Imec představuje ultra citlivý, malý optomechanický ultrazvukový senzor založený na silikonové fotonice

Opto-mechanický ultrazvukový senzorový pole čip s přístupem k mřížce z optických vláken.

Makro snímek opticko-mechanického ultrazvukového senzoru Wafers.

Opto-mechanický ultrazvukový senzorový wafer.

Imec, celosvětově přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, představuje optomechanický ultrazvukový senzor na silikonovém fotonickém čipu, který díky inovativnímu optomechanickému vlnovodu vykazuje dosud nevídanou citlivost. Díky tomuto vysoce citlivému vlnovodu má senzor o velikosti 20 µm detekční práh o dvě řády větší než piezoelektrické prvky stejné velikosti. Nízký detekční práh senzoru umožňuje nové klinické a biomedicínské aplikace ultrazvukové a photoakustické zobrazovací techniky, například mamografii v hlubších vrstvách tkáně a vyšetření zásobení cévami nebo inervace potenciálního tumoru. Tento senzor byl představen v článku, který byl začátkem měsíce publikován v časopise Nature Photonics.

Tomografická ultrazvuková a photoakustická zobrazování umožňují tvorbu dvou- nebo trojrozměrných obrazů pomocí pole ultrazvukových senzorů. Piezoelektrické ultrazvukové senzory, které odpovídají současnému stavu techniky, však mají svá omezení. Za prvé, detekční práh je nepřímo úměrný velikosti senzorů, což představuje problém pro vysoce rozlišovací snímky s malými akustickými vlnovými délkami. Vysoce rozlišovací snímky vyžadují malé piezoelektrické senzory, které mají přirozeně vyšší citlivostní práh, což vede k šumovému obrazu. Za druhé, piezoelektrické senzory spoléhají na jejich mechanickou rezonanci k zesílení signálové amplitudy. To znamená, že pracují v malém rozsahu kolem rezonanční frekvence, aby se zabránilo vysokým detekčním limitům. Navíc matice piezoelektrických senzorů vyžadují drát pro každý senzorový prvek, což například ztěžuje použití u katétrů.

"Senzor, který jsme představili, zásadně změní zobrazování hlubokých tkání v jinak neprůhledných tkáních, jako je kůže nebo mozek. Pro aplikace jako subkutánní zobrazování melanomu nebo mamografii umožňuje podrobnější pohled na nádor a okolní vaskulární zásobení, což přispívá k přesnější diagnostice," říká Xavier Rottenberg, Fellow pro vlnové senzory a aktivátory ve společnosti imec.

Řešení od Imec je založeno na vysoce citlivém optomechanickém vlnovodu s dělenými žebry, který je vyroben pomocí nového CMOS-kompatibilního procesu. Citlivost je o dvě řády větší než u běžného senzoru. Nízký detekční práh může zlepšit kompromis mezi rozlišením a hloubkou zobrazení u ultrazvukových aplikací a je klíčový pro photoakustické zobrazování, kde jsou tlaky až o tři řády nižší než u běžných ultrazvukových zobrazovacích metod. Navíc může umožnit nízkotlakové aplikace, jako je funkční zobrazování mozku skrze lebku, které trpí silným ultrazvukovým odrazem od kostí.

Na závěr lze snadno integrovat jemnou (30 µm) matici těchto malých (20 µm) senzorů s fotonickými multiplexery přímo na čipu. To otevírá možnosti nových aplikací, například miniaturizovaných katétrů, protože matice senzorů potřebují pouze několik optických vláken k připojení, namísto elektrického připojení pro každý prvek u piezoelektrických senzorů.

"Tato technologie tvoří páteř interní roadmapy photoakustického výzkumu společnosti imec a je dále testována u vybraných partnerských spolupracovníků," doplňuje Xavier Rottenberg.