一种用于超声探测的亚微米绝缘体上硅谐振器

来源：两江科技评论

导读

超声波探测器使用高频声波对物体进行成像和距离测量，但这些测量的分辨率往往受到探测元件物理尺寸的限制。尽管点状宽带超声检测可以大大提高超声成像和光声成像的分辨率，但目前的超声探头，如医学成像的探头，还无法完全实现小型化。压电传感器的灵敏度会随着尺寸的减小而呈二次方衰减，而光学微环谐振器和法布里-珀罗(Fabry-Perot)标准具也无法充分地将光限制在小于50微米的范围内。虽然微加工方法已被用于制造电容和压电传感器阵列，但其带宽仅为几兆赫兹，尺寸超过70微米。近日，德国慕尼黑工业大学Rami Shnaiderman和Vasilis Ntziachristos等人引入广泛使用的绝缘体上硅技术（silicon-on-insulator,SOI），开发出一种微型超声波探测器—点状硅波导标准具检测器(SWED)，其性能大大超过了以往设计的超声传感器。该工作以“A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection”为题发表在《Nature》上。

研究背景

使用光学方法的超声波探测比用传统压电方法检测具有本质上的优势，因为检测器可以在保证小型化的同时而不牺牲灵敏度。一个常见的例子是在一个光纤波导中嵌入一个Π相移布拉格光栅用于光学干涉测量。在这种结构中，超声波扰动了建立在两个布拉格光栅之间的光腔的长度和折射率，改变了谐振特性。然而，大传感长度(100~300 μm)和窄带宽(10~30 MHz)不允许点样检测，这也限制了其分辨率和微型化的潜力。其它谐振器的设计包括聚合物微环或法布里·佩罗标准具，但光约束的要求使得其尺寸要控制在几十微米以内，这进一步阻碍了朝向小型化的发展。

创新研究

在这篇报道工作中，该微型超声波探测器的感应面积只有220 nm×500 nm，比最小的聚合物微环检测器小4个数量级，比细胞和毛细血管的直径小4个数量级。研究结果表明，基于绝缘体上硅的光学谐振器设计的单位面积灵敏度比微环谐振器高1000倍，比压电探测器高100,000,000倍。同时，该设计还具备超宽的检测带宽特点，在-6 dB时达到230兆赫兹。除了使探测器适合在非常密集的阵列中制造外，研究人员还表明亚微米传感区域能够实现超分辨率的探测和成像性能。此外，作为实验论证，研究人员演示了比超声检测波长小50倍的特征的成像。

图文速览

图1. SWED设计与工作原理。a,SWED读出系统。b,单SWED示意图。c,四个SOI芯片，每个芯片由八个SWED组成的照片图。d,垂直于SWED光轴的SOI芯片亮场显微图（比例尺，20 μm）。e,在应用Ag涂覆层之前沿SWED光轴方向拍摄的SOI芯片的亮场显微照片(比例尺，20 μm)。f, 1 μm×1 μm区域电场的水平分量的归一化剖面图。白线为波导和氧化硅衬底的边界。

图2. SWED表征。a,四个不同间隔长度SWED的光反射谱。b,在一个宽频超声点源的激励下，SWED的时间响应谱。c,b中信号的响应谱。d,SWED340 nm（蓝线）和SWED330 nm的光反射谱。e,超声源的激励下，d中的SWED的时间响应。f,g,宽带超声点源激励下，通过线性扫描SWED获得的SWED340 nm空间响应。h, 通过宽带超声点源扫描水听器，获得直径为0.5 mm的针式水听器的空间响应。

图3. 远场和近场光声成像。a,聚苯乙烯缝合线的远场成像图(黑色)。b,用SWED4对缝合线进行远场B扫描图。c,缝合线的近场成像图。d, 用SWED4对缝合线进行近场B扫描图。e,对1951年美国空军（USAF）分辨率测试目标上面的数字“6”进行远场成像。f,用SWED4获得的标记在远场进行最大强度投影和重构后形成的图像。g,具有同样标记的近场成像。h,仅用SWED4采集的近场信号的最大强度投影形成的图像。i,j, f和h归一化强度的比较。k,由光学共聚焦显微镜获得的金六角形网格图像。l,近场扫描得到相同的六边形网格图像。m,放大l中被白色虚线框包围的部分。n,比较k和m中沿虚线方向的归一化强度。o,用SWED4在近场(蓝色)和共焦显微镜(红色)上获得的分辨率测试目标边缘的边缘扩展函数。p,SWED4（蓝色）和共聚焦显微镜（红色）的点扩散函数。注：SWED4:间隔长度为3.5 μm的SWED。

总结

实验通过制备几种不同检测带宽的SWED来展示了检测器和SOI平台设计的灵活性，实现了高达230 MHz的带宽，并能够按需将其移动80 MHz以上，而不降低每个频带中SWED的相对灵敏度。此外，研究人员还演示了一个由8个SWED组成的线阵，一维探测密度为每毫米100个探测器，二维探测密度为每平方毫米125个探测器。与最先进的压电阵列(每平方毫米9.5个探测器)和电容式微机械超声传感器阵列(每平方毫米2.5个探测器)相比，该设计实现了一个数量级的提升。此外，SOI技术具备的高通量、可伸缩的半导体制造特性意味着探测器可以大规模生产。相比之下，聚合物微阵列的制造难度较大，而且由于聚合物平台的弱光约束，可能导致器件体积大，集成密度有限。同样，基于聚焦光束的超声探测器一般比较笨重和昂贵，因为它们通常需要高精密的光学系统。因此，它们不适合小型化。总之，这项研究结果表明，该探测器可以实现超声波探测技术的超小型化，使超声波成像的分辨率可以与光学显微镜的分辨率相媲美，并有可能在硅芯片上开发非常致密的超声波探测阵列。