Imec demonstruje ultra-wrażliwy, mały optomechaniczny czujnik ultradźwiękowy oparty na fotonice krzemowej

Opto-mechaniczny układ czujników ultradźwiękowych z dostępem do układu bloków włókien szklanych.

Makrofotografia czujnika ultradźwiękowego opto-mechanicznego na waflach.

Opto-mechaniczny czujnik ultradźwiękowy na waflu.

Imec, wiodące na świecie centrum badawczo-innowacyjne w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, prezentuje optomechaniczny czujnik ultradźwiękowy na chipie z fotonikią krzemową, który dzięki innowacyjnemu optomechanicznemu falowodowi wykazuje niespotykaną dotąd czułość. Ze względu na ten wysoce czuły falowód, czujnik o rozmiarze 20 µm ma granicę wykrywalności o dwie rzędy wielkości lepszą niż elementy piezoelektryczne o tym samym rozmiarze. Niska granica wykrywalności czujnika umożliwia nowe kliniczne i biomedyczne zastosowania obrazowania ultradźwiękowego i fotoakustycznego, takie jak mammografia w głębszych warstwach tkanek oraz badanie ukrwienia naczyń lub unerwienia potencjalnych tkanek nowotworowych. Czujnik ten został przedstawiony w artykule opublikowanym na początku miesiąca w czasopiśmie Nature Photonics.

Tomograficzne obrazowanie ultradźwiękowe i fotoakustyczne umożliwia tworzenie dwuwymiarowych lub trójwymiarowych obrazów za pomocą matrycy czujników ultradźwiękowych. Czujniki piezoelektryczne, które są obecnie standardem, mają jednak swoje ograniczenia. Po pierwsze, granica wykrywalności odwrotnie zależy od rozmiaru czujników, co stanowi problem dla wysokorozdzielczych obrazów z małymi falami akustycznymi. Obrazy wysokiej rozdzielczości wymagają małych czujników piezoelektrycznych, które z natury mają wyższą granicę czułości, co prowadzi do zaszumionych obrazów. Po drugie, czujniki piezoelektryczne polegają na swojej rezonansowej właściwości mechanicznej, aby zwiększyć amplitudę sygnału. Oznacza to, że pracują w wąskim zakresie wokół częstotliwości rezonansowej, aby uniknąć wysokich limitów wykrywania. Ponadto, matryce czujników piezoelektrycznych wymagają przewodu dla każdego elementu, co utrudnia np. zastosowania w kardiostentach.

"Czujnik, który przedstawiliśmy, zrewolucjonizuje obrazowanie głębokich tkanek w innych przypadkach, gdy tkanki są przezroczyste, takich jak skóra czy mózg. W zastosowaniach takich jak obrazowanie czerniaka podskórnego czy mammografia, umożliwia on bardziej szczegółowe spojrzenie na guz i otaczającą ukrwienie, co przyczynia się do dokładniejszej diagnozy," mówi Xavier Rottenberg, Fellow ds. sensorów i aktuatorów opartych na falach w imec.

Rozwiązanie firmy Imec opiera się na wysoce czułym optomechanicznym falowodzie z podzielonymi żebrami, wyprodukowanym za pomocą nowego procesu kompatybilnego z CMOS. Czułość jest o dwa rzędy wielkości większa niż w przypadku konwencjonalnego czujnika. Niska granica wykrywalności może poprawić kompromis między rozdzielczością obrazowania a głębokością dla zastosowań ultradźwiękowych i jest kluczowa dla obrazowania fotoakustycznego, gdzie ciśnienie jest nawet do trzech rzędów wielkości niższe niż w konwencjonalnych metodach obrazowania ultradźwiękowego. Ponadto, może umożliwić zastosowania niskociśnieniowe, takie jak funkcjonalne obrazowanie mózgu przez czaszkę, które cierpi z powodu silnego tłumienia ultradźwięków przez kości.

Wreszcie, można łatwo zintegrować precyzyjną (30 µm) matrycę tych małych (20 µm) czujników na chipie za pomocą fotonicznych multiplexerów. To otwiera możliwości nowych zastosowań, takich jak miniaturowe katetery, ponieważ matryce czujników potrzebują tylko kilku włókien optycznych do podłączenia, zamiast pojedynczego połączenia elektrycznego na element w przypadku czujników piezoelektrycznych.

"Ta technologia stanowi kręgosłup wewnętrznej mapy drogowej fotoakustycznych rozwiązań firmy imec i jest dalej testowana we współpracy z wybranymi partnerami," dodaje Xavier Rottenberg.