世界上最小的超聲波探測(cè)器：比頭發(fā)絲要小100倍

自20世紀(jì)50年代醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)發(fā)展以來,超聲波檢測(cè)就被廣泛應(yīng)用。

超聲波核心檢測(cè)技術(shù)主要集中在利用壓電探測(cè)器,將超聲波產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換為電壓。而超聲成像的分辨率則取決于所用壓電探測(cè)器的尺寸,減小這個(gè)尺寸可以獲得更高的分辨率,并且可以提供更小、密度更大的一維或二維超聲陣列,從而提高識(shí)別成像組織或材料特征的能力。

然而,進(jìn)一步縮小壓電探測(cè)器的尺寸會(huì)大大降低其靈敏度,使其無法用于實(shí)際應(yīng)用,這也令超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展受到了阻礙。

現(xiàn)在,德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)(TUM)和赫爾姆霍茲-岑楚姆大學(xué)(Helmholtz Zentrumünchen)的研究人員則突破了這一局限,通過硅光子學(xué)的成像技術(shù),開發(fā)出了世界上最小的超聲波探測(cè)器。

這種新型探測(cè)器的尺寸比普通人的頭發(fā)要小100倍,因此它可以顯示出比先前可能要小得多的特征,從而實(shí)現(xiàn)所謂的超分辨率成像。其研究結(jié)果已發(fā)表在《自然》上。

事實(shí)上,硅光子學(xué)技術(shù)在下一代計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著巨大的潛力,它可以將微型光學(xué)組件組裝在小型硅芯片上。硅可以將光限制在很小的范圍內(nèi),科學(xué)家們則可以利用這種能力來制造出他們的開創(chuàng)性設(shè)備。

這個(gè)被叫做硅波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)具探測(cè)器(SWED)的裝置其工作原理是設(shè)備在光通過小型光子電路傳播時(shí)捕捉光強(qiáng)度的變化,而不再是通過壓電晶體追蹤電壓。

其中,SWED的尺寸約為半微米(=00005毫米)。這個(gè)尺寸對(duì)應(yīng)的面積至少比臨床成像應(yīng)用中使用的最小壓電探測(cè)器小10000倍。SWED比超聲波波長(zhǎng)還小200倍,這意味著它可以用來顯示小于1微米的特征。該團(tuán)隊(duì)表示,該設(shè)備的使用也是該種尺寸的檢測(cè)器首次被用于檢測(cè)超聲波。

此外,由于該技術(shù)利用了硅平臺(tái)的堅(jiān)固性和易制造性,可以以壓電探測(cè)器的一小部分成本生產(chǎn)大量探測(cè)器,使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。這對(duì)于開發(fā)基于超聲波的多種不同檢測(cè)應(yīng)用程序非常重要。

當(dāng)然,盡管研究人員的主要目標(biāo)是臨床診斷和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的應(yīng)用,比如對(duì)組織中的細(xì)胞和微血管系統(tǒng)進(jìn)行超分辨率光聲成像,但工業(yè)應(yīng)用也可能受益于新技術(shù),包括用來研究超聲波的基本特性及其與物質(zhì)的相互作用,成像分辨率的提高將幫助展現(xiàn)研究組織和材料中的超精細(xì)細(xì)節(jié)。顯然,這對(duì)于不同學(xué)科的研究都具有重要意義。

審核編輯：符乾江