褚君浩:传感互联将无处不在

作者: 陈冰

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中科院院长侯建国院士向褚君浩院士颁发第八届中科院学部主席团成员纪念牌。

在公共场所的洗手间,当你把手放到水龙头下就会自动出水;当走到一些商店,大门会自动打开。如果你稍稍留意就不难发现,类似的智能产品正越来越多地出现在我们身边——在火车站、机场等公共场所,我们实现了大规模测温;即使面对走位飘忽的台风,我们仍然能够对它的路径进行精确预测。我们可以精确地预测庄稼的产量,可以窥探月球的秘密,这一切,都离不开一种必不可少的器件——传感器。

说到传感器,就不得不提半导体物理和器件专家、中国科学院院士、红外物理学家褚君浩。作为中国自主培养的第一个红外物理博士,他发现了最完整的用于研制红外探测器的碲镉汞红外本征光吸收光谱;获得最具有直接物理意义的碲镉汞禁带宽度和组分、温度的关系式,被国际上称为CXT公式(褚-徐-汤);建立了研究窄禁带半导体MIS器件结构二维电子气子能带结构的理论模型……

1945年出生的他,已过古稀之年,却依旧精力充沛,致力于最新的科学研究领域。在万物互联的新世界里,褚君浩和他的团队正在研发一系列让世界变得更智能的传感设备。

近日,《新民周刊》专访了褚君浩院士,和他一起聊了聊无处不在的传感器“黑科技”。

为传感器立标准

什么是传感器?就像人有五官,传感器就是能够代替我们的五官去看、听、闻、尝,去感觉的器件。

看似简单的生活物品中,其实藏着很多传感器,比如多年前红极一时、国人纷纷从日本扛回来的智能马桶盖,里面就有力传感器、热传感器、光传感器。查酒驾的测试仪,则配有烟雾探测器、气体传感器。还有电子血压计、人体感应灯、触摸屏、相机、手机、游戏机,包括智能电视、冰箱、洗衣机、空调等等,都内置有光传感器、力传感器。

不过,传感器最普遍的应用还是智能手机——我们可以在一部手机中找到光传感器摄像头,力传感器加速度计、陀螺仪,磁传感器、声音传感器、指纹传感器等等,这些传感器使得我们的手机功更加智能。

褚君浩指出,传感器的工作原理其实很简单,就是因为物质的不同运动形态是可以转化的。比如光电传感器,它就来源于爱因斯坦1906年发现的光电效应:光照到某些金属表面,如果其频率达到一定值,金属表面的电子就可以被“打”出来。目前市面上的传感器大多是通过一个器件把“光、声、热、磁”等转变成电,从而做成可见光探测器、红外探测器、THz探测、紫外探测器,X射线、伽马射线探测器等等不同的探测器。

我们都知道,任何一个有温度的物体都会发出热辐射,也即发出红外光。虽然肉眼不可见,但能通过红外探测器看见。最近,云南西双版纳一路向北的大象群引发全球关注,科研人员可以利用红外热像仪来监测大象的一举一动。

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疫情期间很多地方都在用红外热像仪来测量体温,检察人员可以远距离地看到温度是多少。

作为研究了一辈子红外物理的专家,褚君浩指出半导体材料中红外响应最好的是碲镉汞半导体材料。正是他,首次发现了碲镉汞带间跃迁本征吸收光谱。1983年,他有一个研究结果发表在国内的《红外研究》杂志上。过了没多久,有同事在吃饭时神秘兮兮地问褚君浩,是不是给美国国防部写了份报告。这让褚君浩吓了一跳,后来才知道,原来是美国国防部AD报告出版部门专门将杂志上的论文翻译成英文,发表在AD报告上。这也从一个侧面证实了褚君浩这一研究的前沿性和重要性。事实上,直到现在,褚君浩获得的碲镉汞带间跃迁吸收光谱数据依然是国际上最完整的,相当于为红外探测材料研发树立了一个标准。

