2021年08月04日 星期三
褚君浩:传感互联将无处不在
第55版:人物 2021-07-19

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。

下图: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。

褚君浩

左下图:树叶的左边是新鲜的状态,右边是干掉后的状态。太赫兹波可以非常清晰地看出前后变化,所以它在医学二维成像、食品检测等很多方面都有应用。

右下图:在可见光下拍出来很漂亮的苹果,用短波红外拍的就能看出里面是腐烂的。

上图:嫦娥四号会在月球背面使用光谱仪,可以通过所得谱像分析月球内部物质。

下图:玉兔二号月球车携带有全景相机、探月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪等设备。

左上图:汤定元和褚君浩在红外光谱实验室,汤定元是褚君浩的学术引路人。

右上图:褚君浩和团队成员在实验室,研发一系列让世界变得更智能的传感设备。

我们只有从理论上做出原始创新,才能把相关规律应用到技术提升上去,最终实现工程上的应用,从而把主动权牢牢地握在自己手中,而不用动辄担心被人卡脖子。

记者|陈 冰

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。

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,预报火灾的情况,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。

此外,红外传感器可以看到目标物的谱像,也就是看到物体表面反射的光的光谱。不同的物体,有不同的光谱,比如苹果、樱桃、梨、青葡萄,其特征波长都是不一样的,因此波的特征也不一样。通过绘制光谱分布获得物体的光谱特征放入数据库后,就可以通过测量到的光谱比对数据库的光谱来进行各种分析。

“嫦娥三号的月球车上就搭载了我们的光谱仪。抵达月球表面后,可以得到月球表面土壤的光谱,进行分析比对,就能得出月球表面的土壤成分、矿物成分。同样,绕到月亮背面的嫦娥四号也会使用光谱议,这样就能通过所得谱像分析月球表面覆盖的是物质是什么了。”

褚君浩说,最近还有科学家在做大脑的近红外成像:把近红外“打”到大脑中,在里面“兜一圈”后,反射出来,就可以从一个侧面获得大脑的信息。这个试验还可以知道航天员在加速过程和在太空中大脑工作是否正常。将来或许还能进一步看出被试者的情绪或者是否说谎。

太赫兹波段的传感器是近来领域内的热点。很多物质的特征光谱都在这个波段里。通过太赫兹波,科学家们可以非常清晰地看出物品,所以它在医学二维成像、食品检测等很多方面都有应用。现在很多地方安检,比如机场,都在用太赫兹波从较远的地方检测人们是否携带危险物品。此外,国内也已经开始使用太赫兹波检测危险品。褚君浩团队目前正在使用新的原理来研发一种新的太赫兹探测器。

“这种新原理简言之,就是当太赫兹光入射到金属/半导体/金属结构上,在半导体内会产生一个势阱,电子就会从金属一端跑到半导体势阱中,引起半导体电导的变化。这个现象在碲镉汞、锑化铟、铟镓砷、硅等材料上都出现过,我们正是以此来设计太赫兹探测器。”一般的太赫兹探测器需要在深低温环境下工作,褚君浩团队已经设计出一种金属/半导体/金属的三明治结构,从而使得太赫兹探测器可以在常温下工作,这一突破,意义重大。

实际上,目前传感技术除了光谱、光电传感之外,还有压力、振动、声响、化学、生物、单光子等很多种传感器方式。

比如现在有一种聚合物的荧光淬灭效应可以用来探测爆炸物。这类荧光聚合物在含有TNT分子的气氛中,荧光会被淬灭,实现爆炸物预警。再比如压力预警设备,一幢即将坍掉的危房,如果有事先安置传感器在里面,就能够在坍塌前实现预警,及时撤离人员或加固建筑。想想近日在美国佛罗里达州迈阿密海边垮塌的公寓楼,每年都以2毫米的速度在沉降,30年时间里差不多沉降了6厘米。如果有传感器进行压力预警的话,上百人死亡的惨剧应该可以避免。

褚君浩院士指出,现在我们正处在第四次工业革命阶段,其总趋势就是智能化,将智慧融入到物理实体系统里面。智能化系统有三大支柱:动态感知,能够实时得到信息;能够智慧分析;能够自动反应,构成一个智能化系统。这就需要大数据、传感器、基础信息平台的支撑。未来的高性能传感器,需要实现更低的成本、更快的速度、更高的集成度、更智能化的应用。其中涉及材料技术、器件结构、物理模型、工艺优化、工程实践方面的研究。要做好这些器件就要打好基础,要有物理基础、数学基础、实验基础、思维方法、科学精神,更加重要的是作为科研人员要有责任意识。

从“坦牛”到“大牛”

