子、工业控制等领域得到了广泛的应用。

2020 年初，受突发新冠疫情影响，非接触式红外体温监测仪器作为疫情防控初步筛检手段，市场需求快速增长。国内以额温枪为主的非接触式测温设备市场需求大增，红外热电堆传感器作为关键部件需求同步上升，热电堆传感器上半年呈量价齐升态势。受疫情期间红外热电堆产品的广泛普及影响，其众多优点得到市场的广泛认同，未来在众多新兴领域将得到广泛应用。

4、技术特点

（1）行业技术较为复杂，国内自主研发能力欠缺

MEMS 红外热电堆传感器产品的研发与设计，既涉及到机械、电子、材料、光学、半导体等多门复杂学科知识，又涉及到机械制造、半导体制造等跨行业技术的积累和整合，这对 MEMS 红外热电堆传感器的研发设计人员的专业知识和行业经验提出了较高的要求。研发人员既需要熟练掌握上述多门复杂的学科知识，又需要对上下游行业有着深入的理解。

由于行业技术较为复杂加之国内起步较晚，在 MEMS 传感器芯片的研发设计和晶圆制造领域，国内企业的技术水平与国外领先的公司相比，存在较大差距，因而，国内很多厂商通过外购传感器芯片并在国内完成封装测试的方式拓展国内市场，但由于其缺乏自主设计芯片的能力，在芯片供应及议价能力等方面往往受制于人。MEMS 红外热电堆传感器应对技术迭代革新的根本是芯片的设计和供应能力，未来国内拥有芯片自主设计研发能力的厂商将面临广阔的进口替代和新兴领域的市场机会。

（2）技术工艺非标准化且生产环节存在技术壁垒

MEMS 传感器具有一种产品对应一种加工工艺的特点，各类产品应用领域的技术要求也存在差异，晶圆制造和测试过程也需采用非标准的工艺，这就使得传感器的生产及封装工艺需要根据产品的不同设计来进行调试，从而要求国内企业除了完成传感器芯片的设计，还需要开发适合公司芯片设计路线的 MEMS 晶圆制造工艺、封装测试工艺。因此，MEMS 传感器行业在芯片设计、晶圆制造、封装和测试环节都具有壁垒。

（3）红外热电堆技术应用领域广泛

红外热电堆传感器是由热电偶构成的一种器件，通过塞贝克效应将红外辐射导致的温度变化转换为电压信号输出。过去，由于国内红外热电堆技术不成熟，应用于民用类的红外技术主要采用热释电红外、微测辐射热计传感技术。微测辐射热计在民用领域主要应用于红外热成像产品，但成本较高；热释电红外传感器虽成本较低，但其仅能感应动态目标。红外热电堆传感器则兼顾了产品的性能与成本，可同时应用于动态及静态场景，适合民用消费领域的需求，因此近年来应用逐步拓展，在不同领域得到了广泛的应用。

（4）红外技术的加速发展和普及

红外热电堆传感器具有非接触、体积小、成本低、稳定性强等特点，同时，采用 CMOS-MEMS 技术便于将产品微型化，使得红外热电堆传感器可以与电子系统集成，不断创造新的应用场景，如 2020 年 6 月荣耀发布了全球首款红外测温 5G 手机；将红外测温模块集成在安防监控等的人脸识别模块，实现功能的高度集成；通过监测油烟温度，实现抽油烟机“烟灶联动”“烟感风随”；通过监测室内人体方位，实现空调“风随人动”；通过监控车内 CO2 浓度，实现车内环境的实时智能控制等。

2020 年，红外传感技术的大量广泛应用使得人们看到了红外技术非接触测温的便利性及可靠性，将加速红外技术在新领域的应用推广，对红外技术的市场普及起到催化作用，未来，红外产品市场需求将会在原本的基础之上呈现快速增长的态势，为行业内企业提供重大发展机遇。

5、行业面临的机遇

（1）国家持续关注并大力支持传感器行业的发展

半导体芯片行业作为信息产业中的基础和核心部分，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业。国家在政策层面对传感器产业已有较多支持。2014 年，《国家集成电路产业发展推进纲要》提出开发基于新业态、新应用的传感器等关键芯片。2017 年，国务院印发《智能传感器产业三年行动指南（2017-2019）》，对传感器全产业链进行扶持。持续不断的政策层面的支持及资本的不断投入，将促进传感器行业的不断发展。2020 年国务院发布《国务院关于印发新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》，通知在财税政策、投融资政策、研究开发政策、进出口政策、人才政策、知识产权政策、市场应用政策、国际合作政策等方面全面支持半导体行业发展壮大。

