现代传感技术在信息科学中的地位

［摘 要］信息是物质运动本身的属性。通过大自然发出的信息理解宇宙，发现自然规律，是科学永恒的主题。现代信息科学技术使人们能够超越感觉器官和神经系统的生理极限，以前所未有的方式获取自然的信息。文章阐述了信息对科学发展的决定性意义，论述了传感器产生的物理学背景和学科涵义，概括地介绍了人类探寻科学信息的某些前沿 人类通过大自然发出的信息了解物质世界的属性和规律。获取与诠释这种信息的能力，使人们能够理解宇宙。信息是人类科学活动的基础，在自然科学与工程技术领域，学科的前沿常常止步于难以获取信息的地方。 信息既不是物质，也不是能量。在物理学家眼中，信息是一种负熵。它们以物质和能量作为载体，人们通过对物质和能量特征差异性的研究得以了解它们。 自然界的许多种物质运动变化，能够通过不同途径直接或间接引起相应电学量的变化，人们通过对相应电荷、电流、电压、电阻、电容、电感、介电常数、导磁率、磁场、磁阻、电信号频率或相移、电脉冲信号的时间间隔或时序变化等等参数的测量，可以获得所关心的自然信息，有效地拓展了人类可能认知的自然信息范围。由于电信号能够以极高的速度沿着导线或通过电磁波传播，空间距离从此不再成为获取自然信息的障碍，人类获取自然信息的活动可以到达宇宙空间、大洋深处、原子内部。自然信息转换为电信号之后，可以与各种信号传输、处理系统衔接，构成具有多种功能的反馈控制系统，使以人为主体的多种操作控制系统发展成为由信息获得装置、信号传输处理系统和执行机构共同组成的各类自动化系统，深刻地改变人类在物质资料生产过程和其他许多领域中的活动方式。 20世纪电子学的诞生进一步增强了人们通过电信号获取自然信息的能力。电子学系统可以充分放大微弱的电信号，能够在背景噪声中识别所需要的信息，使人们能够观测自然现象的细微变化和差异，甚至能够获得单个电子或光子的信息。电子学改变了人们通过感觉器官识别电信号的方式，人们可以通过电子束产生的图像，发光二极管、液晶或等离子体辉光构成的数字，以及计算机控制的打印机获得清晰丰富的自然信息，克服了19世纪指针式仪表许多固有的缺陷。此外，许多电子器件本身可以成为获取自然信息的器件，例如半导体霍尔元件可以对磁场和电流做出反应，CCD电荷耦合器件能够以极高的分辨率识别快速变化的光信号，对还原性气体敏感的掺杂SnO2多晶半导体可以发现空气中微量的可燃气体，等等。光电子学提供的多种光敏器件能够非常方便地使光学信息转换成电学量，进一步扩大了通过电学手段获取自然信息的能力。 电子学使人们能够非常方便地利用波与物质的相互作用，通过分析物体发射的各种波的特性获取自然信息。利用电子学手段很容易激发产生用于获取信息所需要的电磁波、超声波和激光，也很容易探测波产生的各种效应。以这种方式获取自然信息，不会扰动被观测对象本身的运动状态，很少消耗被测系统的能量，信息真实度高，没有滞后，可以实现不接触测量。根据波束在不同路径中的传播时间，可以在多种空间尺度下获得物体的三维坐标信息，依据波束被散射或反射之后引起的频率变化，可以获得物体运动的速度信息。化学、核科学和生命科学的进展，不断创造使非电量和非光学参数转换为电量或光学参数的新方法，使很多从前无法获取的信息进入人们的视野。进入20世纪时，人类已经能够获取电量、发光强度和放射性的信息，7个基本物理量以及它们的衍生参数都可测量和计量。 基于物理学与相关自然科学的进展，通过电学手段或光学途径获取自然信息已经成为普遍采用的有效方法，人们泛指那些能够使自然信息转换成相应电信号或光信号的器件或装置为“传感器（Sensor）”，“传感器”已经成为人们获取自然信息的重要手段。 从理论上讲，自然界中存在的各种物质运动变化的因果关系，都可以作为设计传感器的依据。然而，作为实用的器件，传感器应该满足一些必需的条件：输出信号与被测对象之间具有唯一确定的因果关系，输出信号是被测对象参数的单值函数；输出信号具有尽可能宽的动态范围和良好的响应特性；输出信号具有足够高的分辨率，可以获得被测对象微小变化的信息；输出信号具有比较高的信号噪声比；对被测对象的扰动尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统原有的状态；输出信号能够与电子学系统或光学系统匹配，适于传输和处理；性能稳定，不受非测量参数因素的影响；便于加工制造；在许多情况下要求同一种传感器具有相同的特性，即具有可互换性。 在现代社会，获取自然信息已经成为几乎所有自然科学与工程技术领域共同的需求。随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化，传感器已经成为基础科学研究与现代技术相互融合的新领域，它汇集和包容多种学科的成果，成为人类探索活动最活跃的部分之一。现代传感器的发展趋势充分体现出这些特点。