Imec démontre un capteur optomécanique ultrasonique ultra-sensible et compact basé sur la photonique en silicium

Puce de capteur ultrasonique opto-mécanique avec accès à l'array de blocs de fibres optiques.

Prise de vue rapprochée du capteur ultrasonique opto-mécanique Wafers.

Wafer de capteur ultrasonique opto-mécanique.

Imec, un centre mondial de recherche et d'innovation de premier plan dans le domaine de la nanoélectronique et des technologies numériques, présente un capteur ultrasonique optomécanique sur une puce en photonique de silicium, qui grâce à un guide d'onde optomécanique innovant affiche une sensibilité sans précédent. En raison de ce guide d'onde extrêmement sensible, le capteur de seulement 20 µm possède une limite de détection deux ordres de grandeur meilleure que celle d'éléments piézoélectriques de même taille. La faible limite de détection du capteur permet de nouvelles applications cliniques et biomédicales de l'imagerie par ultrasons et photoacoustique, telles que la mammographie dans des couches de tissu plus profondes ou l'examen de la vascularisation ou de l'innervation de tissus tumoraux potentiels. Ce capteur a été présenté dans un article publié début du mois dans Nature Photonics.

L'imagerie tomographique par ultrasons et photoacoustique permet de créer des images en deux ou trois dimensions en utilisant un réseau de capteurs ultrasoniques. Cependant, les capteurs ultrasoniques piézoélectriques, conformes aux standards actuels, ont leurs limites. Premièrement, la limite de détection dépend inversement de la taille des capteurs, ce qui pose problème pour des images à haute résolution avec de petites longueurs d'onde acoustiques. Des images haute résolution nécessitent de petits capteurs piézoélectriques, qui ont intrinsèquement une sensibilité plus élevée, ce qui conduit à une image bruyante. Deuxièmement, les capteurs piézoélectriques s'appuient sur leur résonance mécanique pour augmenter l'amplitude du signal. Cela signifie qu'ils fonctionnent dans une plage limitée autour de leur fréquence de résonance afin d'éviter des limites de détection élevées. De plus, les matrices de capteurs piézoélectriques nécessitent un fil pour chaque élément, ce qui complique, par exemple, les applications en cathéter.

"Le capteur que nous avons présenté va transformer de manière significative l'imagerie des tissus profonds dans des tissus autrement opaques comme la peau ou le cerveau. Pour des applications telles que l'imagerie du mélanome sous-cutané ou la mammographie, il permet une vision plus détaillée de la tumeur et de la vascularisation environnante, contribuant ainsi à un diagnostic plus précis", explique Xavier Rottenberg, Fellow en capteurs et actionneurs basés sur les ondes chez imec.

La solution d'Imec repose sur un guide d'onde optomécanique à haute sensibilité avec des nervures partagées, fabriqué selon un nouveau procédé compatible CMOS. La sensibilité est deux ordres de grandeur supérieure à celle d'un capteur conventionnel. Une faible limite de détection peut améliorer le compromis entre résolution d'image et profondeur pour les applications ultrasonores, et est cruciale pour l'imagerie photoacoustique, où la pression peut être jusqu'à trois ordres de grandeur plus faible que dans les méthodes d'imagerie ultrasonore classiques. De plus, elle peut permettre des applications à basse pression telles que l'imagerie fonctionnelle du cerveau à travers le crâne, qui souffre de la forte atténuation ultrasonore par l'os.

Enfin, une matrice finement résolue (30 µm) de ces capteurs minuscules (20 µm) peut être facilement intégrée sur la puce à l'aide de multiplexeurs photonique. Cela ouvre la voie à de nouvelles applications, telles que les cathéters miniaturisés, car les matrices de capteurs nécessitent seulement quelques fibres optiques à connecter, plutôt qu'une connexion électrique par élément comme c'est le cas pour les capteurs piézoélectriques.

"Cette technologie constitue l'épine dorsale de la feuille de route interne d'Imec pour la photoacoustique et sera testée plus avant avec des partenaires de coopération sélectionnés", ajoute Xavier Rottenberg.