Создан самый маленький в мире ультразвуковой детектор
Исследователи из Helmholtz Zentrum München и Технического университета Мюнхена (TUM) разработали самый маленький в мире ультразвуковой детектор. Он основан на миниатюрных фотонных схемах на кремниевом чипе. О новинке сообщает журнал Nature.
Размер ультразвукового детектора в 100 раз меньше, чем средний человеческий волос, однако он может визуализировать детали, которые раньше были недоступны для наблюдения. Новая визуализация сверхвысокого разрешения поможет в научных исследованиях
С момента развития медицинской ультразвуковой визуализации в 1950-х годах основная технология обнаружения ультразвуковых волн была в первую очередь сосредоточена на использовании пьезоэлектрических детекторов, которые преобразуют давление ультразвуковых волн в электрическое напряжение. Разрешение изображения, достигаемое с помощью ультразвука, зависит от размера используемого пьезоэлектрического детектора. Уменьшение этого размера приводит к более высокому разрешению. Однако дальнейшее уменьшение размеров пьезоэлектрических детекторов резко снижает их чувствительность, делая их непригодными для практического применения.
Технология кремниевой фотоники широко используется для миниатюризации оптических компонентов и их плотной упаковки на небольшой поверхности кремниевого чипа. Хотя кремний не проявляет пьезоэлектричества, его способность ограничивать свет в размерах, меньших длины оптической волны, уже широко использовалась для разработки миниатюрных фотонных схем.
Исследователи из Helmholtz Zentrum Munchen и TUM воспользовались преимуществами этих миниатюрных фотонных схем и создали самый маленький в мире ультразвуковой детектор: кремниевый волноводно-эталонный детектор, или SWED. Вместо регистрации напряжения с пьезоэлектрических кристаллов SWED отслеживает изменения интенсивности света, распространяющегося через миниатюрные фотонные схемы.
«Это первый случай, когда детектор меньше размера клетки крови используется для обнаружения ультразвука с использованием технологии кремниевой фотоники, — объясняет Рами Шнайдерман, разработчик SWED. — Если бы пьезоэлектрический детектор был уменьшен до масштаба SWED, он был бы в 100 миллионов раз менее чувствительным».
«Степень, в которой мы смогли миниатюризировать новый детектор, сохранив при этом высокую чувствительность благодаря использованию кремниевой фотоники, просто захватывала дух», — подчеркивает профессор Василис Нциахристос, руководитель исследовательской группы. Размер SWED составляет около половины микрона (= 0,0005 миллиметров). Этот размер соответствует площади, которая по крайней мере в 10 000 раз меньше, чем у самых маленьких пьезоэлектрических детекторов, используемых в приложениях клинической визуализации. SWED также до 200 раз меньше, чем используемая длина волны ультразвука, что означает, что его можно использовать для визуализации деталей размером менее одного микрометра, это приводит к так называемой визуализации сверхвысокого разрешения.
«Изначально детектор был разработан для улучшения характеристик оптоакустической визуализации, что является основным направлением наших исследований в Helmholtz Zentrum München и TUM. Однако теперь мы предвидим его применение в более широкой области зондирования и визуализации», — заключает Нтциахристос.