Imec dimostra un sensore ultrasuoni ottico-meccanico ultra-sensibile e compatto basato sulla fotonica di silicio

Array di sensori a ultrasuoni opto-meccanici con accesso tramite array di blocchi di fibra ottica.

Inquadratura ravvicinata del sensore ultrasuoni opto-meccanico Wafers.

Wafer sensore a ultrasuoni opto-meccanici.

Imec, un centro di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali, presenta un sensore optomeccanico a ultrasuoni su un chip di fotonica in silicio, che grazie a un innovativo waveguide optomeccanico mostra una sensibilità senza precedenti. Grazie a questa waveguide altamente sensibile, il sensore di soli 20 µm ha un limite di rilevamento superiore di due ordini di grandezza rispetto agli elementi piezoelettrici di pari dimensione. Il basso limite di rilevamento del sensore consente nuove applicazioni cliniche e biomediche dell'imaging a ultrasuoni e fotoacustico, come ad esempio la mammografia in strati più profondi di tessuto e l'esame della vascolarizzazione o innervazione di potenziali tessuti tumorali. Questo sensore è stato presentato in un articolo pubblicato all'inizio del mese su Nature Photonics.

L'imaging tomografico a ultrasuoni e fotoacustico permette di creare immagini bidimensionali o tridimensionali utilizzando un array di sensori a ultrasuoni. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni piezoelettrici, che rappresentano lo stato dell'arte, hanno dei limiti. Innanzitutto, il limite di rilevamento dipende inversamente dalle dimensioni dei sensori, il che rappresenta un problema per immagini ad alta risoluzione con onde acustiche di piccola lunghezza d'onda. Immagini ad alta risoluzione richiedono piccoli sensori piezoelettrici, che di per sé hanno una sensibilità superiore, portando a immagini rumorose. In secondo luogo, i sensori piezoelettrici si basano sulla loro risonanza meccanica per aumentare l'ampiezza del segnale, il che significa che operano in un intervallo ristretto intorno alla frequenza di risonanza, per evitare limiti di rilevamento elevati. Inoltre, le matrici di sensori piezoelettrici richiedono un filo per ogni elemento sensore, complicando applicazioni come i cateteri.

"Il sensore che abbiamo presentato cambierà radicalmente l'imaging di tessuti profondi in tessuti altrimenti opachi come pelle o cervello. Per applicazioni come l'imaging di melanoma sottocutaneo o la mammografia, permette una visione più dettagliata del tumore e della vascolarizzazione circostante, contribuendo a diagnosi più accurate", afferma Xavier Rottenberg, Fellow di sensori e attuatori basati su onde presso imec.

La soluzione di Imec si basa su un waveguide ottomeccanico altamente sensibile con nervature divise, prodotto con un nuovo processo compatibile con CMOS. La sensibilità è superiore di due ordini di grandezza rispetto a un sensore convenzionale. Un basso limite di rilevamento può migliorare il compromesso tra risoluzione e profondità di imaging per applicazioni a ultrasuoni ed è cruciale per l'imaging fotoacustico, dove le pressioni sono inferiori fino a tre ordini di grandezza rispetto alle tecniche di imaging a ultrasuoni tradizionali. Inoltre, può consentire applicazioni a bassa pressione come l'imaging funzionale del cervello attraverso il cranio, che soffre della forte attenuazione degli ultrasuoni causata dall'osso.

Infine, una matrice ad alta risoluzione (30 µm) di questi sensori minuscoli (20 µm) può essere facilmente integrata sul chip con multiplexers fotonici. Ciò apre nuove possibilità applicative, come cateteri miniaturizzati, poiché le matrici di sensori richiedono solo poche fibre ottiche da collegare, invece di una connessione elettrica per elemento come nei sensori piezoelettrici.

"Questa tecnologia rappresenta la spina dorsale della roadmap interna di imec per l'imaging fotoacustico e sarà ulteriormente testata con partner selezionati", conclude Xavier Rottenberg.