原创 院士讲发展高性能传感器芯片非常重要！事关第四次工业革命

近日，中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员、复旦大学教授褚君浩院士，作题为“第四次工业革命和智能时代”的主题报告。

报告中，褚君浩院士多次强调掌握自主的传感器技术对我国进行第四次工业革命和进入智能化时代的重要性。褚君浩院士指出，传感器是第四次工业革命中智能化系统一个非常重要的核心技术。我国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。

专家档案

褚君浩，中国科学院院士。中国科学院上海技术物理研究所研究员，复旦大学材料科学系教授，《红外与毫米波学报》主编，中科院学部主席团成员。褚君浩院士长期从事红外光电子和半导体物理研究。获得国家自然科学奖三次、部委级自然科学奖或科技进步奖12次。2005年当选为中国科学院院士。

第四次工业革命

18世纪，第一次工业革命起源于英国，以机械化为特征。当时先有蒸汽机，随着技术和性能的不断提高，大机器生产取代手工劳动，整个世界开始机械化。进而，生产力得到解放和发展，出现拥有资产的阶层，改变了世界的面貌；劳动力从农村走向城市，开始了城市化的进程。

19世纪，第二次工业革命，以电气化为特征。由于在实验室里面发现电磁学规律，从而发明了电动机和发电机。当时，美德两国处于领先地位，电力的广泛应用及石油的大量开采，将科学技术成就循序运用到生产中，推动了世界经济的迅速增长，进一步改变了人民的生活方式；垄断资本影响国家和世界的政治和经济生活；加强了世界联系，同时带来了环境污染。

工业革命是技术和科学交叉推动，科学推动技术，技术转化为应用，应用对技术提出要求，技术要解决问题，又想办法从科学上来解决，以此循环。好比，第一次工业革命是从技术开始，然后到科学，再到技术。第二次工业革命就不一样了，完全是从科学开始，然后到技术再到科学。

20世纪， 第三次工业革命，以信息化为特征。从科学出发到技术再到科学，由此发展。通过原子物理、量子力学、固体物理、现代光学和半导体科学规律的发现，使得我们在半导体晶体管、集成电路、激光、光纤、电磁波、巨磁阻效应等方面，得到了技术性的发展，进而促进了电子技术、微电子技术、原子能技术、光学技术、新材料技术、信息技术等一系列新兴产业的发展。

那么，新的工业革命驱动力是什么？

1.能源和环境问题突显, 全球可持续发展面临巨大压力

过去北冰洋都是冰，北极熊觅食时，在冰上打个洞，鱼游过来，就可以捞鱼吃。可是，随着冰川融化，没有地方打洞，最终造成大熊吃小熊，这也是人们去旅游时能看到小熊骨骼的原因。倘若北极格陵兰岛冰盖全部融化，海平面将上升7.2米！对上海来说，浦东海拔高度和海平面距离不到2米，浦西只有3到4米。如果海平面上升7.2米，意味着浦东要全部浸到水里去了。

2. 人类不断追求更加美好的生活

我们过去看黑白的电视，后来看彩色的电视，屏幕越来越大，将来可能会看看立体的电视。激光全息摄影就是其中一种方案，人们也在为之研究。

3. 信息科学技术高度发展为工业革命创造条件

现在基于物质科学新发现、微纳米器件和制造新技术；基于脑科学和认知科学发展，促进高度智能化；数字化发展成为大数据，程序化发展到智能化，小型化发展到微纳化，网络化由机—机网络发展到人—机—物网络。

举个例子，现在集成电路发展非常困难，尺寸越来越小，摩尔定律接近临界，将来可能就要研究自旋电子学。自旋电子器件高速度、低功耗，可实现更高集成度，还能融合光、电、磁，实现存储、计算、传感为一体的器件，从而实现更高速的集成电路。

信息、生物、材料、能源、环境等领域的一些重大突破已出现萌芽，很多思想、理念、技术都会发生大的跃变。人类进入后IT时代，迎接智能时代。

所以第一次工业革命是机械化，第二次工业革命是电气化，第三次工业革命是信息化，第四次工业革命总趋势就是智能化。它的特点就是智慧融入物理的实体系统里面，简称智慧融物。现在第四次工业革命有以下三个特征：信息科学技术在物理数学生物基础上进一步提升；多领域发现和发明多轨并行、交叉推动；信息科学技术和多领域科学技术深度融合，将信息渗透到各个领域，由此用信息技术提升能级。

