世界首个微型光学超声传感器：响应率提升2.5万倍！

由大邱庆北科学技术院（DGIST）机器人与机电工程系Sangyoon Han教授和Jaesok Yu教授领导的联合研究团队，利用半导体制造工艺开发出世界上首个比人类头发还细的微型光学超声传感器。该传感器无需直接接触目标物体，就能精确探测通过空气传播的兆赫兹（MHz）级超声波，有望为检测半导体和二次电池内部缺陷的无损检测技术带来革命性变化。

超声无损检测能够在不解体机械设备的情况下发现内部缺陷，通常需要将凝胶等耦合介质涂覆在目标物体上（接触式检测），以确保检测准确。然而，这种方法难以应用于对污染或损伤敏感的先进部件。该研究成果发表在《光子学研究》期刊上。

一种通过空气发射和接收超声波的“非接触”方法一直被视为替代方案，但它有一个关键局限：超声信号在空气中会迅速衰减。特别是，检测微小缺陷需要使用高频（兆赫兹范围），而频率越高，信号衰减越严重。因此，开发兼具“高频工作、高灵敏度和微型化”的传感器一直是长期面临的重大挑战。

研究团队采用光学方法，利用光来探测声音（超声波）引起的微小振动，从而在这一问题上取得了突破。他们利用半导体行业广泛使用的“硅光子学”技术，将光传播所需的光学回路和响应声音而振动的微机械结构（超薄悬臂）集成在同一块半导体芯片上。

当超声波到达传感器并使微机械结构上下振动时，从旁边经过的光的波长和强度会发生细微变化。传感器检测这些光的变化并将其转换为超声信号。这是世界上首次利用单一半导体制造工艺，在单个芯片上实现“光机械超声接收器”，无需传统光学传感器所必需的笨重透镜组件或复杂组装流程。

这款传感器虽然传感面积仅为0.0004平方毫米（30微米×13.5微米），却展现出卓越的性能。经测量，其单位有效传感面积的接收响应度比现有商用超声传感器高出2.5万倍以上。这种超高灵敏度设计克服了信号在空气中衰减的物理限制。

这项技术的一大优势在于，可以直接利用现有的8英寸（20厘米）硅晶圆半导体代工（合同制造）基础设施进行量产，无需任何改造。只需改变设计布局，就能在同一片晶圆上同时制造工作在不同频率的传感器，使这项技术成为一项关键专有技术，有望将硅光子生态系统的应用范围从传统的通信领域拓展到工业仪器和医学成像领域。

Sangyoon Han表示：“这项研究证明，无需对多个部件进行复杂组装，仅用单个半导体器件就能制造出超声传感器。今后，我们将把这项技术发展为高密度阵列型光学超声系统，在单个芯片上集成数十个接收器。”

Jaesok Yu表示：“我们计划将这项技术的应用范围从对污染敏感的半导体晶圆、二次电池或复合材料的非接触检测，拓展到医学和生物成像领域。”

DOI：10.1364/prj.597287