传感器作为信息科技的三大基石之一,在物联网、智能手机、汽车等许多领域,发挥着重要作用,可以说几乎无处不在,也是我国被“卡脖子”较严重的高科技领域之一——我国中高端传感器80%以上需要进口。
然而,传感器又是如此细小,被包含在仪器仪表、电子设备等层层设备中,普通民众很难直接接触到,以至于许多民众对这个高科技的“小东西”并不了解。
近年来,随着国家和民众对传感器等“卡脖子”国产高科技技术的日益重视,对这些高科技的科普成为一个重要话题。今年初,针对传感器技术的重要性及应用,我国中央电视台《新闻联播》《朝闻天下》等重要节目,一连5期播出传感器系列科普栏目《传感中国》(相关信息参看《央视推出传感器系列节目》内容)。
近期,由中国科学院褚君浩院士执笔写著的传感器科普书籍《传感器与智能时代》出本,这是我国首本由院士执笔的传感器科普书籍。院士作为顶尖科学家,在书中以渊博的知识,深入浅出地为公众揭示了什么是传感器?以及传感器在现代智能社会方方面面的重要作用。
本文为褚君浩院士此前在“中国科学院公众科学日”中所作《传感器与智能时代》同名演讲,书中为本演讲内容的延伸和扩展,如果你想向身边的朋友介绍什么是传感器,可以向TA推荐本内容。下文,我们来看看院士向大众科普的传感器硬核知识和我国的发展。
专家档案
特别说明:
此次演讲视频、动画展示较多,无法全部插入推文中;文字版本作为参考,建议观看视频版本。
褚君浩:大家好。
主持人:我们都知道褚君浩院士是科研界的科普达人,今天褚君浩院士也将为我们带来传感器和智能时代为题的报告活动,接下来有请褚君浩院士继续今天的报告活动。
褚君浩:好的,观众朋友大家好,今天我给大家做一个科普报告。我这个报告的题目叫“传感器和智能时代”。
先说第一方面,感知自然信息,就是传感器。首先提个问题,传感器是什么?我们知道人有五官,眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤,传感器就是做成一个器件,但它的功能就是来代替我们的眼睛看,代替我们的耳朵听,代替我们的鼻子闻,代替我们的舌头尝,代替我们的皮肤感觉。
传感器在我们日常生活当中是无所不在的,如果你注意一下周围,我们跑到洗手间,我们把手放到水龙头下面,水就会自动下来,就有传感器装在水龙头下方。有的时候跑到一个商店或者房间,它会叮当一下,进去了以后灯就开了,这些也都是传感器。
其实传感器有很多,我举一些例子。
我们传感器当中如果找一下,就会发现家庭里面相机、手机、游戏机,包括智能电视、冰箱、洗衣机空调里面都有,你们可以回家找找看在身边哪些有传感器的应用。
但是传感器最普遍的应用是智能手机,而且用得也最多。
严格来说去分析一下,可以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,这些传感器为我们手机功能提供了非常重要的器件。现在在人体健康里面比如体检,也有很多传感器:
水资源、能源系统、环境也都有很多传感器,这些传感器可以提供水、环境、空气的情况。传感器走进我们的生活,在工业农业生产、科技活动、日常生活、国防科技当中。
为什么可以做出传感器呢?因为物质的不同运动形态是可以转化的。比如光电传感器,它最早就是来源于爱因斯坦1906年发现的光电效应,后来得诺贝尔奖的。光照到某些金属表面,如果光的能量达到一定值,金属表面电子可以打出来,低于这个能量值是打不出来的。这个光电效应就是我们光变成电的效应,我们现在可以把光、磁、电、声联系起来,做成传感器。
有伽马射线、X射线、紫外,波长很短。然后红橙黄绿青蓝紫,有红,红外面有红外,后面有THz光、毫米波、微波、无线电波。波长不一样,但都是电磁波。这些光通过一个光电器件可能实现光电转换,光电转换了以后就可以做成红外探测器,THz探测、紫外探测器,X射线、伽马射线探测器,太阳能电池等等。
我带来一个手机,这个Iphone,我们拍照只能拍可见光的照片,灯关掉照片就拍不出来了。
这张照片就是一张红外的照片,我们人有两种光传到你的眼睛里,一种光是反射光,也就是灯光,外面的太阳光照在我的身上,反射到你的眼睛里,你就看到我了。如果没有灯光,外面没有阳光,晚上是暗的,反射光就没有了,你用你的眼睛就看不见我了。
