【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】高靈敏度、小型化的超聲探測器在諸多方面發(fā)揮著重要應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)診斷、光聲成像、無損檢測等。目前，商用的超聲波探測器主要采用壓電換能器，但為了實現(xiàn)較高的靈敏度，往往需要較大的尺寸，其傳感器的典型尺寸一般為毫米到厘米。
近些年來，隨著微納光電技術(shù)的發(fā)展，在硅芯片上微加工制備得到的光學(xué)超聲波探測器可同時實現(xiàn)較高的靈敏度和空間分辨率。其中，微腔光力系統(tǒng)由于其高靈敏度、寬帶寬、低功耗和易于集成等優(yōu)越特性，引起越來越多的關(guān)注。由于微腔光力系統(tǒng)中的較強(qiáng)光力相互作用，微腔的機(jī)械位移可以通過光學(xué)共振信號來敏感讀出。由于機(jī)械共振增強(qiáng)了響應(yīng)，且光學(xué)共振可增強(qiáng)讀出靈敏度，因此微腔光力系統(tǒng)已被證實是位移、質(zhì)量、力、加速度、磁場和聲波等物理量的高靈敏探測理想平臺。
前期工作中，研究人員已在各種體系的光學(xué)微腔中實現(xiàn)超聲波/聲波的探測，例如二氧化硅微腔、聚合物微腔、硅微腔等。多數(shù)超聲波探測是在液體環(huán)境中實現(xiàn)的。而在空氣環(huán)境中，由于超聲波吸收損耗大，且聲源/空氣界面處的阻抗失配大，高靈敏度的超聲波探測依然頗具挑戰(zhàn)。前期工作中，空氣耦合的超聲波探測只在1 MHz以下頻段實現(xiàn)。空氣耦合的超聲波探測在一些特定場景中具有重要應(yīng)用，例如氣體光聲光譜和非接觸式超聲醫(yī)學(xué)成像等。
為了提高空氣耦合的超聲波探測靈敏度，并拓展探測頻率范圍，近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究人員使用微芯圓環(huán)腔演示了在MHz頻率范圍內(nèi)的空氣耦合高靈敏度超聲波探測。
在該工作中，研究人員通過光刻、氫氟酸腐蝕、氟化氙刻蝕、二氧化碳激光回流的微加工工藝，制備了帶有較細(xì)的硅基座的微芯圓環(huán)腔，從而減少來自襯底的機(jī)械運(yùn)動的約束，獲得了在2.56 MHz的一階拍動模式下約700的高機(jī)械品質(zhì)因子，同時光學(xué)品質(zhì)因子達(dá)到107以上。憑借較高的光學(xué)和機(jī)械品質(zhì)因子，以及與超聲波具有較大空間重疊的2.56 MHz的一階拍動模式，他們在機(jī)械模式附近0.6 MHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了僅受熱噪聲限制的靈敏度，在0.25-3.2 MHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了46 μPa/Hz1/2-10 mPa/Hz1/2的靈敏度。此外，他們在機(jī)械共振頻率下利用超聲波驅(qū)動傳感器時觀察到了二階和三階機(jī)械邊帶，通過測量不同超聲波壓強(qiáng)(P)下的信噪比(SNR)，發(fā)現(xiàn)一階、二階和三階機(jī)械邊帶的
分別與P、P2和P3大致成正比，三個機(jī)械邊帶上的測量強(qiáng)度與理論結(jié)果一致。這種非線性轉(zhuǎn)換提供了一種擴(kuò)展位移傳感動態(tài)范圍的方法。 該研究演示了一種基于微芯圓環(huán)腔的空氣耦合高靈敏度MHz頻段超聲波探測方案，實現(xiàn)了寬帶、高靈敏度超聲檢測。這項工作拓寬了使用微腔光力系統(tǒng)進(jìn)行空氣耦合的超聲波探測的頻率范圍，并獲得了較大頻率范圍的熱噪聲主導(dǎo)區(qū)域。相關(guān)研究成果以High-Sensitivity Air-Coupled Megahertz-Frequency Ultrasound Detection Using On-Chip Microcavities為題于近日發(fā)表在Physical Review Applied上。相關(guān)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委項目和中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃的支持。
圖1 (a) 微芯圓環(huán)腔的光學(xué)顯微鏡圖。(b) 模擬的回音壁模式的基模光場分布。(c) 1550 nm附近微腔的透過率譜。(d) 超聲波探測實驗裝置的示意圖。
圖2 (a) 微腔超聲波探測器的噪聲功率譜(黑色實線)與在2.56 MHz頻率處施加了超聲波信號的響應(yīng)譜(綠色實線)，虛線為計算得到的理論噪聲。(b) 微腔超聲波探測器的系統(tǒng)響應(yīng)，即微腔對不同頻率的超聲波的響應(yīng)。(c) 微腔超聲波探測器的壓強(qiáng)(左軸)和力(右軸)靈敏度譜。
與超聲波壓強(qiáng)的關(guān)系。
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