褚君浩：传感互联将无处不在

陈冰

中科院院长侯建国院士向褚君浩院士颁发第八届中科院学部主席团成员纪念牌。

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——在火车站、机场等公共场所，我们实现了大规模测温;即使面对走位飘忽的台风，我们仍然能够对它的路径进行精确预测。我们可以精确地预测庄稼的产量，可以窥探月球的秘密，这一切，都离不开一种必不可少的器件——传感器。

说到传感器，就不得不提半导体物理和器件专家、中国科学院院士、红外物理学家褚君浩。作为中国自主培养的第一个红外物理博士，他发现了最完整的用于研制红外探测器的碲镉汞红外本征光吸收光谱;获得最具有直接物理意义的碲镉汞禁带宽度和组分、温度的关系式，被国际上称为CXT公式（褚-徐-汤）;建立了研究窄禁带半导体MIS器件结构二维电子气子能带结构的理论模型……

1945年出生的他，已过古稀之年，却依旧精力充沛，致力于最新的科学研究领域。在万物互联的新世界里，褚君浩和他的团队正在研发一系列让世界变得更智能的传感设备。

近日，《新民周刊》专访了褚君浩院士，和他一起聊了聊无处不在的传感器“黑科技”。

为传感器立标准

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，比如多年前红极一时、国人纷纷从日本扛回来的智能马桶盖，里面就有力传感器、热传感器、光传感器。查酒驾的测试仪，则配有烟雾探测器、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。

不过，传感器最普遍的应用还是智能手机——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。

褚君浩指出，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，如果其频率达到一定值，金属表面的电子就可以被“打”出来。目前市面上的传感器大多是通过一个器件把“光、声、热、磁”等转变成电，从而做成可见光探测器、红外探测器、THz探测、紫外探测器，X射线、伽马射线探测器等等不同的探测器。

我们都知道，任何一个有温度的物体都会发出热辐射，也即发出红外光。虽然肉眼不可见，但能通过红外探测器看见。最近，云南西双版纳一路向北的大象群引发全球关注，科研人员可以利用红外热像仪来监测大象的一举一动。

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。

作为研究了一辈子红外物理的专家，褚君浩指出半导体材料中红外响应最好的是碲镉汞半导体材料。正是他，首次发现了碲镉汞带间跃迁本征吸收光谱。1983年，他有一个研究结果发表在国内的《红外研究》杂志上。过了没多久，有同事在吃饭时神秘兮兮地问褚君浩，是不是给美国国防部写了份报告。这让褚君浩吓了一跳，后来才知道，原来是美国国防部AD报告出版部门专门将杂志上的论文翻译成英文，发表在AD报告上。这也从一个侧面证实了褚君浩这一研究的前沿性和重要性。事实上，直到现在，褚君浩获得的碲镉汞带间跃迁吸收光谱数据依然是国际上最完整的，相当于为红外探测材料研发树立了一个标准。

“碲镉汞半导体材料在低温下工作灵敏度非常高，可以做成单元、多元或者焦平面列阵红外器件，像素很多。如果做成红外相机，放在飞机上，进行对地观测，就是航空遥感;放到卫星上对地观测，那就是航天遥感。”褚君浩说，中国的风云四号气象卫星里红外波段成像都是用碲镉汞探测器，加上可见光波段探测器，白天黑夜都可以观测风云，使得我国现在的气象报告都特别准。“而且可以测量大气每一层每一个空间位置的温度、湿度，相当于在对大气做‘CT。现在台风预报也非常准，我们可以准确地知道台风什么时候到哪里，以什么速度移动，这些都得益于红外传感器，哪怕晚上也可以清楚看到大气的变化。这个技术非常了不起，领跑国际水平。”

大显身手的红外传感器

褚君浩说，红外传感器有三大功能：第一，看清目标物的空间分布，黑暗环境下也能观测。第二，获取目标的热像，可以看到物体的温度分布。随着新冠疫情在全球范围内的大暴发，利用红外热像仪来测量人们的体温就变得越来越普遍。用它来对发热病人进行监控，直观明晰。

除了在人体健康领域、公共安全领域进行检测之外，家庭安全防护、水资源、能源系统、环境监测等领域，也都有很多传感器的应用。比方说，用它来排查电路隐患，能够直观地观察短路情况，因为如果电路中某个部分电流反常变大，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，預报火灾的情况，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。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，有针对性地进行了灭火处理。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。