感測器：感知世界

我們人類有皮膚，眼睛，耳朵，鼻子這些器官可以幫助我們「感知」周圍的世界。而在工業界中，也有一套被稱為感測器的技術，可以從我們所生活的這個物理世界，提取出信息來。之後這些信息，可以被用於，工業技術的自動化，智能化。

感測器的思想內核其實非常簡單：從物理世界，提取信息（一般是電信號）。一般來說，現代意義上的感測器技術基本都是在第二次工業革命（電氣化革命）以後才慢慢出現的。在目前，感測器技術已經有了一個非常龐大的家族。比如光電感測器，壓電感測器，熱電感測器，生物感測器等等。這些技術目前已經在工業界扮演了非常重要的角色。

感測器中，有幾種非常典型的例子。我在這個系列裡也會著重對這幾種感測器進行介紹。而這些感測器技術的背後往往隱藏著非常精巧的物理學原理。那便是：光電感測器，壓電感測器和熱電感測器。當然目前也有許許多多其他的感測器。比如化學感測器（舉個例子，那種手持式的可以檢測空氣中甲醛含量的儀器等等），電化學感測器和生物感測器等等。這些一般依賴的是化學以及生物方面的理論；我對此並不熟悉，但並不代表這些技術不重要；包括最近還有一些更為強悍的技術。比如微流控生物晶元等等。這些我不太熟悉。如果有興趣的朋友不妨去閱讀相關的資料。

我在文章中盡量不使用水平會超過大學微積分的數學推導。嗯，或許壓電的問題需要用一點張量？但是我會努力用，接近線性代數的水平把它講清楚。而且您學一點張量不是壞事。現在連自然語言處理，和文本數據挖掘都在用張量分析了。張量的英文叫tensor。這種數學工具，被廣泛應用於相對論，壓電陶瓷，理論力學以及大數據的研究中。題外話：您現在明白，谷歌的tensorflow的「tensor」是怎麼來的了吧？

1. 光電感測器

首先我們來討論第一個話題：什麼是光電感測器技術。

光電感測器技術的理論基礎就是非常著名的光電效應（Photoelectric effect）。值得一提的是這個現象的解釋是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的原因。當然，從物理學發展史的角度來說，這個技術的意義在於驗證了光的波粒二象性（如果你想說的嚴謹一點，對波粒二象性的最終證實有很大影響）。註：不與民科辯論，如有民科發言立即拉黑。

我盡量把這玩意寫的非常accessible。當然了，我自己覺得我寫science和technology是寫的，比較能夠讓人看明白的，甚至那些不是學STEM的人。同時學STEM的人恐怕往往也不會覺得這玩意很淺。

那麼什麼是光的波粒二象性呢？光的波粒二象性=光既有粒子性+光又有波動性。傳統上（在20世紀以前）人們普遍認為光只具有波動性。通過從波動的角度解釋光，人們成功的解釋了一系列關於光的現象。比如，干涉，衍射，折射，散射等等。這也創造了一個非常輝煌的領域：波動光學。也在波動光學的基礎上，人類提出了很多非常偉大的技術。比如照相機等等。但是，在20世紀，一系列的物理現象（光電效應最為典型）被發現。這個時候，你用傳統的純粹的，波動理論是解釋不了的。所以人們就要用，粒子光學來解釋這些問題。後來就產生了著名的量子光學。在這個上面，也有許多非常偉大的技術。比如激光原理（Laser）等等。

實際上光電效應的現象在19世紀末的時候已經被德國物理學家赫茲發現。這個現象很有意思。有一些物質。一般來說都是一些金屬材料或者半導體材料。當然，那個時候並不存在「半導體」這個概念。真正把半導體是什麼東西解釋清楚是20世紀中葉能帶理論做的比較成熟以後的事情。用光照射這些金屬材料或者半導體材料可以產生電流。而產生的電流有一個非常神奇的特點。只和光的頻率有關。而與光照強度沒有關係。而如果光的頻率高於某個特徵頻率的話（被稱為極限頻率），不管光的強度多低，都會產生光生電流。這個問題你如果用純粹的波動理論是無法解釋的（如果光只是波的話，肯定是你所加的光照強度越大則產生電流越大）。當時赫茲只是記錄了這個現象，沒有拿出一個明確的解釋。不過後來，愛因斯坦對這個問題進行了非常成功的解釋。

這個解釋是這樣的。只要認為，光的能量是量子化的那麼這個問題就能說清楚了。也就是說，光並不是一個連續的波（如果是連續的波那麼很顯然其能量應該是連續的），而是一個，不連續的，一份一份的能量。愛因斯坦當時還非常大膽的猜測，這種能量與光的頻率成正比。也就是說，光的頻率越高，則能量越大（當然，這個目前已經是被普遍接受的了）:

E=hv（h是普朗克常數，v是光的頻率）

而引入能量守恆的觀點這個問題也就可以說清楚了。我們向金屬或者半導體發射光的過程，本質上是一個輸入能量的過程。在理想模型的條件下（這個模型已經是非常簡化的了，我本科畢業設計的課題就和這個問題有關。我所談的是如何用金屬薄膜覆蓋在半導體器件上以降低光的反射以增大半導體器件都光電轉化效率）假設金屬全部吸收了入射的光的能量，那麼這部分能量就會被轉化為兩個部分。一個是「逸出功，」也就是電子要形成電流，用來脫離自己所在原子的原子軌道的能量。另一部分就是形成表面電流以後，這些表面電流所攜帶的能量。

在當時，量子力學和原子結構模型並沒有被完全建立。這些其實是愛因斯坦當時非常偉大的猜想。不過，這套理論後來也紛紛在各種實驗中得到了完全的證實。這套理論直到目前，也被認為是正確無誤的。

那麼，有了這個理論，我們自然就可以藉此來設計基於光信號-電信號轉化的過程，來測量光的變化，或者電的變化的感測器了（類似於，計算機工程里，你用數據挖掘演算法設計推薦系統）。當然目前來說電的變化是最好測量的。所以人們一般是用這種思路來測量光的變化。

我們知道光照射在某些材料的表面會產生電流（光電效應）。而不同特徵的光照射在金屬材料的表面，自然會產生，不同特徵的電流（這個地方理論非常複雜，不是我幾句話就能說清的，建議去參考任何一本關於光電感測器的教科書，一般分為三個大類：外光電內光電和光生伏打）。我們自然可以反向運算光的特徵了。

這種思路在科學中是經常會被用到的。但是他往往，是具有一定的局限性的。沒有任何感測器是完美的。舉個例子。假如問題中光的頻率就低於材料的極限頻率。那麼很顯然這個問題你無法用這種感測器去解決。

2. 壓電感測器

第二種非常有意思的感測器技術，叫做壓電感測器。它可以將力學信號，轉化為電學信號。而這套技術的背後，也有一個，非常有意思的物理學理論。那便是著名的壓電效應。

3.熱電感測器