【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，大連化物所二維熱電材料研究組(DNL2104組)陸曉偉副研究員、姜鵬研究員、包信和院士團(tuán)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(jī)交互系統(tǒng)中的應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。
 

　　人體自發(fā)熱輻射主要位于長波紅外(8至14μm)波段，呈現(xiàn)出光子能量低(~0.1 eV)、光強(qiáng)弱(~5 mw/cm2)等特點(diǎn)。實(shí)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(jī)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(diǎn)。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(jī)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。
 

　　本工作中，該研究團(tuán)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)(-737μV/K)與CuNi高的電導(dǎo)率(5×105S/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)13mV，相比商業(yè)熱電堆有數(shù)量級的提升。通過進(jìn)一步構(gòu)建熱電堆陣列，團(tuán)隊還實(shí)現(xiàn)了實(shí)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(jī)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(shí)際應(yīng)用價值。
 

　　相關(guān)研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊、我所創(chuàng)新基金等項目的資助。(文/圖 郭曉晗、陸曉偉)