在公共場所的洗手間，當(dāng)你把手放到水龍頭下就會自動出水；當(dāng)走到一些商店，大門會自動打開。如果你稍稍留意就不難發(fā)現(xiàn)，類似的智能產(chǎn)品正越來越多地出現(xiàn)在我們身邊——在火車站、機場等公共場所，我們實現(xiàn)了大規(guī)模測溫；即使面對走位飄忽的臺風(fēng)，我們?nèi)匀荒軌驅(qū)λ穆窂竭M(jìn)行精確預(yù)測。我們可以精確地預(yù)測莊稼的產(chǎn)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。
（著名半導(dǎo)體物理和器件專家，中國科學(xué)院院士，紅外物理學(xué)家 褚君浩）
說到傳感器，就不得不提半導(dǎo)體物理和器件專家、中國科學(xué)院院士、紅外物理學(xué)家褚君浩。作為中國自主培養(yǎng)的第一個紅外物理博士，他發(fā)現(xiàn)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(guān)系式，被國際上稱為CXT公式（褚-徐-湯）；建立了研究窄禁帶半導(dǎo)體MIS器件結(jié)構(gòu)二維電子氣子能帶結(jié)構(gòu)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(xué)研究領(lǐng)域。在萬物互聯(lián)的新世界里，褚君浩和他的團(tuán)隊正在研發(fā)一系列讓世界變得更智能的傳感設(shè)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(biāo)準(zhǔn)
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(yīng)燈、觸摸屏、相機、手機、游戲機，包括智能電視、冰箱、洗衣機、空調(diào)等等，都內(nèi)置有光傳感器、力傳感器。
不過，傳感器最普遍的應(yīng)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(zhì)的不同運動形態(tài)是可以轉(zhuǎn)化的。比如光電傳感器，它就來源于愛因斯坦1906年發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)：光照到某些金屬表面，如果其頻率達(dá)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(zhuǎn)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(fā)出熱輻射，也即發(fā)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(fā)全球關(guān)注，科研人員可以利用紅外熱像儀來監(jiān)測大象的一舉一動。
作為研究了一輩子紅外物理的專家，褚君浩指出半導(dǎo)體材料中紅外響應(yīng)最好的是碲鎘汞半導(dǎo)體材料。正是他，首次發(fā)現(xiàn)了碲鎘汞帶間躍遷本征吸收光譜。1983年，他有一個研究結(jié)果發(fā)表在國內(nèi)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(fā)表在AD報告上。這也從一個側(cè)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(xiàn)在，褚君浩獲得的碲鎘汞帶間躍遷吸收光譜數(shù)據(jù)依然是國際上最完整的，相當(dāng)于為紅外探測材料研發(fā)樹立了一個標(biāo)準(zhǔn)。
“碲鎘汞半導(dǎo)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(jìn)行對地觀測，就是航空遙感；放到衛(wèi)星上對地觀測，那就是航天遙感。”褚君浩說，中國的風(fēng)云四號氣象衛(wèi)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(fēng)云，使得我國現(xiàn)在的氣象報告都特別準(zhǔn)?！岸铱梢詼y量大氣每一層每一個空間位置的溫度、濕度，相當(dāng)于在對大氣做‘CT’。現(xiàn)在臺風(fēng)預(yù)報也非常準(zhǔn)，我們可以準(zhǔn)確地知道臺風(fēng)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(shù)非常了不起，領(lǐng)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(biāo)物的空間分布，黑暗環(huán)境下也能觀測。第二，獲取目標(biāo)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(nèi)的大暴發(fā)，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(fā)熱病人進(jìn)行監(jiān)控，直觀明晰。
除了在人體健康領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域進(jìn)行檢測之外，家庭安全防護(hù)、水資源、能源系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，也都有很多傳感器的應(yīng)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(shè)備都是用鐵箱子包起來的，如果里面發(fā)生故障，通過紅外熱像就能及時觀察到溫度升高的情況，進(jìn)行處理。
基于同樣的思路，這一技術(shù)還應(yīng)用于火情火災(zāi)方面的監(jiān)控，預(yù)報火災(zāi)的情況，幫助現(xiàn)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(jìn)行了滅火處理。未來，紅外熱像技術(shù)有望結(jié)合智能機器人，在后火險隱患、火情救援方面發(fā)揮更大的作用。
此外，紅外傳感器可以看到目標(biāo)物的譜像，也就是看到物體表面反射的光的光譜。不同的物體，有不同的光譜，比如蘋果、櫻桃、梨、青葡萄，其特征波長都是不一樣的，因此波的特征也不一樣。通過繪制光譜分布獲得物體的光譜特征放入數(shù)據(jù)庫后，就可以通過測量到的光譜比對數(shù)據(jù)庫的光譜來進(jìn)行各種分析。
“嫦娥三號的月球車上就搭載了我們的光譜儀。抵達(dá)月球表面后，可以得到月球表面土壤的光譜，進(jìn)行分析比對，就能得出月球表面的土壤成分、礦物成分。同樣，繞到月亮背面的嫦娥四號也會使用光譜議，這樣就能通過所得譜像分析月球表面覆蓋的是物質(zhì)是什么了?！?
