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作者:王莹时间:2018-12-27来源:电子产品世界

作者 / 王莹 《电子产品世界》编辑

本文引用地址:http://www.955ms.com/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——智能化时代的开始阶段,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,它们都是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。智能时代,希望人能够感觉的东西都能够用代替;甚至人不能感觉到的信息,也能通过来感知。

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光电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成像。

实际上,光电技术及应用很多(如图1),像素也有多种,例如可以2k×2k,320×480,256×256等,像素越多,分辨率越高。

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。也研制登月天宫号上的有效载荷。在登月下降时,要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。每张云图使用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成像信息,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,不同波段的成像效果不同。

例如有些苹果,肉眼看很好,但短波红外相机拍照后,发现这个苹果里面是烂的。如图2,左图人手里的晶圆片挡住了后面的字符,但是用短波红外(SWIR)拍照,可以穿透硅片,看到后面的字符。一位美男子化了妆,但是用短波红外一看,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是宽光谱的。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,可见光下看到有人表面上拿一张报纸,但通过太赫兹波段的光谱成像,可见到报纸里有一把刀。也可以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),探测率比现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、光谱发展快

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有很多种,除了光电的,还有力、磁、热、声、气体等许多种类,有很多用途。例如气体、分子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

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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程建功课题组,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,再用塑料纸包好瓶子,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,也可在建筑物里放上振动,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,例如你的衣服材质,是棉、麻或纤维的?各自比例是多少等。

实际上,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,我们可以利用波来做智慧识别,例如个体声音识别的设备,听出谁在讲话,像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,通过对比数据,就可预测产量会是多少。我们可以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。这种方法将来还可用到火星上。

还可以进行桥梁的健康监测,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。消防机器人的衣服不怕烧,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(),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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