“碲镉汞半导体材料在低温下工作灵敏度非常高,可以做成单元、多元或者焦平面列阵红外器件,像素很多。如果做成红外相机,放在飞机上,进行对地观测,就是航空遥感;放到卫星上对地观测,那就是航天遥感。”褚君浩说,中国的风云四号气象卫星里红外波段成像都是用碲镉汞探测器,加上可见光波段探测器,白天黑夜都可以观测风云,使得我国现在的气象报告都特别准。“而且可以测量大气每一层每一个空间位置的温度、湿度,相当于在对大气做‘CT’。现在台风预报也非常准,我们可以准确地知道台风什么时候到哪里,以什么速度移动,这些都得益于红外传感器,哪怕晚上也可以清楚看到大气的变化。这个技术非常了不起,领跑国际水平。”

大显身手的红外传感器

褚君浩说,红外传感器有三大功能:第一,看清目标物的空间分布,黑暗环境下也能观测。第二,获取目标的热像,可以看到物体的温度分布。随着新冠疫情在全球范围内的大暴发,利用红外热像仪来测量人们的体温就变得越来越普遍。用它来对发热病人进行监控,直观明晰。

除了在人体健康领域、公共安全领域进行检测之外,家庭安全防护、水资源、能源系统、环境监测等领域,也都有很多传感器的应用。比方说,用它来排查电路隐患,能够直观地观察短路情况,因为如果电路中某个部分电流反常变大,温度会同时升高。上海17号线地铁就在使用智慧维保供电平台。很多设备都是用铁箱子包起来的,如果里面发生故障,通过红外热像就能及时观察到温度升高的情况,进行处理。

基于同样的思路,这一技术还应用于火情火灾方面的监控,预报火灾的情况,帮助现场救援找到伤者或火苗位置,从而更加有效地灭火和救援。巴黎圣母院大火,就是将红外热像仪放在无人机上,找到了火苗在哪里,有针对性地进行了灭火处理。未来,红外热像技术有望结合智能机器人,在后火险隐患、火情救援方面发挥更大的作用。

此外,红外传感器可以看到目标物的谱像,也就是看到物体表面反射的光的光谱。不同的物体,有不同的光谱,比如苹果、樱桃、梨、青葡萄,其特征波长都是不一样的,因此波的特征也不一样。通过绘制光谱分布获得物体的光谱特征放入数据库后,就可以通过测量到的光谱比对数据库的光谱来进行各种分析。

勤奋刻苦、好奇质疑、目标如一、胸怀大志,正是褚君浩这一路走来的科研心得。

“嫦娥三号的月球车上就搭载了我们的光谱仪。抵达月球表面后,可以得到月球表面土壤的光谱,进行分析比对,就能得出月球表面的土壤成分、矿物成分。同样,绕到月亮背面的嫦娥四号也会使用光谱议,这样就能通过所得谱像分析月球表面覆盖的是物质是什么了。”

褚君浩说,最近还有科学家在做大脑的近红外成像:把近红外“打”到大脑中,在里面“兜一圈”后,反射出来,就可以从一个侧面获得大脑的信息。这个试验还可以知道航天员在加速过程和在太空中大脑工作是否正常。将来或许还能进一步看出被试者的情绪或者是否说谎。

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左图:树叶的左边是新鲜的状态,右边是干掉后的状态。太赫兹波可以非常清晰地看出前后变化,所以它在医学二维成像、食品检测等很多方面都有应用。右图:在可见光下拍出来很漂亮的苹果,用短波红外拍的就能看出里面是腐烂的。

太赫兹波段的传感器是近来领域内的热点。很多物质的特征光谱都在这个波段里。通过太赫兹波,科学家们可以非常清晰地看出物品,所以它在医学二维成像、食品检测等很多方面都有应用。现在很多地方安检,比如机场,都在用太赫兹波从较远的地方检测人们是否携带危险物品。此外,国内也已经开始使用太赫兹波检测危险品。褚君浩团队目前正在使用新的原理来研发一种新的太赫兹探测器。

