最新Nature：基于硅绝缘体的超高灵敏度和纳米级谐振器用于超声波检测

【引言】

超声波检测器使用高频声波对物体成像并测量距离，但是这些读数的分辨率受到探测元件物理尺寸的限制。点状的宽带超声检测可以大大提高超声和光声（光）成像的分辨率，但目前的超声检测器，诸如那些用于医学成像，不能充分地小型化。使用光学方法进行超声波检测比压电检测具有根本优势，可以在不牺牲灵敏度的情况下将检测器小型化。一个常见的例子是利用嵌入在光纤波导中的π移布拉格光栅干涉仪进行光学干涉测量，超声波会扰动两个布拉格光栅之间建立的光学腔的长度和折射率，从而改变其共振特性。然而，大的感测长度（100-300微米）和窄带宽（10-30兆赫）不允许点状检测，限制分辨率和小型化潜力。压电换能器的灵敏度随着尺寸的减小呈二次方下降，而光学微环谐振器和法布里-珀罗干涉仪不能将光充分地融合到小于50微米的尺寸上。微加工方法已被用于产生电容式和压电传感器阵列，但带宽仅为几兆赫，而尺寸超过70微米。

近日，德国慕尼黑工业大学医学教授Vasilis Ntziachristos和Rami Shnaiderman（通讯作者）基于高度可扩展的绝缘体硅（SOI）引入了超声波检测的概念，该概念利用了半导体行业广泛使用的高通量制造技术，从而设计了一个点状硅波导检测器（SWED），其感应面积仅为220nm乘以500nm。基于SOI的光学谐振器设计提供的单位面积灵敏度比微环谐振器高1000倍，比压电检测器高100000000倍。同时，本文是的设计还实现了超宽的检测带宽，在6分贝时达到230兆赫。除了使检测器适合于以非常密集的阵列制造之外，还表明亚微米级的传感区域还可以实现超分辨率的检测和成像性能，展示了比所检测的超声波波长小50倍的特征成像。此外，本文的探测器可实现超小型化的超声读数，能够以与光学显微镜相当的分辨率进行超声成像，并有可能在硅芯片上开发非常密集的超声阵列。相关研究成果以“A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection”为题于2020年9月17日在线发表于Nature上。

【图文导读】

图一、SWED的设计和操作原理

图二、SWED的特性

图三、反射模式的远场和近场光声成像

图四、声宽带干扰的成像

文献链接：“Plasmonic enhancement of stability and brightness in organic light-emitting devices”(Nature，2020，10.1038/s41586-020-2684-z)

本文由材料人CYM编译供稿。