Imec demonstriert einen ultra-empfindlichen, kleinen optomechanischen Ultraschallsensor auf Basis von Silizium-Photonik

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

Nahaufnahme des opto-mechanischen Ultraschallsensors Wafers.

Opto-Mechanischer Ultraschall-Sensor-Wafer.

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, präsentiert einen optomechanischen Ultraschallsensor auf einem Silizium-Photonik-Chip, der dank eines innovativen optomechanischen Waveguides eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit aufweist. Aufgrund dieses hochempfindlichen Waveguides hat der 20 µm kleine Sensor eine um zwei Größenordnungen bessere Nachweisgrenze als piezoelektrische Elemente gleicher Größe. Die niedrige Nachweisgrenze des Sensors ermöglicht neue klinische und biomedizinische Anwendungen der Ultraschall- und photoakustischen Bildgebung, wie z.B. die Mammographie in tieferen Gewebeschichten und die Untersuchung der Gefäßversorgung oder Innervierung von potentiellem Tumorgewebe. Dieser Sensor wurde in einem Paper vorgestellt, das Anfang des Monats in Nature Photonics veröffentlicht wurde.

Tomographische Ultraschall- und photoakustische Bildgebung ermöglicht die Erstellung von zwei- oder dreidimensionalen Bildern unter Verwendung eines Arrays von Ultraschallsensoren. Piezoelektrische Ultraschallsensoren, die dem Stand der Technik entsprechen, haben jedoch ihre Grenzen. Erstens hängt die Nachweisgrenze umgekehrt von der Größe der Sensoren ab, was ein Problem für hochauflösende Bilder mit kleinen akustischen Wellenlängen darstellt. Hochauflösende Bilder erfordern kleine piezoelektrische Sensoren, die von Natur aus eine höhere Empfindlichkeitsgrenze haben, was zu einem verrauschten Bild führt. Zweitens verlassen sich piezoelektrische Sensoren auf ihre mechanische Resonanz, um die Signalamplitude zu erhöhen. Das bedeutet, dass sie in einem kleinen Bereich um die Resonanzfrequenz herum arbeiten, um hohe Erfassungsgrenzen zu vermeiden. Außerdem erfordern Matrizen von piezoelektrischen Sensoren einen Draht für jedes Sensorelement, was z. B. Katheteranwendungen erschwert.

"Der Sensor, den wir vorgestellt haben, wird die Bildgebung von tiefem Gewebe in ansonsten undurchsichtigen Geweben wie Haut oder Gehirn entscheidend verändern. Für Anwendungen wie die subkutane Melanom-Bildgebung oder die Mammographie ermöglicht er einen detaillierteren Blick auf den Tumor und die umgebende Vaskularisation, was zu einer genaueren Diagnose beiträgt", so Xavier Rottenberg, Fellow wave-based sensors and actuators bei imec.

Die Lösung von Imec basiert auf einem hochempfindlichen optomechanischen Wellenleiter mit geteilten Rippen, der mit einem neuen CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt wird. Die Empfindlichkeit ist um zwei Größenordnungen größer als bei einem herkömmlichen Sensor. Eine niedrige Nachweisgrenze kann den Kompromiss zwischen Abbildungsauflösung und -tiefe für Ultraschallanwendungen verbessern und ist entscheidend für die photoakustische Bildgebung, bei der die Drücke bis zu drei Größenordnungen niedriger sind als bei herkömmlichen Ultraschallbildgebungsverfahren. Darüber hinaus kann es Niederdruckanwendungen wie die funktionelle Hirnbildgebung durch den Schädel ermöglichen, die unter der starken Ultraschalldämpfung durch den Knochen leidet.

Schließlich lässt sich eine fein aufgelöste (30 µm) Matrix dieser winzigen (20 µm) Sensoren mit photonischen Multiplexern einfach auf dem Chip integrieren. Dies eröffnet die Möglichkeit neuer Anwendungen, wie z. B. miniaturisierte Katheter, da die Sensormatrizen nur wenige optische Fasern benötigen, die angeschlossen werden müssen, anstatt einer elektrischen Verbindung pro Element im Falle piezoelektrischer Sensoren.

" Diese Technologie bildet das Rückgrat der imec-internen photoakustischen Roadmap und wird bei ausgewählten Kooperationspartnern weiter getestet", ergänzt Xavier Rottenberg.