一种大尺寸SnSe2单晶及基于其光热电效应的传感器阵列和应用

本发明涉及一种红外传感器件，尤其涉及一种大尺寸snse2单晶及基于其光热电效应的传感器阵列和应用。

背景技术：

1、非接触手势识别在人机交互、智能控制、可穿戴电子等领域具有重要应用。目前，常用的非接触手势识别技术主要包括基于光学摄像头的视觉识别和基于主动红外光源的光学识别等主动式传感。

2、然而，基于摄像头的识别技术容易受到环境光的影响，而基于主动红外光源的方案需要外加发射器，系统功耗高，结构复杂，不利于低功耗低成本集成。因此，开发一种无需主动照明、结构简单、成本低、易于集成，并能够对人体弱热辐射信号进行稳定探测和识别的非接触手势识别器件，成为当前智能感知与人机交互领域需解决的技术问题。snse2材料因其光热电响应特性，被认为具有用于红外传感器件的潜力。然而，现有研究主要集中于晶体生长、材料物性及单器件光电探测，基于大尺寸snse2单晶构建光热电传感阵列，并利用人体自身红外热辐射实现空间感知和非接触手势识别仍有待进一步研究。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种大尺寸snse2单晶及基于其光热电效应的传感器阵列和应用，并利用该单晶构建基于光热电效应的传感器阵列，实现对红外热辐射信号的被动探测以及非接触手势识别，解决现有技术中非接触手势识别系统依赖主动光源或外加偏压、功耗高、结构复杂、成本高的问题。

2、技术方案：本发明所述的大尺寸snse2单晶由化学气相输运法生长制得，呈现片状，表面平整，尺寸达到厘米级别，可作为光热电传感单元的功能材料。在红外辐射下能够在材料内部形成温度梯度并基于塞贝克效应产生电信号。

3、进一步的，所述的snse2单晶采用化学气相输运法制备，以真空密封的石英管为生长容器，通过调控源区温度和生长区温度，使生长温度保持在400~600℃，并形成50~100℃的温度梯度，保温生长并冷却后得到大尺寸snse2单晶。

4、本发明还提供一种基于上述snse2单晶的光热电传感器阵列，所述传感器阵列包括衬底、设置于所述衬底上的多个光热电传感单元，每个所述光热电传感单元包括由所述大尺寸snse2单晶分割得到的snse2单晶以及设置于其两端的电极。所述电极包括但不限于au、pt、ag等。

5、进一步的，所述snse2单晶采用单侧支撑结构，其一端与低热导率衬底接触，另一端悬空。

6、进一步的，所述传感器阵列为二维矩阵排布。

7、进一步的，所述传感器阵列的阵列规模为n×n，其中n为大于等于2的整数。作为其中一种实施方式，snse2光热电传感阵列可以是4×4，并不限于4×4，理论上可根据应用需求进行扩展。阵列规模的变化主要涉及传感单元数量和矩阵排布变化，其工作原理与4×4阵列一致。从工作原理来看，增加阵列单元数量能够提高红外热辐射空间采样密度，获得更多空间分布信息，有利于提取更丰富的特征（如响应强度分布、热点位置、运动轨迹等），从而适用于更复杂的目标识别和人机交互场景。阵列规模也可以是8×8、16×16等等，同时阵列规模增加也会带来信号采集通道数量增加、数据处理复杂度提高以及系统集成难度增加等问题，可根据实际需要进行权衡。

8、本发明还提供了上述基于snse2单晶构建的光热电传感器阵列在人机交互和非接触手势识别中的应用，所述传感器阵列用于接收人体手部运动过程中产生的红外热辐射信号，并输出相应的多通道电信号。

9、工作原理：snse2单晶具有较大的塞贝克系数、较低的热导率以及良好的红外吸收能力，适合作为基于光热电效应的红外传感材料。其中，大尺寸snse2单晶能够提供连续完整的有效加工区域，可由同一单晶获得多个传感单元，有利于提高阵列器件加工的一致性和集成便利性。将snse2单晶设置为单侧支撑结构，使其部分区域与衬底接触，另一部分区域悬空，从而使晶体不同区域具有不同的热耗散条件。当晶体接收到人体或其他目标物体发出的红外热辐射信号时，受辐照区域温度升高，并在材料内部形成温度梯度，在塞贝克效应作用下产生电压信号，从而实现对目标红外热辐射的被动探测。本方案无需主动照明和外加偏压，仅依赖目标本身的热辐射即可获取信号，具有低功耗、结构简单的特点。进一步地，构建由多个snse2光热电传感单元组成的传感器阵列。由于人体手部在不同空间位置和运动状态下产生的红外热辐射分布不同，阵列中不同位置的传感单元将产生不同的响应信号，从而获得具有空间分布和时间演化特征的阵列电压信号。该阵列输出信号能够表征手部运动轨迹、方向及动态变化过程。结合后续信号采集与处理，可从阵列响应中提取手势相关特征，实现对非接触动态手势的识别。

10、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

11、1、采用大尺寸高质量snse2单晶作为光热电红外传感材料，相比传统小尺寸晶体，可提高阵列器件加工一致性；

12、2、基于大尺寸snse2单晶构建的传感器阵列可实现对人体弱热辐射信号的被动探测，无需主动照明或外加红外发射源，具有低功耗、非接触的优点；

13、3、本发明制备的snse2光热电传感器在10.6 μm红外辐射下具有0.2 v·w-1的响应度以及0.6×107 jones的探测度，能够实现长波红外辐射探测；

14、4、构建的传感器阵列器件结构简单、制作成本低、便于阵列化制备和集成；

15、5、可广泛应用于非接触手势识别、智能控制、人机交互等领域。

1.一种大尺寸snse2单晶，其特征在于，所述大尺寸单晶由化学气相输运法生长制得，呈现片状，表面平整，尺寸面积为1平方厘米以上，在红外辐射下能够在材料内部形成温度梯度并产生电信号。

2.根据权利要求1所述的snse2单晶，其特征在于，所述snse2单晶以真空密封的石英管为生长容器，在400~600 ℃的温区中，50~100 ℃的温差下，通过化学气相输运方法生长得到。

3.一种传感器阵列，其特征在于，包括多个光热电传感单元，每个光热电传感单元包括由权利要求1所述大尺寸snse2单晶分割得到的snse2单晶，以及设置于该snse2单晶两端的电极。

4.根据权利要求3所述的传感器阵列，其特征在于，还包括衬底，所述多个光热电传感单元设置于所述衬底上。

5.根据权利要求3所述的传感器阵列，其特征在于，所述电极为金属电极，通过蒸镀、溅射、转移印刷或导电胶连接方式设置于snse2单晶的两端。

6.根据权利要求3所述的传感器阵列，其特征在于，所述衬底为低热导率衬底，所述光热电传感单元中的snse2单晶采用单侧支撑结构，其一端与衬底接触，另一端悬空，以降低热扩散损耗。

7.根据权利要求3所述的传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列的阵列规模为n×n，其中n为大于等于2的整数。

8.一种权利要求3所述传感器阵列在非接触手势识别中的应用，其特征在于，所述传感器阵列用于接收人体手部运动过程中产生的红外热辐射信号，并输出相应的多通道电信号，将电信号输入外部信号采集与处理模块，以实现对非接触手势的识别。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述外部信号采集与处理模块用于对所述多通道电信号进行特征提取，所述特征提取包括阵列响应强度分布、热点区域位置、质心运动轨迹中的一种或多种。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述非接触手势识别包括字符手势和方向指令手势中的一种或多种，识别结果用于字符输入、智能控制或人机交互。