褚君浩：傳感互聯將無處不在

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。作為中國自主培養的第一個紅外物理博士，他發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出熱輻射，也即發出紅外光。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全球關注，科研人員可以利用紅外熱像儀來監測大象的一舉一動。

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;放到衛星上對地觀測，那就是航天遙感。”褚君浩說，中國的風云四號氣象衛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。“而且可以測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，利用紅外熱像儀來測量人們的體溫就變得越來越普遍。用它來對發熱病人進行監控，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、環境監測等領域，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、火情救援方面發揮更大的作用。