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褚君浩院士:传感器是第四次工业革命中智能化系统的重要核心技术


  来源: 中国金融信息中心 时间:2022-11-29 编辑:仪器仪表WXF
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迎接智能时代


智能时代的特点就是智能化的系统,这是它的核心。智能化的系统有三根支柱,动态感知、智慧识别、自动反应:


首先它是要动态感知,就是像我们的眼睛,耳朵等五官,可是,二维码、条形码不是动态的,它们是事先做好放在那里的。所以智能化的系统里面,我们要靠传感器,达成动态感知,而传感器则是代替我们五官的。


第二个就是要智慧识别,识别就是要分析,相当于我们的脑子。这里面要靠大数据的分析,大数据的分析有两个方面,一个是文本大数据,是现成的,另一个是物理大数据,是通过测量得到的,比如天气预报,我们人体看B超,做CT, 要更加注重物理过程的规律、模型、方法。通过规律发现规律,事半功倍。


第三个就是要自动反应。现如今我们有基础信息平台,有互联网,有物联网,有集成电路,有芯片技术,有通讯技术5G的技术,能大大提高自动反应。


例如,一个打乒乓球的机器人,是典型的智能化系统,因为首先它看得见乒乓球,这是动态感知,第二个它要算这个乒乓球弹起来怎么样,第三个是它反应,把它打回去,在智能化的系统中,一个是人工智能,一个是智慧地球。人工智能在工业上已经用得非常普遍。


德国慕尼黑的宝马工厂里,有5000个人,里面1000个是机器人。在智慧地球里面,包括智慧空天海地、智慧能源环境、智能制造等。“智慧地球 = 互联网+物联网”,这是IBM总裁的定义。温总理在无锡有一段讲话,“把所有通过物品,通过信息传感的设备与互联网连接起来进行智能化处理,这个就是物联网了。”


智能系统,是在某一区域中智能化运行某一行为。比如在家庭智慧的老幼监视系统或者设备控制系统;在小区智慧的能源调控系统;在工厂智慧的物流系统等。所以智能系统是一定在一个区域内,实行一个、两个或者三个行为。如果说区域越来越大,行为越来越多,那么你的智慧度就越来越高。


在互联网、物联网、大数据和云计算的基础信息化技术上,智慧城市至少应该有四层架构:感知层、互联层、分析层、反应层,进而在城市综合管理、 交通物流贸易、能源环境安全、 医疗文化教育和城市社区安居五大方面获得广泛应用。


其中包含两个核心的技术,一个是实时感知技术,是通过传感器芯片来实现。第二个是智慧分析系统,通过模型和大数据的分析实现,比如人体心脏监视器,数据分析中心实时获取心脏信息后发送出去,如果发现你的心电图有什么问题,马上就可以采取措施,这就是智慧的医疗。


首先是传感器,就是一个器件,它是代替我们人的眼睛、鼻子、耳朵,把光声热电子生物过程变成电。比如光电传感器来说,非常重视基础研究,它提供方法、手段、模型、理论。既然是不同运动形式的器件,我们需要发现其规律,进行在技术上提高、实现,从而做成了传感器,这个就发展了光电芯片技术。


另外,用不同波段探测器,可以看到不同信息。因为不同的波段有不同的特征,所以要做不同波段的探测器。比如短波红外,可见光和近红外,都有不同的用处。现在照相机是可见光的,如果能发现规律,能做出不同波段的探测器,其应用面将非常宽广。


波长再长就是太赫兹(THz),其应用面很广,包括地垢油的监测,医学二维成像,安全(爆炸物探测),雷达建模等。这里面有核心技术,比如说要做特殊灵敏的探测器、非夲征Ge光电探测器,场效应晶体管探测器,肖特基势垒探测器等等。


我们最近发现一个新现象:窄禁带半导体MSM结构与THz光场相互作用,外部电磁波(光子)入射到器件上,将在半导体材料中诱导势阱,从而束缚来自于金属中的载流子,使得材料中载流子浓度发生改变,出现载流子集聚。


红外,不仅可以在黑暗里面看清图象,同时还能看到温度分布。我们可以用铁电薄膜、氧化钒等,制造室温工作的红外探测器,根据科学道理,分析不同温度的物体,以及对外辐射的能量分布。这也是现在疫情期间,经常用来探测体温的。


再比如说火情监控,可以通过固定式红外监控系统、机载红外火情预警、红外卫星等红外探测技术,及时准确地穿透烟雾,发现火点以及火场被困人员。


智能时代背景下光电传感器需求,有以下几点:少光子、单光子、光子数可分辨红外探测器;超大规模焦平面列阵器件;不同波段光电器件;多波段融合光电器件;室温工作红外焦平面器件;新型读出方式焦平面器件。要清楚材料器件结构中物理过程,并能精细描述和控制,从而提升技术水平并达成创新。


因此,传感器是智能化系统一个非常重要的核心技术。发展高性能的传感器芯片非常重要,用更低的成本,实现更快的速度,更智能化的应用。有了好的传感器,就能握紧核心技术,再通过互联网的技术,把传感的信息传出去加以分析,进而达成多功能集成化、无线通信化、柔性化、微型化。


第二个核心技术,就是智慧分析,模型分析,大数据分析。我们现在是处在一个波动世界里面,空间引力波、电磁波、机械波,这个波就有频率、强调、位相、偏振,通过对于波的分析,就可以得到很多信息。


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