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光探測器、傳感器預見未來

作者:王瑩時間:2018-12-27來源:電子產品世界收藏

作者 / 王瑩 《電子產品世界》編輯

本文引用地址:http://www.rylpcf.shop/article/201812/396089.htm

編者按:近日,在“第五屆”上,中國科學院上海技術物理研究所研究員、紅外物理學家褚君浩院士展望了光、探測器的未來。

正處于第三、四次工業革命之間

從第一次工業革命的機械化,到第二次工業革命的電氣化,再到第三次工業革命的信息化,我們現在正處在信息化的后期、新的第四次工業革命——智能化時代的開始階段,此時有很多思想、理念和技術的躍遷。

這個時期有三大特征。第一是信息技術深化發展。信息技術將不斷提升技術水平,未來還會有量子信息、仿生信息技術等的發展。

第二是科學發現和技術發明多軌并行、交叉互動。例如第一次工業革命的特征是蒸汽機,第二次工業革命的特征是電動機的發明,第三次工業革命的特征是計算機作為重要載體,但現在許多方面的技術與應用在齊頭并進、互相交叉融合,例如無人駕駛汽車、新能源汽車技術等。

第三個特征是信息技術和多領域技術的深度融合。

這次新工業革命有五大態勢:1.智能化分布式的新能源系統;2.智能化復雜體系、物聯網、智慧城市;3.機器人、和人工智能;4.智能化制造技術、新材料。5.大健康產業、生物醫藥。在未來的幾十年里,圍繞這些方面會有大的進展和突破,互聯網的技術要滲透到這些技術里面去。

其中智能化系統包括三根大柱子:動態感知,智慧識別和自動反應。其中,動態感知要靠

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光電的技術與應用

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的轉換,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。

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光電傳感器分為光電導型和光伏型。光照下來,材料的電阻發生變化,是光電導型,典型的材料是半導體。若光照下來,PN節兩端產生電壓,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了熱成像。

實際上,光電傳感器技術及應用很多(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。

在科技轉化為應用方面,中科院上海技術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,下降時發現地面不平,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用于我國風云4號氣象衛星。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、大數據分析,給出準確的天氣預報。

所以我們要發展不同波段的探測器技術。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,發現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。

為了實現寬光譜拍照/探測,需要有不同技術,包括材料技術和器件技術等。

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。也可以發現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的。美國等海關已用于安檢。

現在我們發現了一個新現象,太赫茲光照射到MSM(金屬/半導體/金屬)器件上來,載流子就會凝聚到半導體中,電導率會變化,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),探測率比現在室溫工作器件要高三個數量級左右。這就是新原理的發現、新技術的發明,預計將來可以派上用場。

氣體傳感器、光譜傳感器發展快

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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/爆炸物探測等應用。這方面有些惡性案件,例如1995年3月20日,東京地鐵發生沙林毒氣事件;2004年馬德里火車站黑炸藥爆炸案等。預防這些事故的重要一環是要有敏感的傳感器。

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聚合物的熒光淬滅效應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。據此,中科院上海微系統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,沒有發現炸藥,但是這種探測儀一晃,就顯示出有爆炸物。該產品已用于上海世博會等大型活動的安檢。

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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。

譜像識別的未來應用

做不同波段的探測器,就可發展譜像識別的算法。目前有人臉識別、指紋識別,還可以發展譜像識別。主要根據光譜特征來確定物質,例如你的衣服材質,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據里,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據存在數據庫里,然后對監測物和數據庫里的數據比對,通過對比數據,就可預測產量會是多少。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,然后跟數據庫去比對。另外探測月亮表面,可把其光譜做出來,通過數據比對,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,根據這個波形進行分析。

智能化系統中,還有工業機器人、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。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革命的一個重要應用和載體。

物聯網提供人、機、物的網絡連接,里面有兩大核心技術:實時感知技術(傳感器),智慧分析技術(模型分析和大數據分析)。有五大應用方向:城市的綜合管理,交通物流貿易,能源環境安全,醫療文化教育,城市社區安居。

針對某個目標應用就可以做成智慧系統產品,智慧程度可以不斷提高,這個智慧系統的技術如果寫到芯片里,就是一個人工智能的芯片、物聯網的芯片,效率會更加提高。

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



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