自然科学基础研究的新成果不断丰富传感器的设计思想，使传感器的探测对象范围扩大，不断超越经典传感器的技术局限，获取更多的信息；不同学科领域的交叉融合，加深了人们对更加复杂的自然现象因果关系的理解，通过多重参数转换获取信息，导致新的传感器出现；传感器探测的空间尺度同时向微观和宏观延伸；传感器的探测阈值降低，动态范围扩大，信噪比提高；仿生传感器引起人们更多的关注；微电子技术和微处理器融人传感器设计，使传感器微型化、智能化；新的材料和工艺使经典传感器出现新的技术特征，等等。 在现代信息科学技术中，传感器属于信息获得范畴，它与现代通信系统和信息处理系统共同构成现代信息科学技术的三大基石。在信息时代早期，人们主要关注人类社会自身活动信息（文字、图像、声音和数据）的传输和处理，传感器的发展居于次要地位。在相当长的一段时期，它们仅仅被当作是一类为专用设备配套的器件。随着工业、军事、医学和自然科学研究的进展，在越来越多的重要领域，传感器成为制约其发展的关键，在世纪之交引起了世界范围的广泛关注。 1991年3月，美国总统办公厅指定的“国家关键技术委员会”曾经向当时的布什总统提交报告，列举了22项对美国国家经济繁荣和国防安全至为重要的关键技术，其中第14项即为传感器技术。美国五角大楼国防研究与工程局吸取海湾战争中以美国为首的多国部队速战速决的经验，以及有感于20年内杀伤性武器如弹道导弹、巡航导弹、化学武器、生物武器和核弹等迅速扩散对美国构成的威胁，制定了“国防关键技术计划”，以确保美国武器装备的优势。计划规定在1992～1997年间，重点研究和开发21项关键性技术，第一项就是传感器技术。与此同时，日本和德国把传感器技术产业列为21世纪上半期直接影响经济发展的带头产业，希望以传感器技术带动和推进一系列新兴产业，在工业、医学、军事技术和自然科学研究方面取得持久的技术优势，在高技术世界市场占有尽可能大的份额。 获取新的科学信息、发现自然规律，是科学研究永恒的主题。近代科学诞生之后的200年间，物理学已经形成了自身的传统，任何理论都必须接受实验的检验，理论导出的结果必须与人们用科学手段获得的自然信息一致，准确的自然信息在科学发展中起着决定性作用。 人类活动每迈出新的一步，都会面临获取自然信息的新问题。在自然科学和工程技术领域前沿工作的人们，随时关注着新的科学发现和技术发明，以创造性的智慧努力使它们用于获取更多的信息。 步入20世纪之后，人类获取自然信息的方式发生了微妙的变化。科学家不再满足于被动地观察分析自然界已有的信息，更喜欢创造自然界不曾有过的环境和条件，使大自然泄露自己的秘密。这种“强迫”大自然产生信息的做法，常常能够获得意外的收获，甚至成为推动学科前进的主要方法。 1930年，德国物理学家泡利（1900～1958）提出了中微子的概念，可以满意地解释β衰变时β电子能量连续分布的难题。他提出：“原子核中可能存在一种自旋为1／2，服从不相容原理的电中性粒子。”他推断β衰变中失踪的能量有可能是这种察觉不到的电中性粒子带走的。1934年，科学家曾经计算过，要把放射性核在β衰变中产生的中微子阻留在液氢中，需要厚度为1000光年的液氢。 面对这种无法研究的问题，1953年，在美国洛斯阿拉莫斯实验室的莱因斯提出，利用核反应堆大通量辐射产生强中微子流，使单粒子长程小概率事件转换为粒子群短程高概率事件，亿亿个中微子通过1m厚的物质有可能被截留。他们用含氯化镉的400L水作靶，通过闪烁计数器观察到相距1μs先后出现的两个光子。第一个光子是中微子在水中与质子碰撞产生的正电子与电子相遇湮灭产生的，第2个光子是中微子与质子碰撞产生的中子被镉吸收后产生的。它们出现的时序关系与理论计算符合，人类第一次通过实验证实电子中微子的存在。 根据自然界物质形态的微小差异，人们发明了确定古代生命活动时间坐标的方法。20世纪中期，美国化学家利比教授发现，地球大气圈CO2中存在着一定比例碳的同位素C14，它的原子核由6个质子和8个中子构成，这种同位素半衰期为5700年。大气圈中的氮原子在宇宙辐射的作用下，部分原子核中1个中子发生正β衰变，由N14变成C14，它的化学性质与C12相同。当宇宙辐射产生的C14和自身的衰变达到平衡时，C12与C14保持恒定的比例。大气圈中CO2是构成食物链最基础的成份，通过光合作用，植物使CO2和H2O变成有机质，成为植物自身的组分和食草动物的食料，食草动物又是食肉动物的食料。一切活着的生物体内C14和C12比例与大气圈中CO2中的比例相同。当生物死亡之后，大气圈中CO2中的C不再进入机体，这种平衡被打破，只存在单纯的C14衰变过程，C14含量按指数规律递减，每过5700年C14含量减少一半。根据考古学家获得的古代生物遗存（包括古代火的灰烬中的炭粒）中C14和C12的比例，可以直接判定样品生物死亡的时间。这项发明已经成为考古学（特别是史前考古）广泛采用的断代方法，有助于人们了解自己祖先真实的历史轨迹。