无处不在的“传感器”，更快更强更智能

2020年11月06日 10:56新浪科技

出品：新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

撰文：褚君浩院士 半导体物理和器件专家，中国科学院院士，红外物理学家

　　大家应该已经很习惯这样一些日常的生活场景，比如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。其实这些产品中都有一种必不可少的器件，那就是各式各样的传感器。

　　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，比如图中的马桶盖，里面就有力传感器、热传感器、光传感器。查酒驾的测试仪，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。但传感器最普遍的应用还是智能手机，它所用到的传感器也最多。

　　严格来说，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。而在人体健康领域，比如体检系统，也应用到很多传感器：

　　人体内植入芯片以探测身体健康状况的研究、公共安全检测、家庭安全防护、水资源、能源系统、环境监测领域也都有很多传感器的应用。功能繁多的传感器早已走进我们的生活，广泛应用在工业农业生产、科技活动、日常生活、国防科技当中。

感知自然信息

　　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，如果其能量达到一定值，金属表面的电子就可以“打”出电来，低于这个能量值是打不出来的。目前已经可以把光、磁、电、声联系起来，做成传感器了。

　　目前市面上的传感器大多是通过一个器械把“光声电磁”转变成电，因为电容易控制，例如光电传感器实际上就是把光变成电，而光本身有不同的波长：

　　比如伽马射线、X射线、紫外，这些光的波长很短，还有波长长一些的，比如红外。还有THz光、毫米波、微波、无线电波等等，尽管波长不一样，但都是电磁波。这些光通过一个光电器件可以实现光电转换，从而做成红外探测器，THz探测、紫外探测器，X射线、伽马射线探测器，太阳能电池等等。

　　图中的手机上附有一个红外探头，装上就能拍摄红外照片，也就是黑暗情况下也可以拍照。

　　实际上，有两种光能传到人的眼睛里。一种光是反射光，也就是灯光阳光等光线照射在人或物的身上，反射到眼睛里，就可以被看到。如果没有充足的光线形成反射光，就无法直接用眼睛看到这个人或物。

　　但除了反射可见光以外，任何一个有温度的物体都会发出热射线，发出红外光。人的体温有37度，换算成绝对温度就是300多K，发出红外光的波长大概在10微米左右。虽然肉眼不可见，但能通过红外探测器看见。此前澳大利亚森林大火，救援人员就是通过卫星连通红外热像仪来寻找森林中没能逃出的动物的。

　　室温工作的红外探测器制作主要使用贴片薄膜、氧化钒、锰钴镍或者聚合物，方便应用，价格也比较便宜但灵敏度稍微低一点。如果想灵敏度高，就要用到半导体材料。光打到半导体材料上，其电阻会发生变化，产生电子和空穴，其中电子带负电，空穴带正电。电子和空穴发生移动，过程中如果碰到复合中心，就会被复合掉。但一些迁移长、寿命长的电子和空穴或许能幸运地跑到有内在电场的p-n结里面去，电子和空穴会被分开向两端输出，便可以发电了。

　　半导体材料中红外效果最好是碲镉汞半导体材料。碲镉汞半导体材料在低温下工作灵敏度非常高，可以做成焦平面列阵器件，像素很高，应用在飞机上的相机里，进行对地观测，航空遥感。

　　如果将这种材料放到卫星上对地观测，那就是航天遥感。中国的风云四号气象卫星里有很多波段都是碲镉汞的，加上其他半导体材料的红外探测器，效果很好。下图左边的15张图，每一张图都是一个通道的成像，可以很灵敏地对大气进行观测。卫星上配置了一套非常好的观测仪，大气每一层每一个空间位置的温度、湿度都可以观测，非常了不起，相当于在对大气做“CT”，领跑国际水平。得益于风云卫星，我国现在的气象报告都特别准。

