触碰传感器

一个国际联合研究小组近日宣布，通过在石墨烯中加入硼原子的方式，他们开发出一种灵敏度极高的气体传感器。该装置能“嗅”出空气中浓度极低的有害气体，在人们还未察觉时发出警报。该研究还有助于改善锂离子电池和场效应晶体管的性能。　　用石墨烯制成的气体传感器已具有很高灵敏度，但科学家们并不想止步于此，希望通过在石墨烯中掺入其他元素的方式让其性能得到进一步提升。　　美国宾夕法尼亚州立大学物理学、化学和材料学教授莫里西欧特伦斯经过不断更换掺入元素，成功合成了1厘米见方的高品质掺硼石墨烯片。为防止硼化合物暴露在空气后快速分解，他们研制中用到了类似起泡器的化学气相沉积系统。　　核心部件制成后，被送往本田研究院的美国公司进行组装。2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学科学家康斯坦丁诺沃肖洛夫的实验室负责研究传感器的传输机制。此外，比利时、日本和中国的科学家也促成了这项研究。　　测试显示，新的气体传感器能够探测到浓度极低的有害气体分子，如空气中含量为十亿分之一的氮氧化合物和百万分之一的氨气，灵敏度比单纯用石墨烯制成的气体传感器要分别高出27倍和1000倍。　　负责此项研究的本田研究所首席科学家阿维迪克哈瑞泰元认为，新方法开辟了一条制造超高灵敏度气体传感器的新途径。该技术未来极有可能突破1000的五次方分之一检出限，在灵敏度上，比目前最先进的气体传感器高6个数量级。　　未来这种传感器有望在科学实验和工业中获得广泛的应用，无论是有毒有害气体、超标排放的汽车尾气，还是大气污染中的氮氧化合物都会在它面前一一显出原形。研究人员称，除检测有毒和易燃气体外，这种掺硼的石墨烯理论上还能帮助改建锂离子电池和场效应晶体管。　　相关论文发表在11月2日出版的《美国国家科学院院刊》。 来源：科技日报

褚君浩，中国科学院院士，红外物理学家、半导体物理和器件专家，中国科学院上海技术物理研究所研究员，东华大学理学院院长。他是我国培养的第一个红外物理博士，从20世纪70年代末开始，他就专注于红外探测器的研究，并与汤定元、徐世秋两位科学家研究了一种全新的半导体材料，创造性地提出了测算这种材料特性的公式，该公式最终以三位中国科学家的名字命名，被称为CXT公式，成为判断红外探测器新材料、新结构的参照标准。他的专著《窄禁带半导体物理学》，被国外20多个研究机构作为相关材料和器件研究的理论依据。　　智能时代，传感器无处不在。传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱，成为衡量一个国家科技水平以及是否处在国际战略竞争制高点的一个重要标志。各种机器设备中的传感器就相当于人类的五官和神经系统，它们让机器能听、能闻、能看，从而更好地感知、学习和进化，为我们提供高精度、智能化的服务。传感器家族有哪些成员？它们能为我们提供怎样的服务？高性能传感器的市场长期被美国、日本、德国的企业占据，我国科学家如何才能在这一领域拼出一席之地？　　简单来说，传感器就是用材料经过一定的设计，做成的一个器件，取代耳朵、鼻子、舌头、眼睛、皮肤的功能。它能够看得见、听得见，能够闻得出味道，能够感知到。它可以比人类的功能更强大，所以传感器要具有高性能。传感器具有的高性能，一般要超过人类的五官，能够听得到很远的声音，能够看得见红外光。　　日常生活当中传感器非常多，最敏感的一个传感器大家可能没注意：你把手机靠近耳朵的时候，手机的屏幕就暗了，所以随便怎么碰耳朵，照样可以打电话，这就是手机传感器在起作用。手机里面传感器最多，而且都很小、很灵敏。现在传感器的发展趋势就是高精度、高灵敏、高速响应、高稳定性、高可靠性、微型化、柔性化、多功能集成化、数字化、智能化、无线通信化，另外还要绿色环保。　　