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光电传感器的技术与应用
传感器有各种类型,诸如光、电、磁、热、声、机械等,它们都是利用物体运动的形态的转换,做成各种器件,代替人的感觉器官。智能时代,希望人能够感觉的东西都能够用传感器代替;甚至人不能感觉到的信息,也能通过传感器来感知。
光电传感器分为光电导型和光伏型。光照下来,材料的电阻发生变化,是光电导型,典型的材料是半导体。若光照下来,PN节两端产生电压,是光伏型。
褚院士长期从事红外光电子材料和器件的研究,开展了用于红外探测器的窄禁带半导体碲镉汞(HgCdTe)和铁电薄膜的材料物理和器件研究,研制成功了PZT和BST铁电薄膜非制冷红外探测器并实现了热成像。
实际上,光电传感器技术及应用很多(如图1),像素也有多种,例如可以2k×2k,320×480,256×256等,像素越多,分辨率越高。
在科技转化为应用方面,中科院上海技术物理所研制了多种红外光探测器,用于航天航空遥感。也研制登月天宫号上的有效载荷。在登月下降时,要采用激光雷达选择降落地点,需要有激光源、窄带滤光片和灵敏探测器,下降时发现地面不平,马上移动了25米,成功降落。
不同波段的红外探测器已成功应用于我国风云4号气象卫星。每张云图使用一个光谱波段的红外探测器,光谱覆盖从可见光、近红外,到短波红外、中红外、热红外……,用不同波段的光探测器获取成像信息,通过智慧分析、大数据分析,给出准确的天气预报。
所以我们要发展不同波段的探测器技术。包括可见光、短波红外、热红外、长波红外等,不同波段的成像效果不同。
例如有些苹果,肉眼看很好,但短波红外相机拍照后,发现这个苹果里面是烂的。如图2,左图人手里的晶圆片挡住了后面的字符,但是用短波红外(SWIR)拍照,可以穿透硅片,看到后面的字符。一位美男子化了妆,但是用短波红外一看,可见眉毛和胡子是假的。
为了实现宽光谱拍照/探测,需要有不同技术,包括材料技术和器件技术等。
太阳光具有很宽的光谱,是6000K温度的黑体辐射,照射在物体反射光也是宽光谱的。物体本身按照他们的温度也辐射红外光。如果能够把不同波段的探测器都做出来,就可以用于探测信号的全波段分析。
例如,可见光下看到有人表面上拿一张报纸,但通过太赫兹波段的光谱成像,可见到报纸里有一把刀。也可以发现某些人身上藏的<此处内容被屏蔽>。这是通过有透视功能的太赫兹探测器实现的。美国等海关已用于安检。
现在我们发现了一个新现象,太赫兹光照射到MSM(金属/半导体/金属)器件上来,载流子就会凝聚到半导体中,电导率会变化,就知道有太赫兹光下来了,因此做成了新型的太赫兹探测器件(如图3),探测率比现在室温工作器件要高三个数量级左右。这就是新原理的发现、新技术的发明,预计将来可以派上用场。
气体传感器、光谱传感器发展快
传感器有很多种,除了光电的,还有力、磁、热、声、气体等许多种类传感器,有很多用途。例如气体传感器、分子传感器可以进行光谱气体探测/爆炸物探测等应用。这方面有些恶性案件,例如1995年3月20日,东京地铁发生沙林毒气事件;2004年马德里火车站黑<此处内容被屏蔽>爆炸案等。预防这些事故的重要一环是要有敏感的传感器。
聚合物的荧光淬灭效应可以用来探测爆炸物,如图4,聚合物荧光一淬灭,就知道哪位带了TNT<此处内容被屏蔽>。据此,中科院上海微系统研究所的程建功课题组,研制了一种荧光聚合物<此处内容被屏蔽>探测仪,曾在上海轨道交通做过一个实验,把<此处内容被屏蔽>物放在瓶子里,盖上盖子,再用塑料纸包好瓶子,放在上班的包里,放进纸袋中,从德国进口的嗅爆犬走来走去,没有发现<此处内容被屏蔽>,但是这种探测仪一晃,就显示出有爆炸物。该产品已用于上海世博会等大型活动的安检。