陳根：打造全球最小超聲波探測器，突破研究局限

文/陳根

自20世紀50年代醫學超聲成像技術發展以來，超聲波檢測就被廣泛應用。

超聲波核心檢測技術主要集中在利用壓電探測器，將超聲波產生的壓力轉換為電壓。而超聲成像的解析度則取決於所用壓電探測器的尺寸，減小這個尺寸可以獲得更高的解析度，並且可以提供更小、密度更大的一維或二維超聲陣列，從而提高識別成像組織或材料特徵的能力。

然而，進一步縮小壓電探測器的尺寸會大大降低其靈敏度，使其無法用於實際應用，這也令超聲檢測技術的發展受到了阻礙。

現在，德國慕尼黑技術大學（TUM）和赫爾姆霍茲-岑楚姆大學（Helmholtz Zentrumünchen）的研究人員則突破了這一局限，通過矽光子學的成像技術，開發出了世界上最小的超聲波探測器。

這種新型探測器的尺寸比普通人的頭髮要小100倍，因此它可以顯示出比先前可能要小得多的特徵，從而實現所謂的超解析度成像。其研究結果已發表在《自然》上。

事實上，矽光子學技術在下一代計算和數據傳輸等領域有著巨大的潛力，它可以將微型光學組件組裝在小型矽晶片上。矽可以將光限制在很小的範圍內，科學家們則可以利用這種能力來製造出他們的開創性設備。

這個被叫做矽波導-標準具探測器(SWED)的裝置其工作原理是設備在光通過小型光子電路傳播時捕捉光強度的變化，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）。這個尺寸對應的面積至少比臨床成像應用中使用的最小壓電探測器小10000倍。SWED比超聲波波長還小200倍，這意味著它可以用來顯示小於1微米的特徵。該團隊表示，該設備的使用也是該種尺寸的檢測器首次被用於檢測超聲波。

此外，由於該技術利用了矽平臺的堅固性和易製造性，可以以壓電探測器的一小部分成本生產大量探測器，使大規模生產成為可能。這對於開發基於超聲波的多種不同檢測應用程式非常重要。

當然，儘管研究人員的主要目標是臨床診斷和基礎生物醫學研究的應用，比如對組織中的細胞和微血管系統進行超解析度光聲成像，但工業應用也可能受益於新技術，包括用來研究超聲波的基本特性及其與物質的相互作用，成像解析度的提高將幫助展現研究組織和材料中的超精細細節。顯然，這對於不同學科的研究都具有重要意義。