勤奋刻苦、好奇质疑、目标如一、胸怀大志,正是褚君浩这一路走来的科研心得。

对于物理学的兴趣与热爱,一直流淌在他的血液里。在他技物所的办公室里,有4本已经页面泛黄旧书:两本《分子物理学》和两本《原子物理学》。这是褚君浩在高中时爱不释手的课外书。

作为一名徐汇中学的高中生,褚君浩最感兴趣的是《相对论ABC》《绝对微分学》《从近代物理学的观点》《宇宙物质》这些科学书籍,在中学时他就写过2万字物理学方面的论文——《相对-绝对观念的初步探讨》,还会偷偷把妈妈给的饭钱拿来买物理书籍。居里夫人、爱因斯坦等科学家的传记深深激励着他,使他从小就立志成为一名科学家。

1966年“文革”开始,褚君浩的求学之路被迫中止。从上海师范学院(现上海师范大学)物理系毕业的他被分配到了梅陇中学教物理。他和父母、表弟表妹,以及当时在外地工作的哥哥姐姐送回沪的侄子侄女一起住,房间只有12平方米。到了夜里,小房间里众人入睡,褚君浩搭一张帆布床,睡到屋外楼梯的转弯处。他借着楼梯间灯光看书。同住一幢楼的史存直和王养冲两位教授,被这名青年的好学精神感动,让他去他们两位蜗居当中的一间浴室看书。没人使用浴室的时候,褚君浩就在浴室门口铺一张席子,坐在地上,膝盖上架一块搓衣板,就着搓衣板看书、写文章。

尽管当时的政治环境十分紧张,他还是和一群有志于科学研究的小伙伴,“如同地下党”一样,成立了“基本粒子讨论班”,定期不定点地聚会、单纯而快乐地讨论各类科学问题。即便当时高考停滞,科学家受人轻视,即便看不到前途,但他心里相信,国家终究需要科研人才。

这个坚定的信念一直支撑着他在业余时间继续从事物理研究。1978年,研究生招生制度恢复,已经做了多年中学物理学老师的褚君浩,再也抑制不住从事物理学研究的冲动,有了备考研究生的目标。褚君浩原本想要考复旦大学物理系研究生,但是要晚半年入学。褚君浩大学同学的父亲、著名科学家严东生院士写了一封推荐信,让他去考上海技物所的研究生。

最初,褚君浩感兴趣的科研领域是基本粒子,属于理论物理范畴。因此,技物所汤定元先生在收到推荐信后,还专门给严东生写了回信,表示“所里主要是做实验物理的,而不是理论物理”,但欢迎褚君浩来所里谈谈。

出于对物理学的热爱,褚君浩义无反顾地参加了技物所的研究生考试。其中,有一门考试科目是《半导体物理学》。尽管从来没有学习过这门课,但褚君浩凭借在大学里打下的扎实物理学功底,通过自修将书里的所有公式都推导了一遍。最终,褚君浩以90分排名第二顺利进入技物所,以汤定元为研究生导师,由此开启了“开挂”一般的科研生涯,成为我国自主培养的第一位红外物理博士。

上世纪60年代,当褚君浩还是上海师范大学物理系的一名普通大学生时,就以“坦牛”为名,在黑板报上写下了《勤奋+智慧=力量》的文章。别人问褚君浩,为什么取名“坦牛”?他嘴上说:“像牛一样在平坦的大道上勤奋工作。”而心里面真正想的却是“爱因斯坦和牛顿”。在技物所的深入学习,让他真正站在了巨人的肩膀上,朝着物理学“牛人”的方向一步步迈进。

1982年,褚君浩研究生毕业,美国的一家单位提供了每年2.8万美元奖学金的攻读博士机会。当时留在国内每月只有86元,而且科研条件也和国外相差巨大,犹豫不决的褚君浩向导师汤定元征询意见。汤定元坚定地对褚君浩说:“你不要去,跟我来念博士。你硕士做得很好,到外面去读博士,方向就变掉了,太可惜了。”

心有不甘的褚君浩又向自己的邻居、技物所的匡定波先生请教。匡定波告诉褚君浩:“要听汤先生的话,青年科学家主要是要建立起自己的工作。”

从此,褚君浩再也没有动摇过,一鼓作气扎在窄禁带半导体的研究方向上,从未中断。

汤定元给了褚君浩一个非常有难度的研究课题:碲镉汞的本征光吸收。完成这项工作需要解决两个问题:一个是碲镉汞高吸收系数测量的问题,一个是要制备很薄的样品。当时国外这两个问题还没有解决。

在实验室,褚君浩想办法将碲镉汞样品打磨到15微米的厚度。汤定元在小组开会时告诉其他人:“褚君浩样品磨得很薄,已经到15微米了。”后来有人将这些告诉了褚君浩,让他深受鼓舞。于是,褚君浩再接再厉,动了很多脑筋,分别在蓝宝石衬底和硒化锌衬底上,采用环氧树脂包裹碲镉汞等办法,将样品打磨到“吹弹可破”的几微米水平。

