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褚君浩院士:傳感器是第四次工業(yè)革命中智能化系統(tǒng)的重要核心技術(shù)


  來源: 中國(guó)金融信息中心 時(shí)間:2022-11-29 編輯:儀器儀表WXF
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迎接智能時(shí)代


智能時(shí)代的特點(diǎn)就是智能化的系統(tǒng),這是它的核心。智能化的系統(tǒng)有三根支柱,動(dòng)態(tài)感知、智慧識(shí)別、自動(dòng)反應(yīng):


首先它是要?jiǎng)討B(tài)感知,就是像我們的眼睛,耳朵等五官,可是,二維碼、條形碼不是動(dòng)態(tài)的,它們是事先做好放在那里的。所以智能化的系統(tǒng)里面,我們要靠傳感器,達(dá)成動(dòng)態(tài)感知,而傳感器則是代替我們五官的。


第二個(gè)就是要智慧識(shí)別,識(shí)別就是要分析,相當(dāng)于我們的腦子。這里面要靠大數(shù)據(jù)的分析,大數(shù)據(jù)的分析有兩個(gè)方面,一個(gè)是文本大數(shù)據(jù),是現(xiàn)成的,另一個(gè)是物理大數(shù)據(jù),是通過測(cè)量得到的,比如天氣預(yù)報(bào),我們?nèi)梭w看B超,做CT, 要更加注重物理過程的規(guī)律、模型、方法。通過規(guī)律發(fā)現(xiàn)規(guī)律,事半功倍。


第三個(gè)就是要自動(dòng)反應(yīng)?,F(xiàn)如今我們有基礎(chǔ)信息平臺(tái),有互聯(lián)網(wǎng),有物聯(lián)網(wǎng),有集成電路,有芯片技術(shù),有通訊技術(shù)5G的技術(shù),能大大提高自動(dòng)反應(yīng)。


例如,一個(gè)打乒乓球的機(jī)器人,是典型的智能化系統(tǒng),因?yàn)槭紫人吹靡娖古仪?,這是動(dòng)態(tài)感知,第二個(gè)它要算這個(gè)乒乓球彈起來怎么樣,第三個(gè)是它反應(yīng),把它打回去,在智能化的系統(tǒng)中,一個(gè)是人工智能,一個(gè)是智慧地球。人工智能在工業(yè)上已經(jīng)用得非常普遍。


德國(guó)慕尼黑的寶馬工廠里,有5000個(gè)人,里面1000個(gè)是機(jī)器人。在智慧地球里面,包括智慧空天海地、智慧能源環(huán)境、智能制造等?!爸腔鄣厍?= 互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)”,這是IBM總裁的定義。溫總理在無錫有一段講話,“把所有通過物品,通過信息傳感的設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行智能化處理,這個(gè)就是物聯(lián)網(wǎng)了?!?


智能系統(tǒng),是在某一區(qū)域中智能化運(yùn)行某一行為。比如在家庭智慧的老幼監(jiān)視系統(tǒng)或者設(shè)備控制系統(tǒng);在小區(qū)智慧的能源調(diào)控系統(tǒng);在工廠智慧的物流系統(tǒng)等。所以智能系統(tǒng)是一定在一個(gè)區(qū)域內(nèi),實(shí)行一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)行為。如果說區(qū)域越來越大,行為越來越多,那么你的智慧度就越來越高。


在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的基礎(chǔ)信息化技術(shù)上,智慧城市至少應(yīng)該有四層架構(gòu):感知層、互聯(lián)層、分析層、反應(yīng)層,進(jìn)而在城市綜合管理、 交通物流貿(mào)易、能源環(huán)境安全、 醫(yī)療文化教育和城市社區(qū)安居五大方面獲得廣泛應(yīng)用。


其中包含兩個(gè)核心的技術(shù),一個(gè)是實(shí)時(shí)感知技術(shù),是通過傳感器芯片來實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)是智慧分析系統(tǒng),通過模型和大數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn),比如人體心臟監(jiān)視器,數(shù)據(jù)分析中心實(shí)時(shí)獲取心臟信息后發(fā)送出去,如果發(fā)現(xiàn)你的心電圖有什么問題,馬上就可以采取措施,這就是智慧的醫(yī)療。