　　因为有了高精尖的卫星，现在台风预报也非常准，我们现在可以准确的知道台风什么时候到哪里，是什么速度，而得益于红外传感器，哪怕晚上也可以清楚看到大气的变化。

　　红外传感器有三大功能：

　　第一，可以看到物体的空间分布，黑暗环境下也能观测。第二，有热像，可以看到物体的温度分布。第三，可以看到谱像，也就是看到物体表面反射的光的光谱。其中图像功能最简单。比如美国和ISIS交火的红外图像中，卫星就能定位ISIS移动中的汽车，使导弹能够准确把ISIS的车子击毁。红外在这一过程中起了很大作用。红外相机要能够看得很清楚，就需要探测器非常灵敏，这就需要把像素做得很大。就像大家的手机像素几年间从200万象素提升至1000万象素，拍照片清楚了许多。对于红外设备来说也是这样。

　　这是美国Raytheon（雷神）公司的一个超大规模碲镉汞的红外焦平面，有16个2K×2K的器件，也就是6400万像素。做探测器，除了像素要做得高，还要做不同波段，不同的波段有着不同的作用。

　　这四张人像，分别是是可见光的、短波红外的、中红外的、长波红外的，不同波段拍出来的照片效果不一样的。同样两瓶水，在可见光下拍摄看不出里面的水有多少，但如果用短波红外探测，就能清楚看到只有半瓶水。

　　同样，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。

　　再比如这个人手持硅片，遮住了后面的字，可见光的照片拍不出来，用短波红外就可以看出后面的字是SENSORS。而下面的两张人像，可见光下的照片，是个外貌不错的男性。但用短波红外来拍就能看出，他的鬓迹和胡子都是假的，所以这个人要么是演员，要么是可疑分子。

　　不同的波段可以知道不同的信息，要从物理学、材料学、工艺学等角度研究明白不同的器件，掌握好这方面的知识才能做出不同波段的高性能的传感器。

　　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，就可以知道大脑是否正常。

　　要知道宇航员在太空中大脑工作是否正常，就要做这个试验。将来或许还能进一步看出被试者的情绪或着是否说谎。

　　太赫兹波段的传感器是近来领域内的热点。这个波段非常重要，很多物质的特征光谱都在这个波段里。要产生太赫兹波有光学、电磁的办法。

　　比如这片树叶，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。

　　比如左图中，可见光下这个人只是拿了一张报纸，但是用太赫兹波看，报纸里面有把刀，是危害性很高的可疑分子。

　　这张照片同理，左边是可见光的图很正常，但是太赫兹下成像，他身上是携带了武器的。

　　现在很多地方安检，比如机场，都在用太赫兹波从很远的地方检测人们是否携带带危险物品。

　　国内也已经开始使用太赫兹波检测危险品。目前我国研究人员们在研发一些新的探测器，使用的是新原理。

　　这种新原理简言之，就是当太赫兹光打到半导体金属结构上，在金属半导体内会产生一个磁阱势阱，电子就会跑到势磁阱中，引起电导的变化。电磁波过来后，电子就会从金属一端跑到窄禁带半导体里面。这个现象在碲镉汞、锑化铟、铟镓砷、硅等材料上都出现过，将来可以作为领跑的工作。这是第一部分，可以在黑暗中看清图像。

　　第二，热像，也就是温度分布

　　从上图的温度分布可以看到，他头颈部分的温度是34.8，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。还能用来对发热病人进行监控，比如SARS期间，机场用来监测旅客体温，直观明晰。

　　其实这项技术在工业商用上的应用更多。可以用来排查电路隐患等，能够直观地观察短路情况，因为如果短路温度会同时升高。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。

　　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。去年巴黎圣母院大火，就是将红外热像仪放在无人机上，找到了火苗在哪里，有针对性地灭火，效果非常好。

　　第三方面的功能是谱像，绘制光谱分布。获得物体的光谱特征后，就可以通过光谱特征来分析物体的成分，判断它是什么。比如苹果、樱桃、梨、青葡萄，其波长都是不一样的，波的特征都也不一样的。

　　首先要用光谱议把不同物体的波谱特征录入数据库。比如下图是生菜和大白菜：

　　可以看出，不同生长阶段生菜的光谱特征是不一样的。录入数据库后就可以比对，比如下图的水稻田：

　　得到其光谱后与数据库中的光谱数据进行比对，就可以分析计算出水稻亩产多少斤，是很方便省事的一种方法，也不失准确度。

　　如果一个地方要找铀油矿，谱像也能派上用场。只需要通过无人机把每一点的光谱做出来，将绘制出的光谱线和数据库比对，若和数据库的光谱线有一致点，那么这个地方就可能有油铀矿。

