Imec demonstreert een ultrasensitieve, kleine optomechanische ultrasone sensor op basis van siliciumfotonicawaarheid

Opto-mechanische Ultraschall-Sensor-Array-Chip mit Glasfaser-Block-Array-Zugang.

Close-up van de opto-mechanische ultrasone sensor wafers.

Opto-mechanische Ultraschall-Sensor-Wafer.

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, presenteert een optomechanische ultrasone sensor op een silicium-fotonisch chip, die dankzij een innovatieve optomechanische waveguide een ongeëvenaarde gevoeligheid vertoont. Door deze zeer gevoelige waveguide heeft de 20 µm kleine sensor een detectielimiet die twee ordes van grootte beter is dan piezo-elektrische elementen van dezelfde grootte. De lage detectielimiet van de sensor maakt nieuwe klinische en biomedische toepassingen van ultrasoon- en photo-akoestische beeldvorming mogelijk, zoals mammografie in diepere weefsellagen en het onderzoeken van de vaatvoorziening of innervatie van potentieel tumorweefsel. Deze sensor werd gepresenteerd in een paper dat begin deze maand in Nature Photonics werd gepubliceerd.

Tomografische ultrasoon- en photo-akoestische beeldvorming maakt het mogelijk om tweedimensionale of driedimensionale beelden te creëren met behulp van een array van ultrasone sensoren. Piezo-elektrische ultrasone sensoren die state-of-the-art zijn, hebben echter hun beperkingen. Ten eerste hangt de detectielimiet omgekeerd af van de grootte van de sensoren, wat een probleem vormt voor hoogresolutiebeelden met kleine akoestische golflengten. Hoogresolutiebeelden vereisen kleine piezo-elektrische sensoren, die van nature een hogere gevoeligheidsgrens hebben, wat leidt tot een ruisachtig beeld. Ten tweede vertrouwen piezo-elektrische sensoren op hun mechanische resonantie om de signaalamplitude te verhogen. Dit betekent dat ze binnen een klein bereik rond de resonantiefrequentie werken om hoge detectielimieten te voorkomen. Bovendien vereisen matrices van piezo-elektrische sensoren een draad voor elk sensorelement, wat bijvoorbeeld de toepassing in katheters bemoeilijkt.

"De sensor die wij hebben gepresenteerd, zal de beeldvorming van diep weefsel in anders ondoorzichtig weefsel zoals huid of hersenen aanzienlijk veranderen. Voor toepassingen zoals subcutane melanoombeeldvorming of mammografie biedt hij een gedetailleerder inzicht in de tumor en de omliggende vasculatuur, wat bijdraagt aan een nauwkeurigere diagnose," aldus Xavier Rottenberg, Fellow wave-based sensors and actuators bij imec.

De oplossing van Imec is gebaseerd op een zeer gevoelige optomechanische golfgeleider met gespleten ribben, vervaardigd met een nieuw CMOS-compatibel proces. De gevoeligheid is twee ordes van grootte groter dan die van een conventionele sensor. Een lage detectielimiet kan de compromis tussen beeldresolutie en -diepte voor ultrasone toepassingen verbeteren en is cruciaal voor photo-akoestische beeldvorming, waarbij de drukken tot drie ordes van grootte lager zijn dan bij conventionele ultrasone beeldvorming. Bovendien kan het lage-druktoepassingen mogelijk maken, zoals functionele hersenbeeldvorming door de schedel, die last heeft van sterke ultrasone demping door het bot.

Tot slot kan een fijnmazige (30 µm) matrix van deze kleine (20 µm) sensoren eenvoudig worden geïntegreerd op de chip met fotonische multiplexers. Dit opent de deur naar nieuwe toepassingen, zoals geminiaturiseerde katheters, aangezien de sensormatrices slechts enkele optische vezels nodig hebben die moeten worden aangesloten, in plaats van een elektrische verbinding per element zoals bij piezo-elektrische sensoren.

"Deze technologie vormt de ruggengraat van de interne photo-akoestische roadmap van imec en wordt verder getest bij geselecteerde samenwerkingspartners," voegt Xavier Rottenberg toe.