陳冰

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

在公共場所的洗手間，當你把手放到水龍頭下就會自動出水;當走到一些商店，大門會自動打開。如果你稍稍留意就不難發(fā)現，類似的智能產品正越來越多地出現在我們身邊——在火車站、機場等公共場所，我們實現了大規(guī)模測溫;即使面對走位飄忽的臺風，我們仍然能夠對它的路徑進行精確預測。我們可以精確地預測莊稼的產量，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，就不得不提半導體物理和器件專家、中國科學院院士、紅外物理學家褚君浩。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、溫度的關系式，被國際上稱為CXT公式（褚-徐-湯）;建立了研究窄禁帶半導體MIS器件結構二維電子氣子能帶結構的理論模型……

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

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”。

為傳感器立標準

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、人體感應燈、觸摸屏、相機、手機、游戲機，包括智能電視、冰箱、洗衣機、空調等等，都內置有光傳感器、力傳感器。

不過，傳感器最普遍的應用還是智能手機——我們可以在一部手機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，就是因為物質的不同運動形態(tài)是可以轉化的。比如光電傳感器，它就來源于愛因斯坦1906年發(fā)現的光電效應：光照到某些金屬表面，如果其頻率達到一定值，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，褚君浩指出半導體材料中紅外響應最好的是碲鎘汞半導體材料。正是他，首次發(fā)現了碲鎘汞帶間躍遷本征吸收光譜。1983年，他有一個研究結果發(fā)表在國內的《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，直到現在，褚君浩獲得的碲鎘汞帶間躍遷吸收光譜數據依然是國際上最完整的，相當于為紅外探測材料研發(fā)樹立了一個標準。

“碲鎘汞半導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，放在飛機上，進行對地觀測，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云，使得我國現在的氣象報告都特別準?！岸铱梢詼y量大氣每一層每一個空間位置的溫度、濕度，相當于在對大氣做‘CT。現在臺風預報也非常準，我們可以準確地知道臺風什么時候到哪里，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。這個技術非常了不起，領跑國際水平。”

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，看清目標物的空間分布，黑暗環(huán)境下也能觀測。第二，獲取目標的熱像，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)熱病人進行監(jiān)控，直觀明晰。

除了在人體健康領域、公共安全領域進行檢測之外，家庭安全防護、水資源、能源系統、環(huán)境監(jiān)測等領域，也都有很多傳感器的應用。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，進行處理。

基于同樣的思路，這一技術還應用于火情火災方面的監(jiān)控，預報火災的情況，幫助現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上，找到了火苗在哪里，有針對性地進行了滅火處理。未來，紅外熱像技術有望結合智能機器人，在后火險隱患、火情救援方面發(fā)揮更大的作用。