褚君浩說，最近還有科學(xué)家在做大腦的近紅外成像：把近紅外“打”到大腦中，在里面“兜一圈”后，反射出來，就可以從一個側(cè)面獲得大腦的信息。這個試驗還可以知道航天員在加速過程和在太空中大腦工作是否正常。將來或許還能進(jìn)一步看出被試者的情緒或者是否說謊。
太赫茲波段的傳感器是近來領(lǐng)域內(nèi)的熱點。很多物質(zhì)的特征光譜都在這個波段里。通過太赫茲波，科學(xué)家們可以非常清晰地看出物品，所以它在醫(yī)學(xué)二維成像、食品檢測等很多方面都有應(yīng)用。現(xiàn)在很多地方安檢，比如機場，都在用太赫茲波從較遠(yuǎn)的地方檢測人們是否攜帶危險物品。此外，國內(nèi)也已經(jīng)開始使用太赫茲波檢測危險品。褚君浩團(tuán)隊目前正在使用新的原理來研發(fā)一種新的太赫茲探測器。
“這種新原理簡言之，就是當(dāng)太赫茲光入射到金屬/半導(dǎo)體/金屬結(jié)構(gòu)上，在半導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生一個勢阱，電子就會從金屬一端跑到半導(dǎo)體勢阱中，引起半導(dǎo)體電導(dǎo)的變化。這個現(xiàn)象在碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷、硅等材料上都出現(xiàn)過，我們正是以此來設(shè)計太赫茲探測器?！币话愕奶掌澨綔y器需要在深低溫環(huán)境下工作，褚君浩團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)計出一種金屬/半導(dǎo)體/金屬的三明治結(jié)構(gòu)，從而使得太赫茲探測器可以在常溫下工作，這一突破，意義重大。
實際上，目前傳感技術(shù)除了光譜、光電傳感之外，還有壓力、振動、聲響、化學(xué)、生物、單光子等很多種傳感器方式。
比如現(xiàn)在有一種聚合物的熒光淬滅效應(yīng)可以用來探測爆炸物。這類熒光聚合物在含有TNT分子的氣氛中，熒光會被淬滅，實現(xiàn)爆炸物預(yù)警。再比如壓力預(yù)警設(shè)備，一幢即將坍掉的危房，如果有事先安置傳感器在里面，就能夠在坍塌前實現(xiàn)預(yù)警，及時撤離人員或加固建筑。想想近日在美國佛羅里達(dá)州邁阿密海邊垮塌的公寓樓，每年都以2毫米的速度在沉降，30年時間里差不多沉降了6厘米。如果有傳感器進(jìn)行壓力預(yù)警的話，上百人死亡的慘劇應(yīng)該可以避免。
褚君浩院士指出，現(xiàn)在我們正處在第四次工業(yè)革命階段，其總趨勢就是智能化，將智慧融入到物理實體系統(tǒng)里面。智能化系統(tǒng)有三大支柱：動態(tài)感知，能夠?qū)崟r得到信息；能夠智慧分析；能夠自動反應(yīng)，構(gòu)成一個智能化系統(tǒng)。這就需要大數(shù)據(jù)、傳感器、基礎(chǔ)信息平臺的支撐。未來的高性能傳感器，需要實現(xiàn)更低的成本、更快的速度、更高的集成度、更智能化的應(yīng)用。其中涉及材料技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)、物理模型、工藝優(yōu)化、工程實踐方面的研究。要做好這些器件就要打好基礎(chǔ)，要有物理基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、實驗基礎(chǔ)、思維方法、科學(xué)精神，更加重要的是作為科研人員要有責(zé)任意識。