没有传感器就无法数字化　　2019年，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面。嫦娥四号搭载了多种科学探测仪器，可以探测月球表面的地形地貌、月表物质的成分和月球表层的结构。嫦娥四号的着陆器上还安装了4个与月壤直接接触的温度计，可每900秒测量一次月壤的温度，这也是人类首次实现在月球背面对月壤温度进行原位测量。我们进入了一个智能化的时代，上至宇宙探索，下至日常生活，数字技术已经渗透到方方面面，农业测产、荒野探矿、太空探月都离不开传感器，传感器信息采集功能的重要性也因此越来越凸显。物联天下，传感先行，无论是“大数据”“人工智能”，还是“物联网”，其最重要的“基石”就是传感器技术。那么，传感器技术怎样进行数据的采集、存储、计算？　　智能时代的最大特点就是智能化系统的运用。智能化系统有三大支柱：动态感知、智慧识别、自动反应控制。比如机器人能够把乒乓球打到，首先是动态感知，看到这个球怎么过来；其次要分析这个球会从哪里进来，这是智慧分析；然后它采取措施，打到这个球。智能化系统最后的出路就是推动人工智能、智慧地球、数字城市的建设。这个系统最大的核心就是数字化，因为只有数字化才能定量化、精准化、规律化、智慧化，最后促进数字经济的发展。　　数字经济的“数字”从哪里来？就是靠传感器来的，所以传感器是大数据的源头。数据有两类：一类是文本大数据，另一类是物理大数据。物理大数据是靠传感器实时获得的，这类数据好多都是声、光等类型的，它们属于一个波动世界。这个波动世界里面的数据量特别大，一个波有振幅、有位相、有频率，还有偏振等等，再加上时间、空间等海量的大数据，就可以告诉我们好多信息，然后对这些信息进行分析。　　传感器和物联网是智慧地球、智慧城市两个核心技术。智慧分析就是从大数据分析出一些我们所需要的信息。现在浙江省义乌市有一座大桥里面安装了好多传感器，通过传感器看它里面振动的应力波形，不同的车辆开过去波形都会有变化。如果有一天发现应力情况异常，就会报警。　　传感器是支撑智能化最重要的“一条腿”。无线通信接收信号要靠传感器，通信卫星主要就是发射和接收，接收需要传感器，没有传感器，通信就中断了，后面的智能化更无法实现。可以说没有传感器，就没有智能时代；没有传感器，也没有信息化时代。　　我国传感器技术与国外的差距及优势　　一部智能手机中有20多个传感器，一部汽车更是有多达上百个各类传感器。无处不在的传感器，已经成为全世界最具发展潜力的高新技术产业。但是，目前全球2万多种传感器产品中，我国能生产的只有大约6000种，远远不能满足国内市场的需求。智能手机中，传感器几乎均为国外产品，每年我国各种中高端传感器进口占比高达80%，传感器芯片进口的占比甚至要达90%。我国传感器技术与国外的差距究竟在哪里？如何才能打开自己的一片天地？　　传感器国内一般来说都能制造，在一般的应用上面也都适用，但是在高端应用、精细应用方面和国外有差距，这就要发扬工匠精神赶超世界一流。　　我们也有自己的优势领域，有一本最有名的科学手册叫《LandoldtBoerstein》，这本科学手册，到现在已经有140年历史了，它每隔10年到15年要修订一次，我就是负责碲镉汞材料修订的作者负责人，因为在这个领域，我国科学家做的工作国际上认可，所以我们有这个资格来承担这项工作。　　发展传感器，我国过去有一个弊端，就是买得到自己就不做了，但是红外探测器高端的买不到，就只能自己做，我们反而做出来了。其实在有些核心的关键领域还是要自立自强。我们现在好多企业，在红外传感器方面，水平不断地在提升。