褚君浩：傳感互聯(lián)將無處不在

陳冰

中科院院長侯建國院士向褚君浩院士頒發(fā)第八屆中科院學(xué)部主席團(tuán)成員紀(jì)念牌。

在公共場所的洗手間，當(dāng)你把手放到水龍頭下就會自動出水;當(dāng)走到一些商店，大門會自動打開。如果你稍稍留意就不難發(fā)現(xiàn)，類似的智能產(chǎn)品正越來越多地出現(xiàn)在我們身邊——在火車站、機(jī)場等公共場所，我們實現(xiàn)了大規(guī)模測溫;即使面對走位飄忽的臺風(fēng)，我們?nèi)匀荒軌驅(qū)λ穆窂竭M(jìn)行精確預(yù)測。我們可以精確地預(yù)測莊稼的產(chǎn)量，可以窺探月球的秘密，這一切，都離不開一種必不可少的器件——傳感器。

說到傳感器，就不得不提半導(dǎo)體物理和器件專家、中國科學(xué)院院士、紅外物理學(xué)家褚君浩。作為中國自主培養(yǎng)的第一個紅外物理博士，他發(fā)現(xiàn)了最完整的用于研制紅外探測器的碲鎘汞紅外本征光吸收光譜;獲得最具有直接物理意義的碲鎘汞禁帶寬度和組分、溫度的關(guān)系式，被國際上稱為CXT公式（褚-徐-湯）;建立了研究窄禁帶半導(dǎo)體MIS器件結(jié)構(gòu)二維電子氣子能帶結(jié)構(gòu)的理論模型……

1945年出生的他，已過古稀之年，卻依舊精力充沛，致力于最新的科學(xué)研究領(lǐng)域。在萬物互聯(lián)的新世界里，褚君浩和他的團(tuán)隊正在研發(fā)一系列讓世界變得更智能的傳感設(shè)備。

近日，《新民周刊》專訪了褚君浩院士，和他一起聊了聊無處不在的傳感器“黑科技”。

為傳感器立標(biāo)準(zhǔn)

什么是傳感器？就像人有五官，傳感器就是能夠代替我們的五官去看、聽、聞、嘗，去感覺的器件。

看似簡單的生活物品中，其實藏著很多傳感器，比如多年前紅極一時、國人紛紛從日本扛回來的智能馬桶蓋，里面就有力傳感器、熱傳感器、光傳感器。查酒駕的測試儀，則配有煙霧探測器、氣體傳感器。還有電子血壓計、人體感應(yīng)燈、觸摸屏、相機(jī)、手機(jī)、游戲機(jī)，包括智能電視、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等等，都內(nèi)置有光傳感器、力傳感器。

不過，傳感器最普遍的應(yīng)用還是智能手機(jī)——我們可以在一部手機(jī)中找到光傳感器攝像頭，力傳感器加速度計、陀螺儀，磁傳感器、聲音傳感器、指紋傳感器等等，這些傳感器使得我們的手機(jī)功更加智能。

褚君浩指出，傳感器的工作原理其實很簡單，就是因為物質(zhì)的不同運(yùn)動形態(tài)是可以轉(zhuǎn)化的。比如光電傳感器，它就來源于愛因斯坦1906年發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)：光照到某些金屬表面，如果其頻率達(dá)到一定值，金屬表面的電子就可以被“打”出來。目前市面上的傳感器大多是通過一個器件把“光、聲、熱、磁”等轉(zhuǎn)變成電，從而做成可見光探測器、紅外探測器、THz探測、紫外探測器，X射線、伽馬射線探測器等等不同的探測器。

我們都知道，任何一個有溫度的物體都會發(fā)出熱輻射，也即發(fā)出紅外光。雖然肉眼不可見，但能通過紅外探測器看見。最近，云南西雙版納一路向北的大象群引發(fā)全球關(guān)注，科研人員可以利用紅外熱像儀來監(jiān)測大象的一舉一動。

