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                                  光探测器、传感器预见未来

                                  作者:王莹时间:2018-12-27来源:电子产品世界收藏

                                  作者 / 王莹 《电子产品世界》编辑

                                  本文引用地址:http://www.bnfs.icu/article/201812/396089.htm

                                  编者按:近日,在“第五届”上,中国科学院上海技术物理研究所研究员、红外物理学家褚君浩院士展望了光、探测器的未来。

                                  正处于第三、四次工业革命之间

                                  从第一次工业革命的机械化,到第二次工业革命的电气化,再到第三次工业革命的信息化,我们现在正处在信息化的后期、新的第四次工业革命——智能化?#36125;?#30340;开始阶段,此时有很多思想、理念和技术的跃迁。

                                  这个时期有三大特征。第一是信息技术深化发展。信息技术将不断提升技术水平,未来还会有量子信息、仿生信息技术等的发展。

                                  第二是科学发现和技术发明多轨并行、交叉互动。例如第一次工业革命的特征是蒸汽机,第二次工业革命的特征是电动机的发明,第三次工业革命的特征是计算机作为重要载体,但现在许多方面的技术与应用在齐头并进、互相交叉融合,例如无人驾驶汽车、新能源汽车技术等。

                                  第三个特征是信息技术和多领域技术的深度融合。

                                  这次新工业革命有五大态势:1.智能化分布式的新能源系统;2.智能化复杂体系、物联网、智慧城市;3.机器人、和人工智能;4.智能化制造技术、新材料。5.大健康产业、生物医药。在未来的几十年里,围绕这些方面会有大的进展和突破,互联网的技术要渗透到这些技术里面去。

                                  其中智能化系统包括三根大柱子:动态感知,智慧识别和自动反应。其中,动态感知要靠

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                                  光电的技术与应用

                                  有各种类型,诸如光、电、磁、热、声、机械等,它?#23884;?#26159;利用物体运动的形态的转换,做成各种器件,代替人的感觉器官。智能?#36125;?#24076;望人能够感觉的东西都能够用传感器代替;甚至人不能感觉到的信息,也能通过传感器来感知。

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                                  光电传感器分为光电导型和光伏型。光照下来,材料的电阻发生变化,是光电导型,典型的材料是半导体。若光照下来,PN节两端产生电压,是光伏型。

                                  褚院士长期从事红外光电子材料和器件的研究,开展了用于红外探测器的窄禁带半导体碲镉汞(HgCdTe)和铁电薄膜的材料物理和器件研究,研制成功了PZT和BST铁电薄膜非制冷红外探测器并实现了热?#19978;瘛?/p>

                                  ?#23548;?#19978;,光电传感器技术及应用很多(如图1),像素也有多种,例如可以2k×2k,320×480,256×256等,像素越多,分辨?#35797;?#39640;。

                                  在科技转化为应用方面,中科院上海技术物理所研制了多种红外光探测器,用于航天航空遥感。也研?#39057;?#26376;天宫号上的有效载荷。在登月下降?#20445;?#35201;采用激光雷达选择降落地点,需要有激光源、窄带滤光片和灵敏探测器,下降时发现地面不平,马上移动了25米,成功降落。

                                  不同波段的红外探测器已成功应用于我国风云4号气象卫星。?#31354;?#20113;?#38469;?#29992;一个光谱波段的红外探测器,光谱覆盖从可见光、近红外,到短波红外、中红外、热红外……,用不同波段的光探测器获取?#19978;?#20449;息,通过智慧分析、大数据分析,给出准确的天气预报。

                                  所以我们要发展不同波段的探测器技术。包括可见光、短波红外、热红外、长波红外等,不同波段的?#19978;?#25928;果不同。

                                  例如有些?#36824;?#32905;眼看很好,但短波红外相机拍照后,发现这个?#36824;?#37324;面是烂的。如图2,左图人手里的晶圆片挡住了后面的?#22336;?#20294;是用短波红外(SWIR)拍照,可?#28304;?#36879;硅片,看到后面的?#22336;?#19968;位美男子化了?#20445;?#20294;是用短波红外一看,可见眉毛和胡子是假的。

                                  为了实现宽光谱拍照/探测,需要有不同技术,包括材料技术和器件技术等。

                                  太阳光具有很宽的光谱,是6000K温度的黑体辐射,照射在物体反射光也?#24378;?#20809;谱的。物体本身按照他们的温度也辐射红外光。如果能够把不同波段的探测器都做出来,就可以用于探测信号的全波段分析。

