硅光子技术驱动光学超声探测器

慕尼黑，2020年9月18日—人眼无法看到的微型光子电路组装在硅芯片上，这是德国研究团队能够开发出他们说是现有最小的超声波探测器。该检测器比人的头发（约0.5 µm）小100倍，并以以前无法达到的水平实现超分辨率成像。

这种探测器被称为硅波导标准具检测器（SWED），它监测通过微型光子电路传播的光强度变化，而不是记录压电晶体的电压。自1950年代发展以来，核心超声检测技术一直严重依赖压电探测器，该探测器将超声波压力转换为电压。超声获得的成像分辨率取决于所用压电检测器的尺寸。减小其尺寸可提高分辨率，从而提供更小，更密集的1D或2D超声阵列。

这些阵列提高了图像领域和材料领域有效识别特征的的可能性。但是，减小压电检测器的尺寸会大大降低灵敏度，从而使检测器无法用于实际应用。

SWED开发人员Rami Shnaiderman说，如果要将压电检测器小型化到SWED的规模，灵敏度将降低1亿倍。它的尺寸对应的区域至少比临床成像应用中使用的最小压电检测器小10,000倍。此外，SWED比那些应用中使用的超声波波长小200倍-这是使其可视化小于1 µm的特征或超分辨率图像的一个因素。

Shnaiderman是来自Helmholtz ZentrumMünchen和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员团队的成员，该团队介绍了SWED。

带有多个探测器的硅芯片（约3×6毫米）。芯片表面上的细黑雕刻是使传感器相互连接的光子电路（肉眼看不见）。在背景中，较大规模的光子电路位于硅晶片上。由Helmholtz ZentrumMünchen提供。

该硅平台具有简单的可制造性，简化的生产流程并降低了潜在成本。尽管其开发人员最初对SWED进行了理论化和构建，以推动光声成像性能，但研究人员表示，他们预见到了更广泛的传感和成像应用。

一个确定的应用是对超声波的基本特性及其与物质的相互作用的研究，这样的规模在以前是不可能的。

不过，研究人员的主要目标是当前在临床诊断和基础生物医学研究以及工业环境中的应用。研究的第一线涉及超分辨率光声组织细胞成像和组织微脉管系统的成像。

通过明确的可行开发和制造途径，研究团队和SWED开发人员现在将重点放在设备改进上。“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，” Shnaiderman说。

这项研究发表在《自然》期刊上（www.doi.org/10.1038/s41586-020-2685-y）。