從“坦?！钡健按笈！?/strong>
勤奮刻苦、好奇質(zhì)疑、目標(biāo)如一、胸懷大志，正是褚君浩這一路走來的科研心得。
對于物理學(xué)的興趣與熱愛，一直流淌在他的血液里。在他技物所的辦公室里，有4本已經(jīng)頁面泛黃舊書：兩本《分子物理學(xué)》和兩本《原子物理學(xué)》。這是褚君浩在高中時愛不釋手的課外書。
作為一名徐匯中學(xué)的高中生，褚君浩最感興趣的是《相對論ABC》《絕對微分學(xué)》《從近代物理學(xué)的觀點》《宇宙物質(zhì)》這些科學(xué)書籍，在中學(xué)時他就寫過2萬字物理學(xué)方面的論文——《相對-絕對觀念的初步探討》，還會偷偷把媽媽給的飯錢拿來買物理書籍。居里夫人、愛因斯坦等科學(xué)家的傳記深深激勵著他，使他從小就立志成為一名科學(xué)家。
1966年“文革”開始，褚君浩的求學(xué)之路被迫中止。從上海師范學(xué)院（現(xiàn)上海師范大學(xué)）物理系畢業(yè)的他被分配到了梅隴中學(xué)教物理。他和父母、表弟表妹，以及當(dāng)時在外地工作的哥哥姐姐送回滬的侄子侄女一起住，房間只有12平方米。到了夜里，小房間里眾人入睡，褚君浩搭一張帆布床，睡到屋外樓梯的轉(zhuǎn)彎處。他借著樓梯間燈光看書。同住一幢樓的史存直和王養(yǎng)沖兩位教授，被這名青年的好學(xué)精神感動，讓他去他們兩位蝸居當(dāng)中的一間浴室看書。沒人使用浴室的時候，褚君浩就在浴室門口鋪一張席子，坐在地上，膝蓋上架一塊搓衣板，就著搓衣板看書、寫文章。
盡管當(dāng)時的政治環(huán)境十分緊張，他還是和一群有志于科學(xué)研究的小伙伴，“如同地下黨”一樣，成立了“基本粒子討論班”，定期不定點地聚會、單純而快樂地討論各類科學(xué)問題。即便當(dāng)時高考停滯，科學(xué)家受人輕視，即便看不到前途，但他心里相信，國家終究需要科研人才。
這個堅定的信念一直支撐著他在業(yè)余時間繼續(xù)從事物理研究。1978年，研究生招生制度恢復(fù)，已經(jīng)做了多年中學(xué)物理學(xué)老師的褚君浩，再也抑制不住從事物理學(xué)研究的沖動，有了備考研究生的目標(biāo)。褚君浩原本想要考復(fù)旦大學(xué)物理系研究生，但是要晚半年入學(xué)。褚君浩大學(xué)同學(xué)的父親、著名科學(xué)家嚴(yán)東生院士寫了一封推薦信，讓他去考上海技物所的研究生。
最初，褚君浩感興趣的科研領(lǐng)域是基本粒子，屬于理論物理范疇。因此，技物所湯定元先生在收到推薦信后，還專門給嚴(yán)東生寫了回信，表示“所里主要是做實驗物理的，而不是理論物理”，但歡迎褚君浩來所里談?wù)劇?
