Imec demuestra un sensor ultrasónico optomecánico ultrafino y ultra sensible basado en fotónica de silicio

Chip de matriz de sensores ultrasónicos opto-mecánicos con acceso a matriz de bloques de fibra óptica.

Primer plano del sensor ultrasónico opto-mecánico en los obleas.

Sensor de ultrasonido opto-mecánico para obleas.

Imec, un centro de investigación e innovación líder en el mundo en nanoelectrónica y tecnologías digitales, presenta un sensor de ultrasonido optomecánico en un chip de fotónica de silicio, que gracias a una innovadora guía de ondas optomecánica muestra una sensibilidad sin precedentes. Debido a esta guía de ondas altamente sensible, el sensor de 20 µm de tamaño tiene un umbral de detección dos órdenes de magnitud mejor que los elementos piezoeléctricos de tamaño similar. El bajo umbral de detección del sensor permite nuevas aplicaciones clínicas y biomédicas en imagenología por ultrasonido y fotoacústica, como por ejemplo, mamografías en capas más profundas de tejido y el estudio del suministro de vasos o inervación de tejido tumoral potencial. Este sensor fue presentado en un artículo que se publicó a principios de mes en Nature Photonics.

La imagenología por ultrasonido y fotoacústica tomográfica permite crear imágenes en dos o tres dimensiones utilizando un array de sensores de ultrasonido. Sin embargo, los sensores piezoeléctricos de ultrasonido, que están a la vanguardia, tienen sus límites. En primer lugar, el umbral de detección depende inversamente del tamaño de los sensores, lo cual representa un problema para imágenes de alta resolución con ondas acústicas de longitudes cortas. Las imágenes de alta resolución requieren sensores piezoeléctricos pequeños, que por naturaleza tienen un umbral de sensibilidad más alto, lo que conduce a una imagen con ruido. En segundo lugar, los sensores piezoeléctricos dependen de su resonancia mecánica para aumentar la amplitud de la señal. Esto significa que operan en un rango pequeño alrededor de la frecuencia de resonancia para evitar límites de detección elevados. Además, los arreglos de sensores piezoeléctricos requieren un cable para cada elemento del sensor, lo que dificulta, por ejemplo, las aplicaciones con catéteres.

"El sensor que hemos presentado cambiará significativamente la imagenología de tejidos profundos en tejidos que de otro modo son opacos, como la piel o el cerebro. Para aplicaciones como la imagenología de melanoma subcutáneo o la mamografía, permite una visión más detallada del tumor y la vascularización circundante, contribuyendo a un diagnóstico más preciso", afirma Xavier Rottenberg, Fellow de sensores y actuadores basados en ondas en imec.

La solución de Imec se basa en una guía de ondas optomecánica altamente sensible con crestas divididas, fabricada mediante un proceso compatible con CMOS. La sensibilidad es dos órdenes de magnitud mayor que la de un sensor convencional. Un umbral de detección bajo puede mejorar el compromiso entre resolución de imagen y profundidad en aplicaciones de ultrasonido y es crucial para la imagenología fotoacústica, donde las presiones son hasta tres órdenes de magnitud menores que en los métodos tradicionales de imagen por ultrasonido. Además, puede permitir aplicaciones de baja presión, como la imagenología funcional del cerebro a través del cráneo, que sufre por la fuerte atenuación del ultrasonido causada por el hueso.

Finalmente, una matriz finamente resolucionada (30 µm) de estos diminutos sensores (20 µm) puede integrarse fácilmente en el chip mediante multiplexores fotónicos. Esto abre la posibilidad de nuevas aplicaciones, como catéteres miniaturizados, ya que las matrices de sensores solo requieren unas pocas fibras ópticas para conectarse, en lugar de una conexión eléctrica por elemento en el caso de sensores piezoeléctricos.

"Esta tecnología constituye la columna vertebral de la hoja de ruta interna de imec para la fotoacústica y se sigue probando con socios de cooperación seleccionados", añade Xavier Rottenberg.