光探测器、传感器预见未来
专访中国科学院褚君浩院士。...
褚君浩 院士
大学与科研院所研究光电转换的规律，技术人员把这些规律做成有用的器件，开发人员把它们放到应用场景上，就构成了从规律性的研究到技术的提升、再到设备的应用。
正处于第三、四次工业革命之间
从第一次工业革命的机械化，到第二次工业革命的电气化，再到第三次工业革命的信息化，我们现在正处在信息化的后期、新的第四次工业革命——智能化时代的开始阶段，此时有很多思想、理念和技术的跃迁。这个时期有三大特征。第一是信息技术深化发展。信息技术将不断提升技术水平，未来还会有量子信息、仿生信息技术等的发展。
第二是科学发现和技术发明多轨并行、交叉互动。例如第一次工业革命的特征是蒸汽机，第二次工业革命的特征是电动机的发明，第三次工业革命的特征是计算机作为重要载体，但现在许多方面的技术与应用在齐头并进、互相交叉融合，例如无人驾驶汽车、新能源汽车技术等。
第三个特征是信息技术和多领域技术的深度融合。
这次新工业革命有五大态势：1.智能化分布式的新能源系统;2.智能化复杂体系、物联网、智慧城市;3.机器人、传感器和人工智能;4.智能化制造技术、新材料。5.大健康产业、生物医药。在未来的几十年里，围绕这些方面会有大的进展和突破，互联网的技术要渗透到这些技术里面去。
其中智能化系统包括三根大柱子：动态感知，智慧识别和自动反应。其中，动态感知要靠传感器。
光电传感器的技术与应用
传感器有各种类型，诸如光、电、磁、热、声、机械等，它们都是利用物体运动的形态的转换，做成各种器件，代替人的感觉器官。智能时代，希望人能够感觉的东西都能够用传感器代替;甚至人不能感觉到的信息，也能通过传感器来感知。光电传感器分为光电导型和光伏型。光照下来，材料的电阻发生变化，是光电导型，典型的材料是半导体。若光照下来，PN节两端产生电压，是光伏型。
褚院士长期从事红外光电子材料和器件的研究，开展了用于红外探测器的窄禁带半导体碲镉汞(HgCdTe)和铁电薄膜的材料物理和器件研究，研制成功了PZT和BST铁电薄膜非制冷红外探测器并实现了热成像。
实际上，光电传感器技术及应用很多(如图1)，像素也有多种，例如可以2k×2k，320×480，256×256等，像素越多，分辨率越高。
不同波段的红外探测器已成功应用于我国风云4号气象卫星。每张云图使用一个光谱波段的红外探测器，光谱覆盖从可见光、近红外，到短波红外、中红外、热红外……，用不同波段的光探测器获取成像信息，通过智慧分析、大数据分析，给出准确的天气预报。
所以我们要发展不同波段的探测器技术。包括可见光、短波红外、热红外、长波红外等，不同波段的成像效果不同。
例如有些苹果，肉眼看很好，但短波红外相机拍照后，发现这个苹果里面是烂的。如图2，左图人手里的晶圆片挡住了后面的字符，但是用短波红外(SWIR)拍照，可以穿透硅片，看到后面的字符。一位美男子化了妆，但是用短波红外一看，可见眉毛和胡子是假的。
太阳光具有很宽的光谱，是6000K温度的黑体辐射，照射在物体反射光也是宽光谱的。物体本身按照他们的温度也辐射红外光。如果能够把不同波段的探测器都做出来，就可以用于探测信号的全波段分析。
例如，可见光下看到有人表面上拿一张报纸，但通过太赫兹波段的光谱成像，可见到报纸里有一把刀。也可以发现某些人身上藏的毒品。这是通过有透视功能的太赫兹探测器实现的。美国等海关已用于安检。
现在我们发现了一个新现象，太赫兹光照射到MSM(金属/半导体/金属)器件上来，载流子就会凝聚到半导体中，电导率会变化，就知道有太赫兹光下来了，因此做成了新型的太赫兹探测器件(如图3)，探测率比现在室温工作器件要高三个数量级左右。这就是新原理的发现、新技术的发明，预计将来可以派上用场。
气体传感器、光谱传感器发展快
传感器有很多种，除了光电的，还有力、磁、热、声、气体等许多种类传感器，有很多用途。例如气体传感器、分子传感器可以进行光谱气体探测/爆炸物探测等应用。这方面有些恶性案件，例如1995年3月20日，东京地铁发生沙林毒气事件;2004年马德里火车站黑炸药爆炸案等。预防这些事故的重要一环是要有敏感的传感器。
聚合物的荧光淬灭效应可以用来探测爆炸物，如图4，聚合物荧光一淬灭，就知道哪位带了TNT炸药。据此，中科院上海微系统研究所的程建功课题组，研制了一种荧光聚合物炸药探测仪，曾在上海轨道交通做过一个实验，把炸药物放在瓶子里，盖上盖子，再用塑料纸包好瓶子，放在上班的包里，放进纸袋中，从德国进口的嗅爆犬走来走去，没有发现炸药，但是这种探测仪一晃，就显示出有爆炸物。该产品已用于上海世博会等大型活动的安检。
谱像识别的未来应用
做不同波段的探测器，就可发展谱像识别的算法。目前有人脸识别、指纹识别，还可以发展谱像识别。主要根据光谱特征来确定物质，例如你的衣服材质，是棉、麻或纤维的？各自比例是多少等。实际上，我们处在波动世界的大数据里，有机械波、电磁波、引力波等，这些波有不同的频率、强度、位相、波矢、偏振等，我们可以利用波来做智慧识别，例如个体声音识别的设备，听出谁在讲话，像分辨熟人脚步声一样能判断是谁来了。
还可以监测粮食作物是否成熟，利用作物的电磁波特征。但是，在做这件事情之前，要先把某种粮食作物不同生长阶段的数据存在数据库里，然后对监测物和数据库里的数据比对，通过对比数据，就可预测产量会是多少。我们可以把比较的过程做成芯片。
另外寻找矿藏，先开飞机，把地面光谱做出来，然后跟数据库去比对。另外探测月亮表面，可把其光谱做出来，通过数据比对，就知道表面是什么成分。这种方法将来还可用到火星上。
还可以进行桥梁的健康监测，开车看桥正常还是不正常。方法是车开过去会采集到振动波形，根据这个波形进行分析。
智能化系统中，还有工业机器人、机器鸟等。一些展览会上演示过机器鸟，机器鸟能用传感器采集信息，然后自己能辨别方向。人工智能的机器人可进行物流分拣和分发。消防机器人的衣服不怕烧，眼睛是红外的。无人汽车也是第四次工业革命的一个重要应用和载体。
物联网提供人、机、物的网络连接，里面有两大核心技术：实时感知技术(传感器)，智慧分析技术(模型分析和大数据分析)。有五大应用方向:城市的综合管理，交通物流贸易，能源环境安全，医疗文化教育，城市社区安居。
针对某个目标应用就可以做成智慧系统产品，智慧程度可以不断提高，这个智慧系统的技术如果写到芯片里，就是一个人工智能的芯片、物联网的芯片，效率会更加提高。
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