出于對物理學(xué)的熱愛，褚君浩義無反顧地參加了技物所的研究生考試。其中，有一門考試科目是《半導(dǎo)體物理學(xué)》。盡管從來沒有學(xué)習(xí)過這門課，但褚君浩憑借在大學(xué)里打下的扎實物理學(xué)功底，通過自修將書里的所有公式都推導(dǎo)了一遍。最終，褚君浩以90分排名第二順利進(jìn)入技物所，以湯定元為研究生導(dǎo)師，由此開啟了“開掛”一般的科研生涯，成為我國自主培養(yǎng)的第一位紅外物理博士。
上世紀(jì)60年代，當(dāng)褚君浩還是上海師范大學(xué)物理系的一名普通大學(xué)生時，就以“坦?！睘槊?，在黑板報上寫下了《勤奮+智慧=力量》的文章。別人問褚君浩，為什么取名“坦?！保克焐险f：“像牛一樣在平坦的大道上勤奮工作?！倍睦锩嬲嬲氲膮s是“愛因斯坦和牛頓”。在技物所的深入學(xué)習(xí)，讓他真正站在了巨人的肩膀上，朝著物理學(xué)“牛人”的方向一步步邁進(jìn)。
1982年，褚君浩研究生畢業(yè)，美國的一家單位提供了每年2.8萬美元獎學(xué)金的攻讀博士機會。當(dāng)時留在國內(nèi)每月只有86元，而且科研條件也和國外相差巨大，猶豫不決的褚君浩向?qū)煖ㄔ髟円庖?。湯定元堅定地對褚君浩說：“你不要去，跟我來念博士。你碩士做得很好，到外面去讀博士，方向就變掉了，太可惜了?！?
心有不甘的褚君浩又向自己的鄰居、技物所的匡定波先生請教?？锒úǜ嬖V褚君浩：“要聽湯先生的話，青年科學(xué)家主要是要建立起自己的工作?！?
從此，褚君浩再也沒有動搖過，一鼓作氣扎在窄禁帶半導(dǎo)體的研究方向上，從未中斷。
湯定元給了褚君浩一個非常有難度的研究課題：碲鎘汞的本征光吸收。完成這項工作需要解決兩個問題：一個是碲鎘汞高吸收系數(shù)測量的問題，一個是要制備很薄的樣品。當(dāng)時國外這兩個問題還沒有解決。
在實驗室，褚君浩想辦法將碲鎘汞樣品打磨到15微米的厚度。湯定元在小組開會時告訴其他人：“褚君浩樣品磨得很薄，已經(jīng)到15微米了?！焙髞碛腥藢⑦@些告訴了褚君浩，讓他深受鼓舞。于是，褚君浩再接再厲，動了很多腦筋，分別在藍(lán)寶石襯底和硒化鋅襯底上，采用環(huán)氧樹脂包裹碲鎘汞等辦法，將樣品打磨到“吹彈可破”的幾微米水平。
幾十年過去了，中國的科研水平和實力已經(jīng)今非昔比，但科學(xué)家們遇到的人生困境依然有許多相似之處，比如，對于出國還是留在國內(nèi)發(fā)展的選擇。
褚君浩說，80年代改革開放之初，國內(nèi)的實驗室條件比較差，和國外的研究差距也比較大。目前，國內(nèi)的實驗室條件大大改善，國內(nèi)科學(xué)家的整體水平也有了很大的提高，國家在科技方面的發(fā)展形勢很好?！耙阅犹枮槔?，在衛(wèi)星上要把兩個糾纏光子送到地面兩個地方，相差1000多公里，難度很高，相當(dāng)于要在飛機上把兩個硬幣扔到地球上的兩個儲幣盒里面去，但這種難度我們也成功實現(xiàn)了，科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有了飛躍的發(fā)展。”
“青年時期是最富有想象力、創(chuàng)造力的，有三分之一的諾貝爾獎得主都是年輕時就取得成就了。這說明年輕人有非常大的創(chuàng)造力，加上勤奮工作，可以做出創(chuàng)新。我們做研究、做學(xué)問，第一個層次是成果，第二個層次是方法，第三個層次是精神。要培養(yǎng)科技創(chuàng)新的素質(zhì)，我認(rèn)為八個字非常重要——勤奮、好奇、漸進(jìn)、遠(yuǎn)志?！?