“这种新原理简言之,就是当太赫兹光入射到金属/半导体/金属结构上,在半导体内会产生一个势阱,电子就会从金属一端跑到半导体势阱中,引起半导体电导的变化。这个现象在碲镉汞、锑化铟、铟镓砷、硅等材料上都出现过,我们正是以此来设计太赫兹探测器。”一般的太赫兹探测器需要在深低温环境下工作,褚君浩团队已经设计出一种金属/半导体/金属的三明治结构,从而使得太赫兹探测器可以在常温下工作,这一突破,意义重大。

实际上,目前传感技术除了光谱、光电传感之外,还有压力、振动、声响、化学、生物、单光子等很多种传感器方式。

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嫦娥四号会在月球背面使用光谱仪,可以通过所得谱像分析月球内部物质。

比如现在有一种聚合物的荧光淬灭效应可以用来探测爆炸物。这类荧光聚合物在含有TNT分子的气氛中,荧光会被淬灭,实现爆炸物预警。再比如压力预警设备,一幢即将坍掉的危房,如果有事先安置传感器在里面,就能够在坍塌前实现预警,及时撤离人员或加固建筑。想想近日在美国佛罗里达州迈阿密海边垮塌的公寓楼,每年都以2毫米的速度在沉降,30年时间里差不多沉降了6厘米。如果有传感器进行压力预警的话,上百人死亡的惨剧应该可以避免。

褚君浩院士指出,现在我们正处在第四次工业革命阶段,其总趋势就是智能化,将智慧融入到物理实体系统里面。智能化系统有三大支柱:动态感知,能够实时得到信息;能够智慧分析;能够自动反应,构成一个智能化系统。这就需要大数据、传感器、基础信息平台的支撑。未来的高性能传感器,需要实现更低的成本、更快的速度、更高的集成度、更智能化的应用。其中涉及材料技术、器件结构、物理模型、工艺优化、工程实践方面的研究。要做好这些器件就要打好基础,要有物理基础、数学基础、实验基础、思维方法、科学精神,更加重要的是作为科研人员要有责任意识。

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玉兔二号月球车携带有全景相机、探月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪等设备。

从“坦牛”到“大牛”

勤奋刻苦、好奇质疑、目标如一、胸怀大志,正是褚君浩这一路走来的科研心得。

对于物理学的兴趣与热爱,一直流淌在他的血液里。在他技物所的办公室里,有4本已经页面泛黄旧书:两本《分子物理学》和两本《原子物理学》。这是褚君浩在高中时爱不释手的课外书。

作为一名徐汇中学的高中生,褚君浩最感兴趣的是《相对论ABC》《绝对微分学》《从近代物理学的观点》《宇宙物质》这些科学书籍,在中学时他就写过2万字物理学方面的论文——《相对-绝对观念的初步探讨》,还会偷偷把妈妈给的饭钱拿来买物理书籍。居里夫人、爱因斯坦等科学家的传记深深激励着他,使他从小就立志成为一名科学家。

1966年“文革”开始,褚君浩的求学之路被迫中止。从上海师范学院(现上海师范大学)物理系毕业的他被分配到了梅陇中学教物理。他和父母、表弟表妹,以及当时在外地工作的哥哥姐姐送回沪的侄子侄女一起住,房间只有12平方米。到了夜里,小房间里众人入睡,褚君浩搭一张帆布床,睡到屋外楼梯的转弯处。他借着楼梯间灯光看书。同住一幢楼的史存直和王养冲两位教授,被这名青年的好学精神感动,让他去他们两位蜗居当中的一间浴室看书。没人使用浴室的时候,褚君浩就在浴室门口铺一张席子,坐在地上,膝盖上架一块搓衣板,就着搓衣板看书、写文章。

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