（2）市场应用及需求广泛

传感器相当于机器的感官，物联网也要通过传感器去感知周边物体和物理环境，从而为物联网应用层的数据分析提供依据，随着未来物联网的纵深发展，进一步催生对于传感器的需求。

由于红外热电堆传感器具有非接触、快速及便利性等特点，随着国内红外热电堆传感技术的发展及逐渐成熟，其性能与成本能够较好的兼顾民用消费领域的需求，得到越来越广泛的应用，尤其是在消费电子、智能家居、工业控制等领域开始广泛应用。

（3）红外应用得到加速普及

2020 年，红外传感技术的大量广泛应用，使得人们看到了红外技术非接触测温的便利性及可靠性，加速了红外技术在新领域的应用推广，对红外技术的市场普及起到催化作用。未来，红外产品市场需求将会在原本的基础之上呈现快速增长的态势，为行业内企业提供重大发展机遇。

（4）国外高端产品市场垄断，国产化需求凸显

现有红外传感技术的产品，部分低端应用产品已开始实现国产化替代，但是大部分高端产品主要还是由国外厂商提供。对于红外热电堆技术，产业链上下游大部分在美国、欧洲、日本，价格较高，服务响应周期长，无法满足国内日益增长和急剧变化的应用需求，国产化厂商具备良好发展前景和巨大的成长空间。

6、行业面临的挑战

（1）技术人才匮乏，人员分散

红外热电堆相关技术及产品的研制等是多学科融合的高精尖技术，涉及到芯片设计、结构设计、制造工艺、封装设计等各种环节。对人员的技术要求高，人才培养的周期长，导致国内热电堆技术的研发人才队伍建设远远落后于行业发展的需求。同时我国红外传感技术起步较晚，经验丰富、技术能力强的专业技术人才和管理人才也较缺乏。随着红外技术的逐步应用推广，越来越多的红外技术相关公司对专业人才的需求也导致本来已经匮乏的人才资源更加分散，使得专业人才的缺乏矛盾更加突出。

（2）技术积累短，产业链整合不完善

对于红外热电堆技术，此前国内在该领域主要还是各科研院所进行相关的学术研究，产业化经验积累时间较短，同时相关产业链不完善。近年来，虽然国内的半导体代工资源及产业链在国家大力支持下得到较快成长与发展，但真正能够实现商业化运作并具有较强竞争力的供应商还不多，高效整合现有产业链资源从而实现竞争优势是很多企业面临的问题。

（3）新应用需要一定的市场推广时间

对于传统的红外产品，现有国际厂商具有技术、资金及市场的先发优势，国内的中小企业如要在市场竞争中获得优势，一方面要靠自身的产品技术创新及市场服务等实现产品竞争优势，另一方面要靠开发新的产品应用等实现市场先发优势。产品创新和应用创新等都需要相应的时间去推广从而被市场接受，因此需要行业内企业能够积极推广创新产品及应用，终端企业支持与配合创新及应用，最终实现整个产业链的良性循环。

