光探測(cè)器、傳感器預(yù)見(jiàn)未來(lái)

作者 / 王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

編者按：近日，在“第五屆物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者大會(huì)”上，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、紅外物理學(xué)家褚君浩院士展望了光傳感器、探測(cè)器的未來(lái)。

正處于第三、四次工業(yè)革命之間

從第一次工業(yè)革命的機(jī)械化，到第二次工業(yè)革命的電氣化，再到第三次工業(yè)革命的信息化，我們現(xiàn)在正處在信息化的后期、新的第四次工業(yè)革命——智能化時(shí)代的開(kāi)始階段，此時(shí)有很多思想、理念和技術(shù)的躍遷。

這個(gè)時(shí)期有三大特征。第一是信息技術(shù)深化發(fā)展。信息技術(shù)將不斷提升技術(shù)水平，未來(lái)還會(huì)有量子信息、仿生信息技術(shù)等的發(fā)展。

第二是科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明多軌并行、交叉互動(dòng)。例如第一次工業(yè)革命的特征是蒸汽機(jī)，第二次工業(yè)革命的特征是電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，第三次工業(yè)革命的特征是計(jì)算機(jī)作為重要載體，但現(xiàn)在許多方面的技術(shù)與應(yīng)用在齊頭并進(jìn)、互相交叉融合，例如無(wú)人駕駛汽車(chē)、新能源汽車(chē)技術(shù)等。

第三個(gè)特征是信息技術(shù)和多領(lǐng)域技術(shù)的深度融合。

這次新工業(yè)革命有五大態(tài)勢(shì)：1.智能化分布式的新能源系統(tǒng);2.智能化復(fù)雜體系、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市;3.機(jī)器人、傳感器和人工智能;4.智能化制造技術(shù)、新材料。5.大健康產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥。在未來(lái)的幾十年里，圍繞這些方面會(huì)有大的進(jìn)展和突破，互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)要滲透到這些技術(shù)里面去。

其中智能化系統(tǒng)包括三根大柱子：動(dòng)態(tài)感知，智慧識(shí)別和自動(dòng)反應(yīng)。其中，動(dòng)態(tài)感知要靠傳感器。

光電傳感器的技術(shù)與應(yīng)用

傳感器有各種類(lèi)型，諸如光、電、磁、熱、聲、機(jī)械等，它們都是利用物體運(yùn)動(dòng)的形態(tài)的轉(zhuǎn)換，做成各種器件，代替人的感覺(jué)器官。智能時(shí)代，希望人能夠感覺(jué)的東西都能夠用傳感器代替;甚至人不能感覺(jué)到的信息，也能通過(guò)傳感器來(lái)感知。

光電傳感器分為光電導(dǎo)型和光伏型。光照下來(lái)，材料的電阻發(fā)生變化，是光電導(dǎo)型，典型的材料是半導(dǎo)體。若光照下來(lái)，PN節(jié)兩端產(chǎn)生電壓，是光伏型。

褚院士長(zhǎng)期從事紅外光電子材料和器件的研究，開(kāi)展了用于紅外探測(cè)器的窄禁帶半導(dǎo)體碲鎘汞(HgCdTe)和鐵電薄膜的材料物理和器件研究，研制成功了PZT和BST鐵電薄膜非制冷紅外探測(cè)器并實(shí)現(xiàn)了熱成像。

實(shí)際上，光電傳感器技術(shù)及應(yīng)用很多(如圖1)，像素也有多種，例如可以2k×2k，320×480，256×256等，像素越多，分辨率越高。

在科技轉(zhuǎn)化為應(yīng)用方面，中科院上海技術(shù)物理所研制了多種紅外光探測(cè)器，用于航天航空遙感。也研制登月天宮號(hào)上的有效載荷。在登月下降時(shí)，要采用激光雷達(dá)選擇降落地點(diǎn)，需要有激光源、窄帶濾光片和靈敏探測(cè)器，下降時(shí)發(fā)現(xiàn)地面不平，馬上移動(dòng)了25米，成功降落。

不同波段的紅外探測(cè)器已成功應(yīng)用于我國(guó)風(fēng)云4號(hào)氣象衛(wèi)星。每張?jiān)茍D使用一個(gè)光譜波段的紅外探測(cè)器，光譜覆蓋從可見(jiàn)光、近紅外，到短波紅外、中紅外、熱紅外……，用不同波段的光探測(cè)器獲取成像信息，通過(guò)智慧分析、大數(shù)據(jù)分析，給出準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)。

所以我們要發(fā)展不同波段的探測(cè)器技術(shù)。包括可見(jiàn)光、短波紅外、熱紅外、長(zhǎng)波紅外等，不同波段的成像效果不同。

例如有些蘋(píng)果，肉眼看很好，但短波紅外相機(jī)拍照后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)蘋(píng)果里面是爛的。如圖2，左圖人手里的晶圓片擋住了后面的字符，但是用短波紅外(SWIR)拍照，可以穿透硅片，看到后面的字符。一位美男子化了妝，但是用短波紅外一看，可見(jiàn)眉毛和胡子是假的。

為了實(shí)現(xiàn)寬光譜拍照/探測(cè)，需要有不同技術(shù)，包括材料技術(shù)和器件技術(shù)等。

太陽(yáng)光具有很寬的光譜，是6000K溫度的黑體輻射，照射在物體反射光也是寬光譜的。物體本身按照他們的溫度也輻射紅外光。如果能夠把不同波段的探測(cè)器都做出來(lái)，就可以用于探測(cè)信號(hào)的全波段分析。