但是我们人除了反射可见光以外,人自身还会发出红外光,因为我们人有温度,37度,换成绝对温度就是300多K。任何一个有温度的物体都会发出热射线,人体(300多K绝对温度)发出的波长大概在10微米左右。所以我们眼睛看不见,但是用我们红外探测器就可以看得见了。这张照片就是用红外传感器对我人体拍出的照片。
再举个例子,最近澳大利亚森林大火(视频00:10:17),有一些动物还在里面,我们从视频里面可以看到它在卫星上通过红外热像仪就可以找到在森林里面动物还有没有,因为动物也是发红外线的,就可以看出来了,可以通过红外线找到在森林里还存在的生物。
我上面举的例子都是室温工作的传感器,灵敏度差一点,但是比较便宜比较好工作,这也就是室温工作的传感器。
电子带负电,空穴带正电。电子和空穴在里面就会移动,移动过程当中也许他们会碰到复合中心,就复合掉了,就没戏了。但是也有一些电子和空穴他们迁移比较长,寿命比较长,他们会有幸跑到p-n结里面去,p-n结里面有内在电场,就把电子和空穴分开了,向两端输出了,就可以发电了。半导体材料红外最好就是碲镉汞半导体材料。
由于风云卫星,所以我们现在气象报告特别准。
红外传感器有三大功能
最近今日头条也发布了一条消息,(视频,00:17:09)美国公布了一个用红外相机拍摄到的UFO不明飞行物图像,十天前在网上传得蛮多,这也是用红外相机。红外相机看到它在云层上面,UFO那样的东西在移动,这是什么东西很多人不知道,很多有兴趣的人在研究,这个公布的视频也是用红外相机拍到的。红外相机要能够看得很清楚,就需要我们的探测器非常灵敏。探测器要非常灵敏,有一个条件,要把像素做得很大。比如我们手机现在是1000万象素,拍照片蛮清楚。过去我们手机只有200万象素,拍照就不清楚。像素要多,现在红外也是这样
这张图是汶川大地震的情况,这也是晚上看到的红外图像,是美国“锁眼”光学成像军事侦察卫星(拍到的),上面有很多燃料可以来回移动。我们现在卫星也有很多燃料可以移动,比如马航失事的时候,我们的卫星也是天上到处可以有燃料来跑,可以移动它的位置到一定的目标。除了固定的轨道以外,还可以变轨移动它的位置。
我们做这个探测器,除了像素要做得高以外,还要做不同波段的探测器,不同的波段有不同的作用。
再比如这个人前面有一个硅片,后面的字遮住了,但是可见光的照片拍不出来,因为硅片把可见光遮住了,但是用短波红外来看可以看得出来,后面的字是SENSORS。再看这个人,胡子鬓角迹,可见光的照片,一个美男子。但是用短波红外来拍,这个鬓迹和胡子都是假的,这个人要么是野人演员,要么是可疑分子。不同的波段可以知道不同的信息,这里面要做科学研究。这张图里每一条曲线表示一种器件,这里面要研究它的物理、材料学、工艺学,把这些掌握好,我们才能做出不同波段的高性能的传感器。最近人家还在做近红外的成像:
要做不同波段的传感器,最近大家又关心太赫兹,做太赫兹波段的传感器,这个波段非常重要,很多物质的特征光谱都在太赫兹波段里面。当然我要产生太赫兹波有光学、电磁的办法,里面有很多科学知识在里面。
第二,热像。热像就是温度分布
第三方面的功能是谱像,(可以看到)光谱分布。任何物体的光谱特征如果你获取了,就可以通过光谱特征来分析这个物体是什么成分,是什么东西。比如我们红苹果、樱桃、梨、青葡萄他们波长都是不一样的,波的特征都是不一样的。
把它的光谱做出来,做出来以后就可以提供消息,水稻亩产多少斤,把测到的光谱放到数据库里比,一比就知道这个水稻亩产是1000斤还是100斤,因为他们的光谱特征都是不一样的,所以就可以派用处。
这个地方要找铀油矿,怎么找呢?可以让无人机去飞,把每一点的光谱做出来。做出来以后看下面那条线,这条线和数据库里比,和上面这条数据库的光谱线有点一致,上面那条光谱线是铀油矿,那么就怀疑这个地方可能有油铀矿,再把人派过去。最近嫦娥三号到月亮上去,我们的光谱仪就放上去了。
现在传感技术除了前面所说的光谱、光电传感还有很多传感,比如压力、振动、声响、化学、生物、单光子等等很多传感