                                  例如,可见光下看?#25509;?#20154;表面上拿一张报纸,但通过太赫兹波段的光谱?#19978;瘢?#21487;见到报纸里有一把刀。?#37096;?#20197;发现某些人身上藏的毒品。这是通过有透视功能的太赫兹探测器实现的。美国等海关已用于安检。

                                  现在我们发现了一个新现象,太赫兹光照射到MSM(金属/半导体/金属)器件上来,载流子就会凝聚到半导体中,电导率会变化,就知道有太赫兹光下来了,因此做成了新型的太赫兹探测器件(如图3),探测?#26102;?#29616;在室温工作器件要高三个数量级左右。这就是新原理的发现、新技术的发明,预计将来可以派上用场。

                                  气体传感器、光谱传感器发展快

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                                  传感器有很多种,除了光电的,还有力、磁、热、声、气体等许多种类传感器,有很多用途。例如气体传感器、分子传感器可以进行光谱气体探测/爆炸物探测等应用。这方面有些恶性案件,例如1995年3月20日,东京地铁发生沙林毒气事件;2004年马德里火车站黑炸药爆炸案等。预防这些事故的重要一环是要有敏感的传感器。

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                                  聚合物的荧光淬灭效应可以用来探测爆炸物,如图4,聚合物荧光一淬灭,就知道哪位带了TNT炸药。据此,中科院上海微系统研究所的?#25506;?#21151;课题组,研制了一种荧光聚合物炸药探测仪,曾在上海轨道交通做过一个实验,把炸药物放在瓶子里,盖上盖子,再用塑?#29616;?#21253;好瓶子,放在上班的包里,放进纸袋中,从德国进口的嗅爆犬走来走去,没有发现炸药,但是这种探测仪一晃,就显示出有爆炸物。该产品已用于上海世博会等大型活动的安检。

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                                  同样,?#37096;?#22312;建筑物里放上振动传感器,来探测建筑物有没有异常。

                                  谱像识别的未来应用

                                  做不同波段的探测器,就可发展谱像识别的算法。目前有人脸识别、指纹识别,还可以发展谱像识别。主要根据光谱特征来确定物质,例如你的?#36335;?#26448;质,是棉、麻或纤维的?各?#21592;?#20363;?#23884;?#23569;等。

                                  ?#23548;?#19978;,我们处在波动世界的大数据里,有机械波、电磁波、引力波等,这些波有不同的频率、强度、位相、波矢、偏振等,我?#24378;?#20197;利用波来做智慧识别,例如个体声音识别的设备,听出谁在?#19981;埃?#20687;分辨熟人脚步声一样能判断是谁来了。

                                  还可以监测粮食作物是否成熟,利用作物的电磁波特征。但是,在做这件事情之前,要先把某种粮食作物不同生长阶段的数据存在数据库里,然后对监测物和数据库里的数据比对,通过?#21592;?#25968;据,就可预测产量会?#23884;?#23569;。我?#24378;?#20197;把比较的过程做成芯片。

                                  另外寻找矿藏,先开飞机,把地面光谱做出来,然后跟数据库去比对。另外探测月亮表面,可把其光谱做出来,通过数据比对,就知道表面是什么成分。这?#22336;?#27861;将来还可用到火星上。

                                  还可以进行桥梁的健?#23548;?#27979;,开车看桥正常还是不正常。方法是车开过去会采集到振动波形,根据这个波形进行分析。

                                  智能化系统中,还有工业机器人、机器鸟等。一些展览会上演示过机器鸟,机器鸟能用传感器采集信息,然后自己能辨别方向。人工智能的机器人可进行物流分拣和分发。消防机器人的?#36335;?#19981;怕烧,眼睛是红外的。无人汽车也是第四次工业革命的一个重要应用和载体。

                                  物联网提供人、机、物的网络连接,里面有两大核心技术:实时感知技术(传感器),智慧分析技术(模型分析和大数据分析)。有五大应用方向:城市的综合管理,交通物流贸易,能源环境安全,医疗文化教育,城市社区安居。

                                  针对某个目标应用就可以做成智慧系统产品,智慧程度可以不断提高,这个智慧系统的技术如果写到芯片里,就是一个人工智能的芯片、物联网的芯片,效率会更加提高。

                                  本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2019年第1期第1页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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