例如，可見(jiàn)光下看到有人表面上拿一張報(bào)紙，但通過(guò)太赫茲波段的光譜成像，可見(jiàn)到報(bào)紙里有一把刀。也可以發(fā)現(xiàn)某些人身上藏的毒品。這是通過(guò)有透視功能的太赫茲探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。美國(guó)等海關(guān)已用于安檢。

現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象，太赫茲光照射到MSM(金屬/半導(dǎo)體/金屬)器件上來(lái)，載流子就會(huì)凝聚到半導(dǎo)體中，電導(dǎo)率會(huì)變化，就知道有太赫茲光下來(lái)了，因此做成了新型的太赫茲探測(cè)器件(如圖3)，探測(cè)率比現(xiàn)在室溫工作器件要高三個(gè)數(shù)量級(jí)左右。這就是新原理的發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)的發(fā)明，預(yù)計(jì)將來(lái)可以派上用場(chǎng)。

氣體傳感器、光譜傳感器發(fā)展快

傳感器有很多種，除了光電的，還有力、磁、熱、聲、氣體等許多種類(lèi)傳感器，有很多用途。例如氣體傳感器、分子傳感器可以進(jìn)行光譜氣體探測(cè)/爆炸物探測(cè)等應(yīng)用。這方面有些惡性案件，例如1995年3月20日，東京地鐵發(fā)生沙林毒氣事件;2004年馬德里火車(chē)站黑炸藥爆炸案等。預(yù)防這些事故的重要一環(huán)是要有敏感的傳感器。

聚合物的熒光淬滅效應(yīng)可以用來(lái)探測(cè)爆炸物，如圖4，聚合物熒光一淬滅，就知道哪位帶了TNT炸藥。據(jù)此，中科院上海微系統(tǒng)研究所的程建功課題組，研制了一種熒光聚合物炸藥探測(cè)儀，曾在上海軌道交通做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把炸藥物放在瓶子里，蓋上蓋子，再用塑料紙包好瓶子，放在上班的包里，放進(jìn)紙袋中，從德國(guó)進(jìn)口的嗅爆犬走來(lái)走去，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)炸藥，但是這種探測(cè)儀一晃，就顯示出有爆炸物。該產(chǎn)品已用于上海世博會(huì)等大型活動(dòng)的安檢。

同樣，也可在建筑物里放上振動(dòng)傳感器，來(lái)探測(cè)建筑物有沒(méi)有異常。

譜像識(shí)別的未來(lái)應(yīng)用

做不同波段的探測(cè)器，就可發(fā)展譜像識(shí)別的算法。目前有人臉識(shí)別、指紋識(shí)別，還可以發(fā)展譜像識(shí)別。主要根據(jù)光譜特征來(lái)確定物質(zhì)，例如你的衣服材質(zhì)，是棉、麻或纖維的?各自比例是多少等。

實(shí)際上，我們處在波動(dòng)世界的大數(shù)據(jù)里，有機(jī)械波、電磁波、引力波等，這些波有不同的頻率、強(qiáng)度、位相、波矢、偏振等，我們可以利用波來(lái)做智慧識(shí)別，例如個(gè)體聲音識(shí)別的設(shè)備，聽(tīng)出誰(shuí)在講話(huà)，像分辨熟人腳步聲一樣能判斷是誰(shuí)來(lái)了。

還可以監(jiān)測(cè)糧食作物是否成熟，利用作物的電磁波特征。但是，在做這件事情之前，要先把某種糧食作物不同生長(zhǎng)階段的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，然后對(duì)監(jiān)測(cè)物和數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)比對(duì)，通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)，就可預(yù)測(cè)產(chǎn)量會(huì)是多少。我們可以把比較的過(guò)程做成芯片。

另外尋找礦藏，先開(kāi)飛機(jī)，把地面光譜做出來(lái)，然后跟數(shù)據(jù)庫(kù)去比對(duì)。另外探測(cè)月亮表面，可把其光譜做出來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，就知道表面是什么成分。這種方法將來(lái)還可用到火星上。

還可以進(jìn)行橋梁的健康監(jiān)測(cè)，開(kāi)車(chē)看橋正常還是不正常。方法是車(chē)開(kāi)過(guò)去會(huì)采集到振動(dòng)波形，根據(jù)這個(gè)波形進(jìn)行分析。

智能化系統(tǒng)中，還有工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器鳥(niǎo)等。一些展覽會(huì)上演示過(guò)機(jī)器鳥(niǎo)，機(jī)器鳥(niǎo)能用傳感器采集信息，然后自己能辨別方向。人工智能的機(jī)器人可進(jìn)行物流分揀和分發(fā)。消防機(jī)器人的衣服不怕燒，眼睛是紅外的。無(wú)人汽車(chē)也是第四次工業(yè)革命的一個(gè)重要應(yīng)用和載體。

物聯(lián)網(wǎng)提供人、機(jī)、物的網(wǎng)絡(luò)連接，里面有兩大核心技術(shù)：實(shí)時(shí)感知技術(shù)(傳感器)，智慧分析技術(shù)(模型分析和大數(shù)據(jù)分析)。有五大應(yīng)用方向:城市的綜合管理，交通物流貿(mào)易，能源環(huán)境安全，醫(yī)療文化教育，城市社區(qū)安居。

針對(duì)某個(gè)目標(biāo)應(yīng)用就可以做成智慧系統(tǒng)產(chǎn)品，智慧程度可以不斷提高，這個(gè)智慧系統(tǒng)的技術(shù)如果寫(xiě)到芯片里，就是一個(gè)人工智能的芯片、物聯(lián)網(wǎng)的芯片，效率會(huì)更加提高。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第1期第1頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處