首先是傳感器,就是一個(gè)器件,它是代替我們?nèi)说难劬?、鼻子、耳朵,把光聲熱電子生物過程變成電。比如光電傳感器來說,非常重視基礎(chǔ)研究,它提供方法、手段、模型、理論。既然是不同運(yùn)動(dòng)形式的器件,我們需要發(fā)現(xiàn)其規(guī)律,進(jìn)行在技術(shù)上提高、實(shí)現(xiàn),從而做成了傳感器,這個(gè)就發(fā)展了光電芯片技術(shù)。


另外,用不同波段探測(cè)器,可以看到不同信息。因?yàn)椴煌牟ǘ斡胁煌奶卣?,所以要做不同波段的探測(cè)器。比如短波紅外,可見光和近紅外,都有不同的用處?,F(xiàn)在照相機(jī)是可見光的,如果能發(fā)現(xiàn)規(guī)律,能做出不同波段的探測(cè)器,其應(yīng)用面將非常寬廣。


波長(zhǎng)再長(zhǎng)就是太赫茲(THz),其應(yīng)用面很廣,包括地垢油的監(jiān)測(cè),醫(yī)學(xué)二維成像,安全(爆炸物探測(cè)),雷達(dá)建模等。這里面有核心技術(shù),比如說要做特殊靈敏的探測(cè)器、非夲征Ge光電探測(cè)器,場(chǎng)效應(yīng)晶體管探測(cè)器,肖特基勢(shì)壘探測(cè)器等等。


我們最近發(fā)現(xiàn)一個(gè)新現(xiàn)象:窄禁帶半導(dǎo)體MSM結(jié)構(gòu)與THz光場(chǎng)相互作用,外部電磁波(光子)入射到器件上,將在半導(dǎo)體材料中誘導(dǎo)勢(shì)阱,從而束縛來自于金屬中的載流子,使得材料中載流子濃度發(fā)生改變,出現(xiàn)載流子集聚。


紅外,不僅可以在黑暗里面看清圖象,同時(shí)還能看到溫度分布。我們可以用鐵電薄膜、氧化釩等,制造室溫工作的紅外探測(cè)器,根據(jù)科學(xué)道理,分析不同溫度的物體,以及對(duì)外輻射的能量分布。這也是現(xiàn)在疫情期間,經(jīng)常用來探測(cè)體溫的。


再比如說火情監(jiān)控,可以通過固定式紅外監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)載紅外火情預(yù)警、紅外衛(wèi)星等紅外探測(cè)技術(shù),及時(shí)準(zhǔn)確地穿透煙霧,發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)以及火場(chǎng)被困人員。


智能時(shí)代背景下光電傳感器需求,有以下幾點(diǎn):少光子、單光子、光子數(shù)可分辨紅外探測(cè)器;超大規(guī)模焦平面列陣器件;不同波段光電器件;多波段融合光電器件;室溫工作紅外焦平面器件;新型讀出方式焦平面器件。要清楚材料器件結(jié)構(gòu)中物理過程,并能精細(xì)描述和控制,從而提升技術(shù)水平并達(dá)成創(chuàng)新。


因此,傳感器是智能化系統(tǒng)一個(gè)非常重要的核心技術(shù)。發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要,用更低的成本,實(shí)現(xiàn)更快的速度,更智能化的應(yīng)用。有了好的傳感器,就能握緊核心技術(shù),再通過互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),把傳感的信息傳出去加以分析,進(jìn)而達(dá)成多功能集成化、無線通信化、柔性化、微型化。


第二個(gè)核心技術(shù),就是智慧分析,模型分析,大數(shù)據(jù)分析。我們現(xiàn)在是處在一個(gè)波動(dòng)世界里面,空間引力波、電磁波、機(jī)械波,這個(gè)波就有頻率、強(qiáng)調(diào)、位相、偏振,通過對(duì)于波的分析,就可以得到很多信息。


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