硅光子学中灵敏、小型、宽带和可扩展的光机械超声传感器

       利用断层超声和光声成像，使用超声传感器矩阵，可以在超声传感器没有机械运动的情况下重建二维(2D)或三维(3D)图像。这种矩阵或阵列是临床超声和商业临床前光声学的标准这些传感器矩阵也在最近的学术进展中得到应用，如高帧频成像和超分辨率成像。这种断层成像依赖于许多(约100-10000)个小(大约为声波波长的一半)超声波传感器的矩阵。然而，最先进的大块压电传感器有局限性。首先，检测极限(表示为噪声等效压力，NEP)与传感器尺寸成近似反比。特别是对于具有小声学波长的高分辨率成像，这强加了不期望的高压力检测极限，这将导致噪声图像。第二，压电传感器依靠其机械共振来增强信号幅度。它们通常在谐振频率附近的有限带宽内使用，因为检测极限过高。第三，压电传感器矩阵需要一根电线(例如，一根同轴电缆)来连接每个传感器元件或数字化电子设备 (包括专用集成电路)，这阻碍了导管的应用，并大大提高了高端传感器的成本。新的应用要求传感器具有高灵敏度、宽带检测、小尺寸和到细间距矩阵的可扩展性。

       近日，来自比利时微电子研究中心的Wouter J. Westerveld和德国慕尼黑生物和医学成像研究所的Rami Shnaiderman等人展示了硅光子技术中的超声波传感器，由于创新的光学机械波导，该传感器具有极高的灵敏度。这种波导在两个可移动的部分之间有一个15 nm的微小空气间隙，这是他们使用新的CMOS兼容工艺制造的。在3–30 MHz的测量范围内，20 um小型传感器的噪声等效压力低于1.3 mPaHz-1/2，主要是声机械噪声。这比相同尺寸的压电元件要好两个数量级。所展示的具有片上光子多路复用器的传感器矩阵提供了小型化导管的前景，这种导管仅使用几根光纤来询问传感器矩阵，而不像压电传感器通常对每个元件使用电连接。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）

      文章链接：Wouter J. Westerveld et al. Sensitive, small, broadband and scalable optomechanical ultrasound sensor in silicon photonics. Nat. Photonics (2021). https://doi.org/10.1038/s41566-021-00776-0