现在有一种聚合物的荧光淬灭效应,这个聚合物发荧光,但是如果有TNT分子上来,这个荧光一下子就淬灭了,我就知道有人带了TNT分子进来了,就可以报警了。(视频,00:33:00)比如有一个介绍视频,做对比,在地铁里面用一条狗去找炸药找不到,但是用人造的狗鼻子,一找就发现了,报警了,可以做成很小的设备。现在这个设备已经做得很小了。比如我们还有压力报警
第二方面,我简单说一说迎接智能时代。我们第一次工业革命是机械化,第二次工业革命是电气化,第三次工业革命是信息化
现在我们开始进入第四次工业革命,第四次工业革命就是智能化。也就是把智慧融入到物理实体系统里面,比如融入到一个机器人、系统里面去。智能时代最大的特点就是智能化的系统,智能化系统包括两个,一个是人工智能,一个是智慧地球,可以发挥作用。智能化系统有三大支柱
第一,可以实时得到信息,能够看清这个球怎么过来的。第二,分析这个球弹起来什么方向,怎么打过去。第三,实时起作用,把这个球打回去。所以它具备这三个功能,第一,实时得到信息。第二,智慧分析。第三,自动反应。在智能化系统里面有两个核心技术
现在机器人在工业、日常生活、军事上都有很多用处,(视频,00:37:20)比如这个机器人,它能够搬东西,在工业上有很多工业机器人,比如这个工业机器人在那里几代人做事情。在德国宝马他们有一个厂有5000人,里面有1000个是机器人,就是做这些事情的。
尤其是喷油漆,我们人简直不能在喷油漆的地方工作,但是机器人效率高,喷得又好,机器人现在发展得很快。(视频,00:38:02)比如这个机器人,搬运货物的,这里面都要有传感器、智慧分析、实时反应。这个机器人不倒翁,可以回到原来的位置。这是搬东西的机器人,现在有很多不同种类的机器人开始工作。
这是京东,他们运货、分拣货物是自动的,分拣了以后通过无人车送到规定的地方,小车子开到小路上,发一条短信给你,你就可以取你的快递了。他们有一个试验场所在做这个试验。无人汽车(视频,00:38:59)、无人飞机都是智能化系统,实时得到信息、智慧分析、快速反应,构成一个智能化的系统。
第三方面,培育飞翔的潜能。我们改革开放40年以来,中国发展得很快,GDP也很高,大家科学的水平、工业的水平、生活的水平都大大提高。同时我们现在进入了新工业革命的时代,智能时代,融入到新时代的潮流里。
我要提个问题了,这张照片如果在40年前是什么样的?有人就会说如果40年前一定是中国小孩和外国小孩倒一倒,中国的小孩看外国的小孩怎么样。现在我们国家信息技术发展了,现在我们是进入一个新的时代。
我们江苏的GDP就可以排到世界第15位了,中国的GDP排全国(口误,全球)第二。但是我们人均又很低,我们既要看到我们GDP的总量是高的,也要看到人均是很低的。2016年开过一个科技三会,提出来把科技创新摆在更重要的位置,吹响建设世界科技强国的号角。所以我们要建设富强、民主、文明、和谐、美丽的社会主义现代化强国,一定是要一个世界科技强国,所以同学们你们的责任是很重的。
现在我们一方面发展得很好,比如我们现在有天龙、蛟龙、悟空、墨子、大飞机等等都发展得很好,(动画,00:41:26)这张图是我们嫦娥三号登陆的时候,要降下去了,但是我们发现下面不平,如果降下去就要翻过来了,马上就移动了25米,这就是我们激光雷达的技术,这个技术很好。(动画,00:41:51)再看我们的墨子号,在卫星上要把两个纠缠光子送到地面两个地方,这两个地方相差1000多公里,这个难度很高,相当于你乘飞机,在飞机上要把两个瓜子扔到地球上两个储物桶里面去,难度很高,但这种难度我们也实现了。
这就说明我们的科学技术在很多方面现在发展得非常好。但是我们也要看到我们不足的地方,中兴事件,美国全面制裁封杀中兴,很多芯片不卖给我们,影响了我们中兴。所以我们很多核心技术还要好好掌握好,要从两方面看问题。
既看到我们发展、先进、进步的一面,也要看到我们不足的一面。(视频,00:42:51)比如这两个轴承,一个是中国的轴承,一个是德国的轴承,在上面都能够转。中国的轴承转到后面就不转了,德国的轴承一直转下去,这里面就有一个精益求精的问题,工匠精神的问题。有的时候我们做事情做得出来,但是做不好。
所以我们既要做得出,又要做得好,这是非常重要的问题。我们现在年轻人要培育健康的体魄和心灵,要汲取外界的养料,汲取空气、水分、温度、太阳,要像小草那样地顽强,我的微信就是小草。人家说褚老师你怎么叫小草,你应该叫大师大树。我说小草很好,而且很顽强。看这张图上面,只要有一点水分一点空气一点阳光,它就能够生长。
