近日，德国波恩大学的研究团队首次研制出一种可以被极度压缩的光量子气体。这一发现为研制新型传感器指明了方向，并提供了一个有助于在室温下研究奇异量子相的平台。
气体通常由在空间中高速旋转的原子或分子组成，并很容易被压缩。光与气体非常相似。光的最小组成成分是光子（即光量子），尽管光子的行为在某些方面表现得像粒子，但光子也可以被视为一种不同寻常的气体。此前，科学家通过理论预测人们能够在特定条件下毫不费力地压缩光量子气体。
此次，由波恩大学应用物理研究所(IAP)Martin Weitz教授带领的研究团队首次在实验中证明了前述理论预测，研制出能够被极度压缩的光量子气体。这一成果揭示了可被高度压缩的玻色-爱因斯坦凝聚态的形成。玻色-爱因斯坦凝聚态是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。相关成果发表在《科学》(Science)。
“为了做到这一点，我们把光量子储存在一个用镜子做成的小盒子里，”主要研究人员Julian Schmitt说，“我们放进去的光子越多，光子气体的密度就越大。”
通常情况下，气体密度越大，就越难压缩。起初，随着研究人员放入镜盒的光子越多，气体压缩愈加困难。但在某一时间点上，情况突然发生了变化：一旦光子气体超过了特定密度，研究人员就可以毫不费力地压缩它。
“这种效应源自于量子力学的规则。”Schmitt表示光粒子会表现出一种“模糊性”，即光子的位置变得逐渐模糊。当光子在高密度下彼此非常接近时，就会开始重叠，因此压缩这样的量子简并气体变得很容易。
如果重叠性足够大，光子会融合形成一种超级光子，即玻色-爱因斯坦凝聚态。这一过程可以类比作水的结冰：在液体状态下，水分子是无序的。但在冰点，冰晶会形成，最终合并成一个扩展的、高度有序的冰层。“有序冰岛”恰好在玻色-爱因斯坦凝聚态形成之前形成，随着光子的进一步增加，它们会变得越来越大。只有当这些“冰岛”有序延伸到包含光子的整个镜盒时，凝聚态才会形成。这就好比一个湖泊，独立的浮冰最终结合在一起，形成了一个统一的冰面。
为了创造一种具有可变粒子数和明确温度的气体，研究团队使用了一种“热浴”方法：将分子放入镜盒中，以吸收光子。随后，分子释放出新的光子，这些光子具有分子的平均温度，略低于26.85摄氏度，相当于室温。这一方法将有助于科学家在室温下研究奇异量子相。
此外，团队还克服了另一项实验障碍。由于光子气体的密度通常是不均匀的，研究人员采用一种微观结构的方法，利用一个平底镜盒来捕捉光子，首次成功研制出均匀的光量子气体。
未来，可极度压缩的光量子气体将有助于研发能够测量微小力的新型传感器，这项研究成果不仅具有技术前景，还具有重要的基础研究价值。
一、固态图象传感器（CCD）
其工作过程是：首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多象素点，这些象素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属栅上加正向电压UG，Si中的电子被吸引到衬底和SiO2的交界面上，空穴被排斥，于是在电极下形成一个表面带负电荷的耗尽区。
1.CCD的基本结构和原理
CCD的基本结构，是在N型或P型硅衬底上生成一层厚度约120nm的二氧化硅层，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形成MOS电容器阵列，最后加上输入和输出端便构成了CCD器件。CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即电荷的产生、存储和转移。
（1）电荷的产生、存储 构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以P型硅为例，金属电极和硅衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属电极（栅极）上加正向电压 G时，由此形成的电场穿过SiO2 薄层，吸引硅中的电子在Si―SiO2的界面上，而排斥Si－SiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时，Si－SiO2界面处的电势（称表面势 S）发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势 S的正值方向朝下，如图1-45b所示。当金属电极上所加的电压 G超过MOS晶体上开启电压时，Si－SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低，可以形象地说，半导体表面形成了电子势阱，习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。图示
当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子--空穴对。这时在栅极电压 G的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果 G持续时间不长，则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量，可作为该点光强的度量。
（2）电荷包的转移
若MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势 S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲 G，就可改变它们对应的MOS的表面势 S，亦即可改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。三个MOS电容器在三相交迭脉冲电压作用下，其电荷包耦合转移过程如图所示。
（3）电荷的输出（检测） CCD中电荷信号的输出方式有多种方法，浮置扩散放大器输出结构 如图所示。
2.CCD的应用
二、光纤传感器