另外，要发展智能化，把芯片技术感受到的传感信息，智能化地分析处理，这就是当前传感器发展的趋势。　　智能时代的“桥梁”　　2019年4月15日，法国巴黎圣母院起火，考虑到空中投水可能造成建筑及文物损毁，法方派遣无人机捕获实时图像，为消防员实现精确定点扑救提供了重要支持。这其实得益于物联网技术的普及。互联网、物联网，一字之差，但两者截然不同。如果说，互联网是人们用来进行信息传播和共享的平台，那么，物联网就是“物物相连的互联网”，所不同的是，物联网是通过传感器、红外等各种感知设备，将信息传送到接收器，再通过互联网实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护。如今，物联网已经广泛应用在智慧城市、智慧医疗、智慧农业等众多领域，而传感器作为智能时代的“桥梁”，在各个领域智慧建设中已不可或缺。未来，传感器在智慧城市、智慧医疗、智慧农业等领域还能起到怎样的作用？　　江苏无锡有一家公司，在公司每个区域里所有的转动部分都安装了传感器，这样在办公室里可以监控所有的电梯、马达是否正常。如果哪个地方不正常，控制室就亮黄灯了，马上就可以派人去修理。这就是智慧城市管理的一方面。　　现在抑郁症很多，还有一些小孩患抑郁症，抑郁症当然有多种识别方法，也可以做成一个小的设备，定量分析患者的抑郁程度，这都是传感器信息获取分析的可能应用。如果我们人体里面都有传感器，比如口袋里放个心脏传感器，心电图随时可以拿到，如果一个人心脏有点不舒服了，跟医生打个电话，说我现在心脏不舒服，或者发条微信给他，这个是互联网技术的应用；但如果这个传感器的信号直接送到分析中心，分析中心就能够根据GPS定位知道人在什么位置，马上通知相关机构采取措施，这就是物联网技术应用。物联网技术在人类健康上面大有用处。　　人类现在要进入智能时代，智能时代的最大特点就是智能化系统的运用，智能化系统非常重要的核心就是传感器，传感器就是我们的敏感神经。在智能时代的背景下，我们要努力打造敏感神经，通过科技创新手段不断提升信息传感水平，不断提升智慧分析水平，从而发展物联网、人工智能、智慧地球的事业，促进数字经济的发展和城市数字化转型，最终提升人们的生活水平。

日本东京大学科学家最近利用六方氮化硼二维层中的硼空位，首次完成了在纳米级排列量子传感器的精细任务，从而能够检测磁场中的极小变化，实现了高分辨率磁场成像。氮化硼是一种含有氮和硼原子的薄晶体材料。氮化硼晶格中人工产生的自旋缺陷适合作为传感器。（a）六方氮化硼中的硼空位缺陷。空位充当用于磁场测量的原子大小的量子传感器，对磁场敏感，像一个纳米“磁针”。（b）量子传感器纳米阵列的光致发光。通过分析响应微波的光致发光强度的变化，研究人员可测量每个传感器点的磁场。图片来源：东京大学研究团队研究团队在制作出一层薄的六角形氮化硼薄膜后，将其附着在目标金丝上，然后用高速氦离子束轰击薄膜，这样就弹出了硼原子，形成了100平方纳米的硼空位。每个光点包含许多原子大小的空位，它们的行为就像微小的磁针。光斑距离越近，传感器的空间分辨率就越好。当电流流经导线时，研究人员测量每个点的磁场，发现磁场的测量值与模拟值非常接近，这证明了高分辨率量子传感器的有效性。即使在室温下，研究人员也可检测到传感器在磁场存在的情况下自旋状态的变化，从而检测到局部磁场和电流。此外，氮化硼纳米薄膜只通过范德华力附着在物体上，这意味着量子传感器很容易附着在不同的材料上。高分辨率量子传感器在量子材料和电子设备研究中具有潜在用途。例如，传感器可帮助开发使用纳米磁性材料作为存储元件的硬盘。原子大小的量子传感器有助于科学家对人脑进行成像、精确定位、绘制地下环境图、检测构造变化和火山喷发。此次的纳米级量子传感器也将成为半导体、磁性材料和超导体应用的“潜力股”。