研究人员研制出世界上最小的超声波探测器

赫尔姆霍尔茨·曾特鲁姆·明琴和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员研制出了世界上最小的超声波探测器。它基于硅芯片顶部的小型光子电路。新的探测器的尺寸比普通人的头发小100倍，可以可视化比以前小得多的特征，从而实现所谓的超分辨率成像。

自20世纪50年代医学超声成像技术发展以来，超声波的核心检测技术主要集中在使用压电检测器，该检测器将超声波的压力转换为电压。用超声波获得的成像分辨率取决于所用压电检测器的尺寸。减小此尺寸将导致更高的分辨率，并可以提供更小，密集排列的一维或二维超声阵列，具有更高的辨别成像组织或材料中特征的能力。但是，进一步减小压电检测器的尺寸会极大地削弱其灵敏度，从而使其无法用于实际应用。

硅芯片（约 3 毫米 x 6 毫米），带多个探测器。芯片表面的细黑色雕刻是光子电路连接探测器（肉眼看不到）。在背面，硅晶片上有较大规模的光子电路。

使用计算机芯片技术制造光学超声波探测器

硅光子技术被广泛用于使光学组件小型化并将它们密集地封装在硅芯片的小表面上。尽管硅不表现出任何压电性，但是其将光限制在小于光波长的尺寸的光的能力已被广泛用于开发微型光子电路。

Helmholtz Zentrum Mu?nchen和TUM的研究人员利用这些小型化光子电路的优势，建造了世界上最小的超声波探测器：硅波导标准具探测器或SWED。SWED可以监控通过微型光子电路传播的光强度的变化，而不是记录压电晶体的电压。

SWED的开发人员Rami Shnaiderman说：“这是第一次使用小于血细胞大小的检测器通过硅光子技术检测超声。” “如果将压电检测器小型化至SWED规模，灵敏度将降低1亿倍。”

超分辨率成像

研究团队负责人Vasilis Ntziachristos教授说：“由于采用了硅光子技术，我们能够在保持高灵敏度的同时将新型检测器小型化的程度令人叹为观止。” SWED尺寸约为半微米(= 0,0005毫米)。该尺寸对应的面积至少比临床成像应用中采用的最小压电检测器小10,000倍。SWED还比所采用的超声波波长小200倍，这意味着它可以用于可视化小于1微米的特征，从而导致所谓的超分辨率成像。

价格便宜，功能强大

由于该技术利用了硅平台的坚固性和易制造性，因此可以以压电检测器成本的一小部分生产大量检测器，从而使大规模生产成为可能。这对于基于超声波开发许多不同的检测应用程序很重要。Shnaiderman补充说：“我们将继续优化该技术的每个参数-灵敏度，SWED在大型阵列中的集成以及其在手持式设备和内窥镜中的实现。”

未来的开发和应用

"该探测器最初是为了提高光声成像的性能而开发的，这是我们在赫尔姆霍尔茨·曾特鲁姆·明琴和TUM研究的主要重点。然而，我们现在预见到在传感和成像领域的应用，"Ntziachristos 说。

虽然研究人员主要致力于临床诊断和基础生物医学研究的应用，但工业应用也可能受益于新技术。增加的成像分辨率可能导致研究组织和材料中的超细细节。第一行调查涉及对组织中细胞和微血管的超分辨率光声（光声）成像，但SWED也可用于研究超声波的基本特性及其与物质的相互作用，其规模以前是不可能的。

这项研究发表在《自然》杂志上。

原文链接：https://phys.org/news/2020-09-world-smallest-ultrasound-detector.html