“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(jī)，放在飛機(jī)上，進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，就是航空遙感；放到衛(wèi)星上對(duì)地觀測(cè)，那就是航天遙感。”褚君浩說(shuō)，中國(guó)的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星里紅外波段成像都是用碲鎘汞探測(cè)器，加上可見(jiàn)光波段探測(cè)器，白天黑夜都可以觀測(cè)風(fēng)云，使得我國(guó)現(xiàn)在的氣象報(bào)告都特別準(zhǔn)?！岸铱梢詼y(cè)量大氣每一層每一個(gè)空間位置的溫度、濕度，相當(dāng)于在對(duì)大氣做‘CT’。現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)也非常準(zhǔn)，我們可以準(zhǔn)確地知道臺(tái)風(fēng)什么時(shí)候到哪里，以什么速度移動(dòng)，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(gè)技術(shù)非常了不起，領(lǐng)跑?chē)?guó)際水平?！?

大顯身手的紅外傳感器

褚君浩說(shuō)，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(cè)。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(lái)測(cè)量人們的體溫就變得越來(lái)越普遍。用它來(lái)對(duì)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(cè)之外，家庭安全防護(hù)、水資源、能源系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，也都有很多傳感器的應(yīng)用。比方說(shuō)，用它來(lái)排查電路隱患，能夠直觀地觀察短路情況，因?yàn)槿绻娐分心硞€(gè)部分電流反常變大，溫度會(huì)同時(shí)升高。上海17號(hào)線地鐵就在使用智慧維保供電平臺(tái)。很多設(shè)備都是用鐵箱子包起來(lái)的，如果里面發(fā)生故障，通過(guò)紅外熱像就能及時(shí)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(bào)火災(zāi)的情況，幫助現(xiàn)場(chǎng)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(wú)人機(jī)上，找到了火苗在哪里，有針對(duì)性地進(jìn)行了滅火處理。未來(lái)，紅外熱像技術(shù)有望結(jié)合智能機(jī)器人，在后火險(xiǎn)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(píng)果、櫻桃、梨、青葡萄，其特征波長(zhǎng)都是不一樣的，因此波的特征也不一樣。通過(guò)繪制光譜分布獲得物體的光譜特征放入數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可以通過(guò)測(cè)量到的光譜比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的光譜來(lái)進(jìn)行各種分析。

“嫦娥三號(hào)的月球車(chē)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(duì)，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(hào)也會(huì)使用光譜議，這樣就能通過(guò)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(shuō)，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(lái)，就可以從一個(gè)側(cè)面獲得大腦的信息。這個(gè)試驗(yàn)還可以知道航天員在加速過(guò)程和在太空中大腦工作是否正常。將來(lái)或許還能進(jìn)一步看出被試者的情緒或者是否說(shuō)謊。

太赫茲波段的傳感器是近來(lái)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)。很多物質(zhì)的特征光譜都在這個(gè)波段里。通過(guò)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(cè)等很多方面都有應(yīng)用?，F(xiàn)在很多地方安檢，比如機(jī)場(chǎng)，都在用太赫茲波從較遠(yuǎn)的地方檢測(cè)人們是否攜帶危險(xiǎn)物品。此外，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開(kāi)始使用太赫茲波檢測(cè)危險(xiǎn)品。褚君浩團(tuán)隊(duì)目前正在使用新的原理來(lái)研發(fā)一種新的太赫茲探測(cè)器。

“這種新原理簡(jiǎn)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)阱，電子就會(huì)從金屬一端跑到半導(dǎo)體勢(shì)阱中，引起半導(dǎo)體電導(dǎo)的變化。這個(gè)現(xiàn)象在碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷、硅等材料上都出現(xiàn)過(guò)，我們正是以此來(lái)設(shè)計(jì)太赫茲探測(cè)器?！币话愕奶掌澨綔y(cè)器需要在深低溫環(huán)境下工作，褚君浩團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)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(cè)器可以在常溫下工作，這一突破，意義重大。

實(shí)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(dòng)、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(lái)探測(cè)爆炸物。這類(lèi)熒光聚合物在含有TNT分子的氣氛中，熒光會(huì)被淬滅，實(shí)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(shí)現(xiàn)預(yù)警，及時(shí)撤離人員或加固建筑。想想近日在美國(guó)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(shí)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。