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)開發(fā)者大會”上，中國科學(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、探測器的未來。

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——智能化時代的開始階段，此時有很多思想、理念和技術(shù)的躍遷。

這個時期有三大特征。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，未來還會有量子信息、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。例如第一次工業(yè)革命的特征是蒸汽機，第二次工業(yè)革命的特征是電動機的發(fā)明，第三次工業(yè)革命的特征是計算機作為重要載體，但現(xiàn)在許多方面的技術(shù)與應(yīng)用在齊頭并進、互相交叉融合，例如無人駕駛汽車、新能源汽車技術(shù)等。

第三個特征是信息技術(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：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。在未來的幾十年里，圍繞這些方面會有大的進展和突破，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：動態(tài)感知，智慧識別和自動反應(yīng)。其中，動態(tài)感知要靠傳感器。

光電傳感器的技術(shù)與應(yīng)用

傳感器有各種類型，諸如光、電、磁、熱、聲、機械等，它們都是利用物體運動的形態(tài)的轉(zhuǎn)換，做成各種器件，代替人的感覺器官。智能時代，希望人能夠感覺的東西都能夠用傳感器代替;甚至人不能感覺到的信息，也能通過傳感器來感知。

光電傳感器分為光電導(dǎo)型和光伏型。光照下來，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，PN節(jié)兩端產(chǎn)生電壓，是光伏型。

褚院士長期從事紅外光電子材料和器件的研究，開展了用于紅外探測器的窄禁帶半導(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器并實現(xiàn)了熱成像。

實際上，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器，用于航天航空遙感。也研制登月天宮號上的有效載荷。在登月下降時，要采用激光雷達選擇降落地點，需要有激光源、窄帶濾光片和靈敏探測器，下降時發(fā)現(xiàn)地面不平，馬上移動了25米，成功降落。

不同波段的紅外探測器已成功應(yīng)用于我國風(fēng)云4號氣象衛(wèi)星。每張云圖使用一個光譜波段的紅外探測器，光譜覆蓋從可見光、近紅外，到短波紅外、中紅外、熱紅外……，用不同波段的光探測器獲取成像信息，通過智慧分析、大數(shù)據(jù)分析，給出準確的天氣預(yù)報。

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

例如有些蘋果，肉眼看很好，但短波紅外相機拍照后，發(fā)現(xiàn)這個蘋果里面是爛的。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，可見眉毛和胡子是假的。

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

太陽光具有很寬的光譜，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器都做出來，就可以用于探測信號的全波段分析。

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

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

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、氣體等許多種類傳感器，有很多用途。例如氣體傳感器、分子傳感器可以進行光譜氣體探測/爆炸物探測等應(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)可以用來探測爆炸物，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儀，曾在上海軌道交通做過一個實驗，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，放進紙袋中，從德國進口的嗅爆犬走來走去，沒有發(fā)現(xiàn)炸藥，但是這種探測儀一晃，就顯示出有爆炸物。該產(chǎn)品已用于上海世博會等大型活動的安檢。

同樣，也可在建筑物里放上振動傳感器，來探測建筑物有沒有異常。

譜像識別的未來應(yīng)用

做不同波段的探測器，就可發(fā)展譜像識別的算法。目前有人臉識別、指紋識別，還可以發(fā)展譜像識別。主要根據(jù)光譜特征來確定物質(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。

實際上，我們處在波動世界的大數(shù)據(jù)里，有機械波、電磁波、引力波等，這些波有不同的頻率、強度、位相、波矢、偏振等，我們可以利用波來做智慧識別，例如個體聲音識別的設(shè)備，聽出誰在講話，像分辨熟人腳步聲一樣能判斷是誰來了。

還可以監(jiān)測糧食作物是否成熟，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階段的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫里，然后對監(jiān)測物和數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)比對，通過對比數(shù)據(jù)，就可預(yù)測產(chǎn)量會是多少。我們可以把比較的過程做成芯片。

另外尋找礦藏，先開飛機，把地面光譜做出來，然后跟數(shù)據(jù)庫去比對。另外探測月亮表面，可把其光譜做出來，通過數(shù)據(jù)比對，就知道表面是什么成分。這種方法將來還可用到火星上。

還可以進行橋梁的健康監(jiān)測，開車看橋正常還是不正常。方法是車開過去會采集到振動波形，根據(jù)這個波形進行分析。

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

物聯(lián)網(wǎng)提供人、機、物的網(wǎng)絡(luò)連接，里面有兩大核心技術(shù)：實時感知技術(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。

針對某個目標應(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，這個智慧系統(tǒng)的技術(shù)如果寫到芯片里，就是一個人工智能的芯片、物聯(lián)網(wǎng)的芯片，效率會更加提高。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第1期第1頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處