目录

第一章 宏观经济环境分析

第一节 全球宏观经济分析

一、2020年全球宏观经济运行概况

二、2021年全球宏观经济趋势预测

第二节 中国宏观经济环境分析

一、2016-2020年中国宏观经济运行概况

二、2021年中国宏观经济趋势预测

第三节 红外传感器行业社会环境分析

第四节 红外传感器行业政治法律环境分析

一、行业管理体制分析

二、行业相关发展规划

三、主要产业政策解读

第五节 红外传感器行业技术环境分析

一、技术发展水平分析

二、技术革新趋势分析

第二章 国际红外传感器行业发展分析

第一节 国际红外传感器行业发展现状分析

一、国际红外传感器行业发展概况

二、主要国家红外传感器行业的经济效益分析

三、2021-2027年国际红外传感器行业的发展趋势分析

第二节 主要国家及地区红外传感器行业发展状况及经验借鉴

一、美国红外传感器行业发展分析

1、2016-2020年行业规模情况

2、2021-2027年行业前景展望

二、欧洲红外传感器行业发展分析

1、2016-2020年行业规模情况

2、2021-2027年行业前景展望

三、日韩红外传感器行业发展分析

1、2016-2020年行业规模情况

2、2021-2027年行业前景展望

四、2016-2020年其他国家及地区红外传感器行业发展分析

五、国外红外传感器行业发展经验总结

第三章 2016-2020年中国红外传感器市场供需分析

第一节 2016-2020年红外传感器产能分析

一、2016-2020年中国红外传感器产能及增长率

二、2021-2027年中国红外传感器产能预测

三、2016-2020年中国红外传感器产能利用率分析

第二节 2016-2020年红外传感器产量分析

一、2016-2020年中国红外传感器产量及增长率

二、2021-2027年中国红外传感器产量预测

第三节 2016-2020年红外传感器市场需求分析

一、2016-2020年中国红外传感器市场需求量及增长率

二、2021-2027年中国红外传感器市场需求量预测

第四章 中国红外传感器产业链结构分析

第一节 中国红外传感器产业链结构

一、产业链概况

二、特征

第二节 中国红外传感器产业链演进趋势

一、产业链生命周期分析

二、产业链价值流动分析

三、演进路径与趋势

第三节 中国红外传感器产业链竞争分析

第五章 2016-2020年红外传感器行业产业链分析

第一节 2016-2020年红外传感器行业上游运行分析

一、行业上游介绍

二、行业上游发展状况分析

三、行业上游对红外传感器行业影响力分析

第二节 2016-2020年红外传感器行业下游运行分析

一、行业下游介绍

二、行业下游发展状况分析

1、A用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

2、B领域用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

3、C领域用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

4、D用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

5、E领域用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

6、F用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

7、G领域用红外传感器市场分析

（1）需求规模

（2）需求前景预测

第六章 中国红外传感器行业区域市场分析

第一节 华北地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第二节 东北地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第三节 华东地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第四节 华南地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第五节 华中地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第六节 西南地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第七节 西北地区红外传感器行业分析

一、2016-2020年行业发展现状分析

二、2016-2020年市场规模情况分析

三、2016-2020年市场需求情况分析

四、2021-2027年行业发展前景预测

第七章 中国红外传感器行业市场经营情况分析

第一节 2016-2020年行业市场规模分析

第二节 2016-2020年行业基本特点分析

第三节 2016-2020年行业销售收入分析（包含销售模式及销售渠道）

第四节 2016-2020年行业区域结构分析

第八章中国红外传感器产品价格分析

第一节 2016-2020年中国红外传感器历年价格

第二节 中国红外传感器当前市场价格

一、产品当前价格分析

二、产品未来价格预测

第三节 中国红外传感器价格影响因素分析

第四节 2021-2027年红外传感器行业未来价格走势预测

第九章 红外传感器行业竞争格局分析

第一节 红外传感器行业集中度分析

一、市场集中度分析

二、区域集中度分析

第二节 红外传感器行业竞争格局分析

一、行业竞争分析

二、与国际产品竞争分析

三、行业竞争格局展望

第十章 普华.有策对行业重点企业经营状况分析

第一节 A公司

一、企业基本情况

二、企业主要业务概况

三、企业核心竞争力分析

四、企业经营情况分析

第二节 B公司

一、企业基本情况

二、企业主要业务概况

三、企业核心竞争力分析

四、企业经营情况分析

第三节 C公司

一、企业基本情况

二、企业主要业务概况

三、企业核心竞争力分析

四、企业经营情况分析

第四节 D公司

一、企业基本情况

二、企业主要业务概况

三、企业核心竞争力分析

四、企业经营情况分析

第五节 E公司

一、企业基本情况

二、企业主要业务概况

三、企业核心竞争力分析

四、企业经营情况分析

第十一章 红外传感器行业投资价值评估

第一节 2016-2020年红外传感器行业产销分析

第二节 2016-2020年红外传感器行业成长性分析

第三节 2016-2020年红外传感器行业盈利能力分析

一、主营业务利润率分析

二、总资产收益率分析

第四节 2016-2020年红外传感器行业偿债能力分析

一、短期偿债能力分析

二、长期偿债能力分析

第十二章PHPOLICY对2021-2027年中国红外传感器行业发展预测分析

第一节 2021-2027年中国红外传感器发展环境预测

第二节 2021-2027年我国红外传感器行业产值预测

第三节 2021-2027年我国红外传感器行业销售收入预测

第四节 2021-2027年我国红外传感器行业总资产预测

第五节2021-2027年我国红外传感器行业市场规模预测

第六节 2021-2027年中国红外传感器市场形势分析

一、2021-2027年中国红外传感器生产形势分析预测

二、影响行业发展因素分析

1、有利因素

2、不利因素

第七节 2021-2027年中国红外传感器市场趋势分析

第十三章 2021-2027年红外传感器行业投资机会与风险

第一节红外传感器行业投资机会

一、产业链投资机会

二、细分市场投资机会

三、重点区域投资机会

第二节红外传感器行业投资风险及防范

一、政策风险及防范

二、技术风险及防范

三、供求风险及防范

四、宏观经济波动风险及防范

五、关联产业风险及防范

六、产品结构风险及防范

第十四章 普华有策对红外传感器行业研究结论及投资建议

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