赫爾姆霍爾茨·曾特魯姆·明琴和慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的研究人員研制出了世界上最小的超聲波探測(cè)器。它基于硅芯片頂部的小型光子電路。新的探測(cè)器的尺寸比普通人的頭發(fā)小100倍，可以可視化比以前小得多的特征，從而實(shí)現(xiàn)所謂的超分辨率成像。

自20世紀(jì)50年代醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)發(fā)展以來，超聲波的核心檢測(cè)技術(shù)主要集中在使用壓電檢測(cè)器，該檢測(cè)器將超聲波的壓力轉(zhuǎn)換為電壓。用超聲波獲得的成像分辨率取決于所用壓電檢測(cè)器的尺寸。減小此尺寸將導(dǎo)致更高的分辨率，并可以提供更小，密集排列的一維或二維超聲陣列，具有更高的辨別成像組織或材料中特征的能力。但是，進(jìn)一步減小壓電檢測(cè)器的尺寸會(huì)極大地削弱其靈敏度，從而使其無法用于實(shí)際應(yīng)用。

硅芯片（約 3 毫米 x 6 毫米），帶多個(gè)探測(cè)器。芯片表面的細(xì)黑色雕刻是光子電路連接探測(cè)器（肉眼看不到）。在背面，硅晶片上有較大規(guī)模的光子電路。

使用計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)制造光學(xué)超聲波探測(cè)器

硅光子技術(shù)被廣泛用于使光學(xué)組件小型化并將它們密集地封裝在硅芯片的小表面上。盡管硅不表現(xiàn)出任何壓電性，但是其將光限制在小于光波長(zhǎng)的尺寸的光的能力已被廣泛用于開發(fā)微型光子電路。

Helmholtz Zentrum Mu?nchen和TUM的研究人員利用這些小型化光子電路的優(yōu)勢(shì)，建造了世界上最小的超聲波探測(cè)器：硅波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)具探測(cè)器或SWED。SWED可以監(jiān)控通過微型光子電路傳播的光強(qiáng)度的變化，而不是記錄壓電晶體的電壓。

SWED的開發(fā)人員Rami Shnaiderman說：“這是第一次使用小于血細(xì)胞大小的檢測(cè)器通過硅光子技術(shù)檢測(cè)超聲�！� “如果將壓電檢測(cè)器小型化至SWED規(guī)模，靈敏度將降低1億倍�！�

超分辨率成像

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Vasilis Ntziachristos教授說：“由于采用了硅光子技術(shù)，我們能夠在保持高靈敏度的同時(shí)將新型檢測(cè)器小型化的程度令人嘆為觀止。” SWED尺寸約為半微米(= 0,0005毫米)。該尺寸對(duì)應(yīng)的面積至少比臨床成像應(yīng)用中采用的最小壓電檢測(cè)器小10,000倍。SWED還比所采用的超聲波波長(zhǎng)小200倍，這意味著它可以用于可視化小于1微米的特征，從而導(dǎo)致所謂的超分辨率成像。

價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大

由于該技術(shù)利用了硅平臺(tái)的堅(jiān)固性和易制造性，因此可以以壓電檢測(cè)器成本的一小部分生產(chǎn)大量檢測(cè)器，從而使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。這對(duì)于基于超聲波開發(fā)許多不同的檢測(cè)應(yīng)用程序很重要。Shnaiderman補(bǔ)充說：“我們將繼續(xù)優(yōu)化該技術(shù)的每個(gè)參數(shù)-靈敏度，SWED在大型陣列中的集成以及其在手持式設(shè)備和內(nèi)窺鏡中的實(shí)現(xiàn)。”

未來的開發(fā)和應(yīng)用

"該探測(cè)器最初是為了提高光聲成像的性能而開發(fā)的，這是我們?cè)诤諣柲坊魻柎摹ぴ�特魯姆·明琴和TUM研究的主要重點(diǎn)。然而，我們現(xiàn)在預(yù)見到在傳感和成像領(lǐng)域的應(yīng)用，"Ntziachristos 說。

雖然研究人員主要致力于臨床診斷和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的應(yīng)用，但工業(yè)應(yīng)用也可能受益于新技術(shù)。增加的成像分辨率可能導(dǎo)致研究組織和材料中的超細(xì)細(xì)節(jié)。第一行調(diào)查涉及對(duì)組織中細(xì)胞和微血管的超分辨率光聲（光聲）成像，但SWED也可用于研究超聲波的基本特性及其與物質(zhì)的相互作用，其規(guī)模以前是不可能的。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。

原文鏈接：https://phys.org/news/2020-09-world-smallest-ultrasound-detector.html