几十年过去了,中国的科研水平和实力已经今非昔比,但科学家们遇到的人生困境依然有许多相似之处,比如,对于出国还是留在国内发展的选择。

褚君浩说,80年代改革开放之初,国内的实验室条件比较差,和国外的研究差距也比较大。目前,国内的实验室条件大大改善,国内科学家的整体水平也有了很大的提高,国家在科技方面的发展形势很好。“以墨子号为例,在卫星上要把两个纠缠光子送到地面两个地方,相差1000多公里,难度很高,相当于要在飞机上把两个硬币扔到地球上的两个储币盒里面去,但这种难度我们也成功实现了,科学技术领域有了飞跃的发展。”

“青年时期是最富有想象力、创造力的,有三分之一的诺贝尔奖得主都是年轻时就取得成就了。这说明年轻人有非常大的创造力,加上勤奋工作,可以做出创新。我们做研究、做学问,第一个层次是成果,第二个层次是方法,第三个层次是精神。要培养科技创新的素质,我认为八个字非常重要——勤奋、好奇、渐进、远志。”

“年轻的学者和科学家们是目前国家的重要力量,大家可以根据自己的成长需要来决定自己的发展之路。如果所在的领域国内已经发展得很好了,那就坚定信念,在国内发展;如果国外的水平更高,更前沿,自然也可以选择去国外发展。关键在于要有自己的领域。现在的中青年科学家花太多时间写太多报告,消耗了做科研的精力,还有一些中青年科学家过早地脱离一线,开始做起了‘老板’,影响了创新的能力,这是我们亟待改进的地方,需要给科学家们减负;另外一方面,科学家本人的定力也很重要,不能光盯着市场热点去做研究,要有一点做冷板凳的精神,方向变来变去,也不利于自身的成长。

“我有一个学生是从技物所毕业的,他起先到华为工作,工资很高,但让他一天到晚写软件,他不愿意写了。辞职后他到我这里读博士后,三年以后也毕业了,做副教授,做研究。做老师很清贫,收入和之前不能比,但是他觉得现在的工作更有意义,也符合他的个人爱好。我这里还有一些家境富裕不差钱的孩子来读书,不图什么,就是因为有志于此。我们只有从理论上做出原始创新,才能把相关规律应用到技术提升上去,最终实现工程上的应用,从而把主动权牢牢地握在自己手中,而不用动辄担心被人卡脖子。”

最爱科普的院士

早在梅陇中学做老师期间,褚君浩就着搓衣板发表了20多篇科普文章。1976年,他还在上海人民出版社出版了自己的第一本科普著作《能量》。可以说,褚君浩很早就和科普结下了不解之缘。

40年的悠悠科普之路,为褚君浩赢得了“最心系科普的院士”之名。褚君浩说,科普并不像很多人认为的那样,非常“小儿科”,科普不仅是普及科学知识,还要传播科学方法、科学理念和科学精神;科普工作的最终目的是全民科学素养的提高,要使科研与科普有机地结合在一起,既让非专业人员看得懂,又让专业人员觉得新,让社会各界人士都能及时了解最新的科学进展和发展方向,为科学研究培育社会土壤。

自1978年加入上海市科普作家协会之后,他就不断地组织、参与各类科普活动。同时,由于是物理老师出身,他非常善于将复杂的内容讲得深入浅出,引人入胜。多年的科普经验,让他生出不少作科普报告的独家技能——为不同的受众量身定制报告内容。

面对中小学生,他喜欢讲科学家的小故事,激发他们探索科学的兴趣;面对社会大众,他聊科学常识,也聊“物联网”等最新科技动态,解读公众对科学问题、社会现象的疑问;面对公务员、产业界人士以及各行业领军人士,褚君浩常讲高科技发展趋势,从光电信息获取联系到智慧城市建设,从光电能量转换联系到可再生能源和低碳城市建设,他觉得这样不仅能增加他们的知识储备,同时还将科学的理念和思想传播给他们,从而有利于决策制定的科学性。

作为院士,褚君浩的工作日程一直安排得很满,但只要有单位邀请他去作科普报告,他总是来者不拒,“时间挤挤总是有的,我愿意多做些科普工作。这也是院士应尽的社会责任”。(栏目协办:上海市科学技术普及志愿者协会)

·人物小传·

褚君浩

著名半导体物理和器件专家,中国科学院院士,红外物理学家。

学术成就:

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);建立了窄禁带半导体表面二维电子气子能带结构理论;解决了碲镉汞薄膜材料和焦平面列阵器件研制中涉及的有关重要基础问题;发展了碲镉汞材料器件设计理论。开展铁电薄膜材料物理和非制冷红外探测器研究,研制成功PZT和BST铁电薄膜非制冷红外探测器并实现了热成像。

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