光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的传感器。按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。功能型光纤传感器既起着传输光信号作用，又可作敏感元件；传光型光纤则仅起传输光信号作用。
1.光纤结构及传光原理
光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。纤芯由石英玻璃或塑料拉成，位于光纤中心，直径为5~75μm；纤芯外是包层，有一层或多层结构，总直径在100~200μm左右，包层材料一般为纯SiO2中掺微量杂质，其折射率 2略低于纤芯折射率 1；包层外面涂有涂料（即保护层），其作用是保护光纤不受损害，增强机械强度，保护层折射率 3远远大于 2。这种结构能将光波限制在纤芯中传输。全反射原理 光纤传播原理
2.光纤传感器的应用
1.记数装置 2.液位控制装置
3.光纤位移传感器 4.反射型光纤传感器
5.受抑全内反射型传感器 6.棱镜式全内反射型传感器
三、非晶态合金传感器
非晶态合金是70年代末发展起来的一种新型材料，具有非常独特的微观结构，其原子排列无规则，即长程无序；而邻近原子的数目和排列有规则，即短程有序；它没有晶态合金中常见的晶界缺陷，但整体上又有很高的缺陷密度，达10/以上。这种结构使得非晶态合金具有许多优异特性，而成为新一代功能材料，在电子、电力和机械等领域得到日益广泛的应用。
非晶态合金作为传感器的敏感材料，完成转换功能多与物理现象有关，属于物理敏感材料。目前发现它最主要的敏感功能是机械量、电学量和磁学量三者之间的相互转换及相互影响。
1.磁--机变换功能与传感器
磁致伸缩效应是用磁化使试件产生机械应变。铁基非晶态合金薄带具有高磁致伸缩特性，与光纤结合构成光纤Mach - Zehnder干涉型弱磁场传感器。除磁场检测外，可用非晶态合金磁致伸缩效应检测温度、距离和物位等物理量。
逆磁致伸缩效应是试件受机械应力后其磁化状态会发生变化。利用此效应可检测应力、应变、扭矩、冲击、声音、压力和振动等。
典型力传感器结构如图所示。图中非晶态合金做成电感线圈磁芯，当磁芯应力变化时，非晶态合金磁化率会发生变化，以致线圈电感发生变化，其电感量L与应力 有一定关系。
压力传感器 张力传感器
2.磁--电变换功能与传感器
非晶态合金的磁--电变换功能，主要指利用非晶态合金的物理效应将磁场参数变化转换成电量的功能。主要物理效应有电磁感应、霍尔效应和磁阻效应等。
电磁感应用法拉第电磁感应定律描述。设有一个磁感应强度为 的磁芯，其上绕有匝数为 N 的线圈，则线圈会感应出电动势式中
--穿过线圈的磁通量；
--磁芯的截面积；
--磁芯导磁率；
--磁场强度。
由上式可见：在恒定磁场偏置下，通过逆磁致伸缩效应把应力的变化转换成导磁率 的变化，再通过电磁感应转换成电动势变化，可做成力传感器；若材料导磁率 不随时间变化，可用来检测磁场变化，做成磁场传感器。
四、智能传感器
到目前为止，还尚未有统一的智能传感器定义。一般认为：传感器与微处理器结合并赋予人工智能的功能，又兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器。
传感器的发展方向包括1.开发新型传感器。2.开发新材料。3.新工艺的采用。4.集成化,多功能化。5.微型化,低功耗,智能化。
一、智能化，两种发展轨迹齐头并进
一个方向是多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，可全部或部分实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等特点。
二、可移动化，无线传感网技术应用加快
无线传感网技术的关键是克服节点资源限制（能源供应、计算及通信能力、存储空间等），并满足传感器网络扩展性、容错性等要求。该技术被美国麻省理工学院（MIT）的《技术评论》杂志评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。
三、微型化，MEMS传感器研发异军突起
随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，MEMS传感器将半导体加工工艺（如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等）引入传感器的生产制造，实现了规模化生产，并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。近年来，日本、美国、欧盟等在半导体器件、微系统及微观结构、速度测量、微系统加工方法/设备、麦克风/扬声器、水平/测距/陀螺仪、光刻制版工艺和材料性质的测定/分析等技术领域取得了重要进展。
四、集成化，多功能一体化传感器受关注
传感器集成化包括两类：一种是同类型多个传感器的集成，即同一功能的多个传感元件用集成工艺在同一平面上排列，组成线性传感器（如CCD图像传感器）。另一种是多功能一体化，如几种不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正，是当前传感器集成化发展的主要方向。
五、多样化，多种新型传感器的涌现
新型敏感材料是传感器的技术基础，材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。除了传统的半导体材料、光导纤维等，有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料等成为研发热点，生物传感器、光纤传感器、气敏传感器、数字传感器等新型传感器加快涌现。
味觉传感器，是模仿人类五感中的味觉而研制的一类传感器。模仿人类五感而开发的传感器可以应用在仿生机器人制造中，与视觉传感器、听觉传感器相比，味觉传感器不是仿生机器人的必备传感器，但其在食品、医药等领域发挥的作用将越来越重要。
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