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世界上最小的超声波探测器:比头发丝要小100倍!

2020-09-20 11:42
陈述根本
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自20世纪50年代医学超声成像技术发展以来,超声波检测就被广泛应用。

超声波核心检测技术主要集中在利用压电探测器,将超声波产生的压力转换为电压。而超声成像的分辨率则取决于所用压电探测器的尺寸,减小这个尺寸可以获得更高的分辨率,并且可以提供更小、密度更大的一维或二维超声阵列,从而提高识别成像组织或材料特征的能力。

陈根:硅光子学成像技术,打造全球最小超声探测器

然而,进一步缩小压电探测器的尺寸会大大降低其灵敏度,使其无法用于实际应用,这也令超声检测技术的发展受到了阻碍。

现在,德国慕尼黑技术大学(TUM)和赫尔姆霍兹-岑楚姆大学(Helmholtz Zentrumünchen)的研究人员则突破了这一局限,通过硅光子学的成像技术,开发出了世界上最小的超声波探测器。

这种新型探测器的尺寸比普通人的头发要小100倍,因此它可以显示出比先前可能要小得多的特征,从而实现所谓的超分辨率成像。其研究结果已发表在《自然》上。

陈根:硅光子学成像技术,打造全球最小超声探测器

事实上,硅光子学技术在下一代计算和数据传输等领域有着巨大的潜力,它可以将微型光学组件组装在小型硅芯片上。硅可以将光限制在很小的范围内,科学家们则可以利用这种能力来制造出他们的开创性设备。

这个被叫做硅波导-标准具探测器(SWED)的装置其工作原理是设备在光通过小型光子电路传播时捕捉光强度的变化,而不再是通过压电晶体追踪电压。

其中,SWED的尺寸约为半微米(=00005毫米)。这个尺寸对应的面积至少比临床成像应用中使用的最小压电探测器小10000倍。SWED比超声波波长还小200倍,这意味着它可以用来显示小于1微米的特征。该团队表示,该设备的使用也是该种尺寸的检测器首次被用于检测超声波。

此外,由于该技术利用了硅平台的坚固性和易制造性,可以以压电探测器的一小部分成本生产大量探测器,使大规模生产成为可能。这对于开发基于超声波的多种不同检测应用程序非常重要。

当然,尽管研究人员的主要目标是临床诊断和基础生物医学研究的应用,比如对组织中的细胞和微血管系统进行超分辨率光声成像,但工业应用也可能受益于新技术,包括用来研究超声波的基本特性及其与物质的相互作用,成像分辨率的提高将帮助展现研究组织和材料中的超精细细节。显然,这对于不同学科的研究都具有重要意义。

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