疫情期間很多地方都在用紅外熱像儀來測量體溫，檢察人員可以遠(yuǎn)距離地看到溫度是多少。

作為研究了一輩子紅外物理的專家，褚君浩指出半導(dǎo)體材料中紅外響應(yīng)最好的是碲鎘汞半導(dǎo)體材料。正是他，首次發(fā)現(xiàn)了碲鎘汞帶間躍遷本征吸收光譜。1983年，他有一個研究結(jié)果發(fā)表在國內(nèi)的《紅外研究》雜志上。過了沒多久，有同事在吃飯時神秘兮兮地問褚君浩，是不是給美國國防部寫了份報告。這讓褚君浩嚇了一跳，后來才知道，原來是美國國防部AD報告出版部門專門將雜志上的論文翻譯成英文，發(fā)表在AD報告上。這也從一個側(cè)面證實了褚君浩這一研究的前沿性和重要性。事實上，直到現(xiàn)在，褚君浩獲得的碲鎘汞帶間躍遷吸收光譜數(shù)據(jù)依然是國際上最完整的，相當(dāng)于為紅外探測材料研發(fā)樹立了一個標(biāo)準(zhǔn)。

“碲鎘汞半導(dǎo)體材料在低溫下工作靈敏度非常高，可以做成單元、多元或者焦平面列陣紅外器件，像素很多。如果做成紅外相機(jī)，放在飛機(jī)上，進(jìn)行對地觀測，就是航空遙感;放到衛(wèi)星上對地觀測，那就是航天遙感?！瘪揖普f，中國的風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星里紅外波段成像都是用碲鎘汞探測器，加上可見光波段探測器，白天黑夜都可以觀測風(fēng)云，使得我國現(xiàn)在的氣象報告都特別準(zhǔn)?！岸铱梢詼y量大氣每一層每一個空間位置的溫度、濕度，相當(dāng)于在對大氣做‘CT?，F(xiàn)在臺風(fēng)預(yù)報也非常準(zhǔn)，我們可以準(zhǔn)確地知道臺風(fēng)什么時候到哪里，以什么速度移動，這些都得益于紅外傳感器，哪怕晚上也可以清楚看到大氣的變化。這個技術(shù)非常了不起，領(lǐng)跑國際水平?！?h3>大顯身手的紅外傳感器

褚君浩說，紅外傳感器有三大功能：第一，看清目標(biāo)物的空間分布，黑暗環(huán)境下也能觀測。第二，獲取目標(biāo)的熱像，可以看到物體的溫度分布。隨著新冠疫情在全球范圍內(nèi)的大暴發(fā)，利用紅外熱像儀來測量人們的體溫就變得越來越普遍。用它來對發(fā)熱病人進(jìn)行監(jiān)控，直觀明晰。

除了在人體健康領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域進(jìn)行檢測之外，家庭安全防護(hù)、水資源、能源系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，也都有很多傳感器的應(yīng)用。比方說，用它來排查電路隱患，能夠直觀地觀察短路情況，因為如果電路中某個部分電流反常變大，溫度會同時升高。上海17號線地鐵就在使用智慧維保供電平臺。很多設(shè)備都是用鐵箱子包起來的，如果里面發(fā)生故障，通過紅外熱像就能及時觀察到溫度升高的情況，進(jìn)行處理。

基于同樣的思路，這一技術(shù)還應(yīng)用于火情火災(zāi)方面的監(jiān)控，預(yù)報火災(zāi)的情況，幫助現(xiàn)場救援找到傷者或火苗位置，從而更加有效地滅火和救援。巴黎圣母院大火，就是將紅外熱像儀放在無人機(jī)上，找到了火苗在哪里，有針對性地進(jìn)行了滅火處理。未來，紅外熱像技術(shù)有望結(jié)合智能機(jī)器人，在后火險隱患、火情救援方面發(fā)揮更大的作用。