“年輕的學(xué)者和科學(xué)家們是目前國家的重要力量，大家可以根據(jù)自己的成長需要來決定自己的發(fā)展之路。如果所在的領(lǐng)域國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展得很好了，那就堅定信念，在國內(nèi)發(fā)展；如果國外的水平更高，更前沿，自然也可以選擇去國外發(fā)展。關(guān)鍵在于要有自己的領(lǐng)域?，F(xiàn)在的中青年科學(xué)家花太多時間寫太多報告，消耗了做科研的精力，還有一些中青年科學(xué)家過早地脫離一線，開始做起了‘老板’，影響了創(chuàng)新的能力，這是我們亟待改進(jìn)的地方，需要給科學(xué)家們減負(fù)；另外一方面，科學(xué)家本人的定力也很重要，不能光盯著市場熱點去做研究，要有一點做冷板凳的精神，方向變來變?nèi)ィ膊焕谧陨淼某砷L。
“我有一個學(xué)生是從技物所畢業(yè)的，他起先到華為工作，工資很高，但讓他一天到晚寫軟件，他不愿意寫了。辭職后他到我這里讀博士后，三年以后也畢業(yè)了，做副教授，做研究。做老師很清貧，收入和之前不能比，但是他覺得現(xiàn)在的工作更有意義，也符合他的個人愛好。我這里還有一些家境富裕不差錢的孩子來讀書，不圖什么，就是因為有志于此。我們只有從理論上做出原始創(chuàng)新，才能把相關(guān)規(guī)律應(yīng)用到技術(shù)提升上去，最終實現(xiàn)工程上的應(yīng)用，從而把主動權(quán)牢牢地握在自己手中，而不用動輒擔(dān)心被人卡脖子。”
最愛科普的院士
早在梅隴中學(xué)做老師期間，褚君浩就著搓衣板發(fā)表了20多篇科普文章。1976年，他還在上海人民出版社出版了自己的第一本科普著作《能量》。可以說，褚君浩很早就和科普結(jié)下了不解之緣。
40年的悠悠科普之路，為褚君浩贏得了“最心系科普的院士”之名。褚君浩說，科普并不像很多人認(rèn)為的那樣，非?！靶嚎啤保破詹粌H是普及科學(xué)知識，還要傳播科學(xué)方法、科學(xué)理念和科學(xué)精神；科普工作的最終目的是全民科學(xué)素養(yǎng)的提高，要使科研與科普有機地結(jié)合在一起，既讓非專業(yè)人員看得懂，又讓專業(yè)人員覺得新，讓社會各界人士都能及時了解最新的科學(xué)進(jìn)展和發(fā)展方向，為科學(xué)研究培育社會土壤。
自1978年加入上海市科普作家協(xié)會之后，他就不斷地組織、參與各類科普活動。同時，由于是物理老師出身，他非常善于將復(fù)雜的內(nèi)容講得深入淺出，引人入勝。多年的科普經(jīng)驗，讓他生出不少作科普報告的獨家技能——為不同的受眾量身定制報告內(nèi)容。
面對中小學(xué)生，他喜歡講科學(xué)家的小故事，激發(fā)他們探索科學(xué)的興趣；面對社會大眾，他聊科學(xué)常識，也聊“物聯(lián)網(wǎng)”等最新科技動態(tài)，解讀公眾對科學(xué)問題、社會現(xiàn)象的疑問；面對公務(wù)員、產(chǎn)業(yè)界人士以及各行業(yè)領(lǐng)軍人士，褚君浩常講高科技發(fā)展趨勢，從光電信息獲取聯(lián)系到智慧城市建設(shè)，從光電能量轉(zhuǎn)換聯(lián)系到可再生能源和低碳城市建設(shè)，他覺得這樣不僅能增加他們的知識儲備，同時還將科學(xué)的理念和思想傳播給他們，從而有利于決策制定的科學(xué)性。
作為院士，褚君浩的工作日程一直安排得很滿，但只要有單位邀請他去作科普報告，他總是來者不拒，“時間擠擠總是有的，我愿意多做些科普工作。這也是院士應(yīng)盡的社會責(zé)任”。（記者 陳 冰）（欄目協(xié)辦：上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會）
鏈接：·人物小傳·褚君浩
著名半導(dǎo)體物理和器件專家，中國科學(xué)院院士，紅外物理學(xué)家。
學(xué)術(shù)成就：
發(fā)現(xiàn)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(guān)系式，被國際上稱為CXT公式（褚-徐-湯）；建立了窄禁帶半導(dǎo)體表面二維電子氣子能帶結(jié)構(gòu)理論；解決了碲鎘汞薄膜材料和焦平面列陣器件研制中涉及的有關(guān)重要基礎(chǔ)問題；發(fā)展了碲鎘汞材料器件設(shè)計理論。開展鐵電薄膜材料物理和非制冷紅外探測器研究，研制成功PZT和BST鐵電薄膜非制冷紅外探測器并實現(xiàn)了熱成像。
（記者：陳冰）
