一種基于硅光子芯片的光機(jī)械超聲傳感器，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，全球領(lǐng)先的納米電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心imec，提出了一種基于硅光子芯片的光機(jī)械超聲傳感器，得益于創(chuàng)新的光機(jī)械波導(dǎo)，該傳感器具有前所未有的靈敏度。憑借這種高靈敏度波導(dǎo)，其20 μm小型傳感器的檢測(cè)限優(yōu)于同尺寸壓電元件兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該傳感器的低檢測(cè)限使得超聲和光聲成像在臨床和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用成為可能，例如：深部組織X光攝影，以及潛在腫瘤組織的血管形成或神經(jīng)支配研究等。

新型光機(jī)械超聲傳感器概念和創(chuàng)新的分脊（split-rib）波導(dǎo)

斷層掃描超聲和光聲成像利用超聲傳感器陣列構(gòu)建二維或三維圖像。然而，即使目前最先進(jìn)的壓電超聲傳感器也有其局限性。

首先，檢測(cè)限與傳感器的尺寸成反比，這是小波長(zhǎng)高分辨率成像需要面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。高分辨率圖像需要小尺寸壓電傳感器，這些傳感器本質(zhì)上具有較高的檢測(cè)限，從而導(dǎo)致圖像噪聲。其次，壓電傳感器依靠機(jī)械諧振來(lái)增強(qiáng)信號(hào)的振幅。這意味著它們要在諧振頻率附近的小范圍內(nèi)工作，以避免高檢測(cè)限。最后，壓電傳感器矩陣對(duì)于每個(gè)傳感元件都需要一根導(dǎo)線連接，從而阻礙了醫(yī)學(xué)導(dǎo)管等應(yīng)用。

專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的CMOS制造工藝

“我們展示的這款創(chuàng)新型傳感器，將成為皮膚或大腦等生物組織深層成像的突破性技術(shù)。對(duì)于皮下黑色素瘤成像或乳房X光攝影等應(yīng)用，它可以更詳細(xì)地查看腫瘤和周?chē)难苄纬桑兄诟鼫?zhǔn)確的診斷。”imec基于波的傳感器和執(zhí)行器研究員Xavier Rottenberg說(shuō)。

imec的解決方案基于一種CMOS兼容新工藝制作的高靈敏度分脊光機(jī)械波導(dǎo)。其靈敏度比目前最先進(jìn)的器件高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。低檢測(cè)限可以改善超聲應(yīng)用中成像分辨率和深度之間的權(quán)衡，這對(duì)于光聲成像來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，光聲成像的壓力比傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)低了三個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，它還可以實(shí)現(xiàn)貫穿顱骨的功能性大腦成像等低壓應(yīng)用，此前這類(lèi)應(yīng)用會(huì)受到顱骨的強(qiáng)超聲衰減影響。

最后，這些微型傳感器（20 μm）的精細(xì)間距（30 μm）矩陣可以很容易地與光子多路復(fù)用器集成在芯片上。得益于這種傳感器矩陣只需要很少的光纖連接，而不像傳統(tǒng)壓電傳感器中每個(gè)元件都需要一個(gè)電氣連接，為微型導(dǎo)管等新應(yīng)用開(kāi)辟了可能性。
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