　　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。

　　嫦娥四号会绕到月亮的背面。月亮背面永远是背着地球的，嫦娥四号会在月球背面使用光谱议，希望能通过所得谱像分析月球内部物质。

　　目前传感技术除了光谱、光电传感还有很多应用方式，比如压力、振动、声响、化学、生物、单光子等。

　　比如1995年的东京沙林毒气事件和2004年的马德里黑炸药爆炸事件，伤亡惨重。如果当时有传感器进行事先预警，悲剧或许可以避免。

　　有一种聚合物的荧光淬灭效应可以用探测爆炸物。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。现在这个设备已经可以做得非常小了。

　　再比如压力预警设备，比如一幢即将坍掉的危房，如果有传感器在里面，就能够在坍塌前实现预警，及时撤离人员或加固建筑。

　　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。这其中涉及到材料技术、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。

迎接智能时代

　　第一次工业革命是机械化，第二次工业革命是电气化，第三次工业革命是信息化。

　　而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，智能时代最大的特点就是智能化的系统，大致可以分为两方面：人工智能和智慧地球。另外，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。

　　这需要大数据、传感器、基础信息平台的支撑，不论互联网还是物联网都依赖于电磁波信息传输、5G等技术。

　　例如这个打乒乓球的机器人，就具备刚才所说的这些特点。首先，机器人要有获得实时信息的能力，看清乒乓球的运动轨迹；还要能分析这些信息，球弹起来什么方向，怎么打过去；最后就是作出有效反应，也就是把球打回去。简言之这三个功能就是：实时感知，智慧分析，自动反应。其中前两个是智能化系统里面的两个核心技术。

　　而实时感知系统，指的就是传感器。之后还要进行智慧分析，就要靠大数据分析和模型分析的实际物理过程了。经过这两个核心技术进行分析后，才能采取行动。现在机器人在工业、日常生活、军事上都有很多应用。在德国宝马有一个工厂，5000位员工中有1000个是机器人，比如对人体有害的喷漆工作，用机器人效率高喷得又好。现在有很多不同种类的机器人在各种岗位上工作着，比如京东有一个试验场所在智慧物流方面的试验，运货、分拣货物是自动的，分拣后通过无人车派件，在路上就能短信通知用户取件了。近几年热点的无人汽车、无人飞机也是同理，通过实时得到信息、智慧分析、快速反应，构成一个智能化的系统。

培育飞翔的潜能

　　最后我想谈下年轻科学家的培养，改革开放以来，中国走上了发展的快速路，目前在科技方面我们发展形势很好，比如蛟龙、悟空、墨子、大飞机等都发展得很好。以墨子号为例，在卫星上要把两个纠缠光子送到地面两个地方，相差1000多公里，难度很高，相当要在飞机上把两个瓜子扔到地球上的两个储物桶里面去，但这种难度我们也成功实现了，科学技术领域有了飞跃的发展。

　　但大家也要看到我们不足的地方，核心技术方面还有很多需要努力的地方，需要精益求精，有工匠精神，不仅要追求做得出，更要做得好，这很重要。

　　年轻的学者和科学家们将是这个阶段的重要力量。青年时期是最富有想象力、创造力的，有三分之一的诺贝尔奖得主都是年轻时就取得成就了。

　　以上这些人都是通过年轻时的工作，像是博士论文以及博士论文后续的工作，得到诺贝尔奖的。这说明年轻人有非常大的创造力，加上勤奋工作，可以做出创新。爱因斯坦在1905年26岁的时候提出就狭义相对论，光电效应、光的量子理论，后面是引力波、广义相对论，也是30多岁建立的。

　　我们做研究做学问，第一个层次是成果，第二个层次是方法，第三个层次是精神。要培养科技创新的素质，我认为八个字非常重要：“勤奋、好奇、渐进、远志”。希望年轻的学者们能培养出飞翔的潜能，练就健康体魄、汲取外界养料、凝聚驱动力量、修炼内在素质，融入时代的潮流。

　　注：本文内容根据褚君浩院士于墨子沙龙现场演讲编译整理而来。