突破限制！非接觸人機交互系統(tǒng)應(yīng)用獲進展

近日，中科院大連化學(xué)物理研究所副研究員陸曉偉、研究員姜鵬、包信和院士團隊在高靈敏、低功耗人體紅外熱輻射探測器研制及其在非接觸人機交互系統(tǒng)中的應(yīng)用方面取得新進展。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》上。

人體自發(fā)熱輻射主要位于長波紅外波段，呈現(xiàn)出光子能量低、光強弱等特點。實現(xiàn)人體紅外熱輻射的高靈敏探測，對構(gòu)建低功耗、非接觸人機交互系統(tǒng)具有重要意義。作為一種熱敏型探測器，光熱電探測器是基于光熱轉(zhuǎn)換、熱電轉(zhuǎn)換兩個能量轉(zhuǎn)換過程，具有光譜響應(yīng)范圍寬、無需制冷、功耗低等優(yōu)點。目前，商業(yè)的光熱電探測器通常采用分立式的熱電堆結(jié)構(gòu)，需要復(fù)雜的MEMS微機械加工制備工藝，且在探測人體熱輻射時，其輸出電壓相對較小（數(shù)十至數(shù)百微伏），需要額外的高信噪比信號采集電路。

該工作中，研究團隊突破傳統(tǒng)熱電堆材料和構(gòu)架的限制，構(gòu)建了基于SrTiO3-x/CuNi異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)的一體式熱電堆。該異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)一方面將SrTiO3-x高的Seebeck系數(shù)（-737 μV/K）與CuNi高的電導(dǎo)率（5×105 S/m）協(xié)同耦合，在降低器件內(nèi)阻的同時，可保持高的電壓輸出；另一方面，通過結(jié)合聲子共振吸收和自由載流子吸收，該異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出優(yōu)異的吸光能力，其在長波紅外波段的吸光率最高可達(dá)98%。結(jié)合這些優(yōu)勢，基于SrTiO3-x/CuNi的熱電堆在探測人體輻射時展現(xiàn)出高靈敏度、低噪音、高穩(wěn)定性等特征，其輸出電壓最高可達(dá)13 mV，相比商業(yè)熱電堆有數(shù)量級的提升。通過進一步構(gòu)建熱電堆陣列，團隊還實現(xiàn)了實時手勢識別、非接觸式數(shù)字/字母輸入等功能。

該研究為開發(fā)低功耗非接觸人機交互系統(tǒng)提供了新思路，在人工智能技術(shù)、公共衛(wèi)生安全領(lǐng)域具有廣闊的實際應(yīng)用價值。