非接触式交互技术提供了一种智能解决方案，以缓解新冠肺炎（COVID-19）时代交叉感染带来的公共健康风险。利用人体辐射作为刺激源有助于实现低功耗、鲁棒的非接触式人机交互（HMI）。人体自发热辐射主要位于长波红外（LWIR，8-14μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1eV）、光强弱（~5mw/cm2）等特点，这对光电探测性能提出了高要求。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院大连化学物理研究所（简称“大连化物所”）二维热电材料研究组（DNL210组）的陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在Advanced Materials期刊上发表了题为“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”的最新论文，该团队研制出了一种高灵敏度长波红外探测器，实现了低功耗、非接触式人机交互。该研究为开发低功耗、非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能（AI）技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。
作为一种热敏型探测器，光热电（PTE）探测器以其在非制冷和自供电工作模式下的宽带光谱响应而闻名，这涉及两个独立的能量转换过程：光热转换和热电转换。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构来倍增电压信号，需要复杂的微机电系统（MEMS）加工制备工艺。当它在探测人体微弱热辐射时，由于其输出电压相对较小（数十至数百微伏左右），通常需要附加一个高信噪比的采集电路。
在本论文研究中，该团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737μV/K）与CuNi高的电导率（5×105S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为实现具有可靠刺激源和低功耗的非接触式人机界面系统提供了一种有效的策略，在医学和人工智能领域具有广阔的应用前景。
图1 基于SrTiO3-x/CuNi异质结构热电堆的人体辐射检测
图2 基于SrTiO3-x/CuNi异质结构热电堆阵列及其人机交互
上述研究工作得到国家自然科学基金（62105332）、中国科学院创新交叉团队（JCTD-2019-08）、大连化物所创新基金（DICP I202037, DICP I201929）等项目的资助。
https://doi.org/10.1002/adma.202204355
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