新工业革命的技术态势有六个方面：第一个，智能化分布式新能源系统、能源互联网；第二个，智能化复杂体系、人工智能、智慧城市；第三个，智能化制造技术、先进材料、极端制造；第四个，智能化诊断、修复技术、智慧医疗；第五个，传统工业的智能化升级；第六个，互联网、传感器、物联网、大数据。

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。

举个例子，苹果、樱桃、梨、葡萄光谱不一样。我们每个人穿的衣服光谱也不一样，当我们获取波谱特征，并存入数据库后，应用时就可以，将测量到的波谱，对比数据库数据，即可进行分析判断。医学成像信息大数据，则是利用成像结合光谱，从而进行识别。

所以，智能芯片则是将分析和传感器的芯片结合在一起，采集波的特征，制作数据库，形成自己的系统。

重视基础研究是非常重要的，基础研究是历次工业革命的科学源泉，又在历次工业革命中得以发展。基础研究将推动第四次工业革命发展，将在智能时代背景中催生新发现新技术。所以这也是科学 - 技术 - 科学 - 技术之间不断应用，根据科学技术本身的规律来研究，来推动它的发展。

现在新工业革命对制造业也会有一些影响，首先，工业革命总是与科技革命相伴而生，制造业也逐渐从传统迈向智能化时代，因为随着工业机器人、3D打印、数字化工厂的出现，取代了人工，使劳动力成本占总成本的比例不断减小，使我国很多制造行业面临生存危机，但也促进了人工智能机器人的发展。而且将来网络共享的经济模式会出现分布生产模式，智慧工厂和互联网工厂。

与此同时，也会提倡低碳化、绿色的生产与生活方式，突破一些关键技术，其中包括可再生能源技术、储能技术、智能电网技术、新能源技术、云计算、物联网这些普遍的技术，还包括很多特殊的技术、传感的技术、分析的技术等等。

制造业转化的趋势，有以下五点：原来主要是靠资源和投资驱动的，现在靠技术进步。原来是生产能力的扩张，现在是技术能力的积累。原来是生产型的制造，向服务型的制造发展。原来是处在制造业价值链的低端向价值链的高端发展。原来是挤压环境，现在是对环境友好。

关于新工业革命的应对措施，政府应该做好推进新工业革命的顶层设计。其次，要积极投资新工业革命需要的重要基础设施，包括宏观的新基建，还包括每个镇、乡、城市、省的设施。另外，要培育创新环境，推动技术创新浪潮。构建未来产业的培育体系，引导产业创新。

最后，推动适应新工业革命需要的机制体制建设。其中几方面工作要加强，第一，加强科学规律和核心技术、产业发展的三部曲。第二，加强实验室成果的中试研发，企业要提早介入，政府要分担风险。第三，切实加强产学研合作，建立产学研联合实验室、联合研发中心，政府要引导支持。第四，要提高企业的自主创新意识，增强自主创新能力。

最后，老子曾说：“有道无术，术尚可求也。有术无道，止于术。” 庄子曾说：“以道驭术，术必成。离道之术，术必衰。”。这两句话将科学规律和技术的关系，表达得淋漓尽致。

培育创新能力

培育创新能力，对于一个单位、科学家、工程师、学生都是重要的，关键是人。第一要遵循客观规律，尤其是发现规律，开发技术，实际应用特别重要，要把关系处理好；第二要修炼内在的素质，勤奋，有好奇心，有创新精神，要渐进，不要浮躁，有远大志向；第三要凝聚驱动的力量，驱动的力量非常重要的是兴趣，要有兴趣来做这件事，只有产生兴趣才能做得最好；第四要有责任的驱动，我们是人，有精神的驱动，责任的驱动；最后要培养一种极致的精神，就是精益求精，一丝不苟。

结语

每一位院士都是中国科学界的栋梁，中国科技领域的中流砥柱，对科学技术的发展有着高屋建瓴的见解，也引领者我们国家最前沿科学的发展方向。

从褚君浩院士的报告中，多次强调传感器在第四次工业革命中的重要作用，也是中国迈入智能时代的核心技术。然而我国传感器产业羸弱，核心技术掌握不多，是整个中国传感器产业亟需改变的现状。