所以我们要修炼内在素质,要有勤奋的精神、好奇的精神、渐进的精神、远志的精神,勤劳、刻苦、好奇、正义,目标如一,胸怀大志。
把我身上的正能量全部激发出来了。表扬非常重要,要激发每个小朋友自己身上的正能量。我后来在工作中经常也是表扬为主,对同学、同事、课题组,看到人家的优点。到了高中,我功课就很好了,我还看很多书
习近平总书记说,幸福是奋斗出来的,要幸福就要奋斗,一定要勤奋,要有奋斗精神。我们古人说的,马克思、习近平说的,都是同一个意思,一定要艰苦奋斗。
我们青年时期是最富有想象力、创造力的,要勤奋。很多得诺贝尔奖的人都是年轻时候得出来的,我让我的学生们查了一下,得诺贝尔奖有三分之一都是年轻时候的工作。
我们既要得到金子、得到知识,我们更要培养一种方法,点石成金的手指,我们还要培养一种精神,金子般的心灵。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。我们要勤奋踏实培养科学精神,我们要渐进积累实现创新跨越。要培养科技创新的素质,这个素质有很多,我认为八个字非常重要
谢谢大家。
主持人:谢谢储院士,接下来一起看一下广大网友朋友们提出的一些问题。我们随机选取我们第一个问题,5G时代的到来对我们的生活会带来什么样的变革呢?
褚君浩:5G时代到来以后,首先信号传递得更快了,速度更快了,这是非常重要的。将来无人驾驶很重要,无人驾驶当中非常重要的是信息传输要非常快,比如看到前面有一个障碍要马上刹车。但是这个刹车能不能很快地反应过来,就和信号传输速度有关。5G提供了一个更加快速的通讯平台,会影响很大。还有信息量,将来我们的信息量更多,过去是一条短信,后来是一篇文章,后来是一个图像,现在是一个视频。将来更大量更快速的信息要交流就靠5G,5G出来以后会对我们的生活、生产产生更大的作用。非常好。
主持人:请问人工智能有一天是否会统治人类?
褚君浩:不可能,因为人工智能是人类创造的,人类一定有办法控制它。而且将来会制定很多方法怎么来控制,既为人类服务做人类的朋友,但同时又不可能统治人类,人类总会想到管理和控制人工智能的方法,这一点我觉得可以做到。现在有很多科幻电影、科幻小说,人工智能很强大,会怎么样怎么样,但是随着科学技术的发展,它毕竟是人创造、发明、研究的,人总有办法控制它、管理它。
主持人:您觉得人工智能下一阶段会在哪些领域大显神通?
褚君浩:首先人工智能机器人可能会大显神通,很多工业上自动化生产过程可以代替人的工作,有些机械化、程序化的事情完全可以让人工智能来做,比如救火、医疗、拧螺丝,生产线上,完全可以用机器人来做。另外非常重要的就是无人驾驶,将来在智慧城市建设、机器人领域、智能制造领域非常派用处,会起到它的作用,使得人类生活、工作更方便。
主持人:当前有一些红外探测器可以在室温下工作,但有些需要在很低的温度下工作,请问决定红外探测器工作温度的因素有哪些?
褚君浩:红外探测器材料系统比如有的时候半导体系统,半导体温度高了以后本身噪音就会比较大,比如碲镉汞探测器,77K工作,摄氏零下200度左右。温度高了以后里面噪音大了,性能就会下降。有些探测器在低温下工作灵敏度很高,甚至于有一些远红外的一直到1个毫米的波段,在4.2K工作。探测器1000个微米左右,在4.2K工作,灵敏度很高。有些探测器室温就可以工作了,波长比较短,比如有些半导体材料室温下就可以工作,像我们手机里面有传感器,手机里面是可见光的,也包括近红外的,室温下就可以工作。和材料有关,和工作的原理有关。现在技物所研究了一种太赫兹探测器,室温中工作的。但是它的性能很高,这就是新原理,新原理研究促进了技术的发明,这个非常重要。探测器工作的温度决定于材料,决定于什么结构,我们现在有的是室温工作,有的是低温工作,他们的特点性能也不一样。现在一般来说热释电探测器都是室温工作的,但是它的性能低一点。半导体工作的碲镉汞等等,温度低,性能高。有这样一个特点。
主持人:感谢储院士细致的回答,今天时间差不多了,今天的活动和储院士的见面到此结束,祝愿储院士身体健康、一切顺利。
褚院士:谢谢