Интегрированные оптомеханические ультразвуковые датчики с чувствительностью на уровне нано-Паскаль

Слушая слабые звуки

Ультразвук лежит в основе всего — от пренатальных сканирований до проверки трещин на крыльях самолётов и поиска сигналов в океане. Тем не менее современные миниатюрные датчики с трудом регистрируют очень слабые звуки, особенно когда устройства должны быть маленькими, дешёвыми и плотно размещёнными на кристалле. В этой работе представлен новый тип оптического ультразвукового датчика с такой чувствительностью, что он способен обнаруживать изменения давления меньше миллиардной доли атмосферного давления вокруг нас, что открывает путь к более чётким медицинским изображениям, улучшенному экологическому мониторингу и более точному промышленному контролю.

Новый способ «слышать» светом

В основе устройства лежит тонкая стекловидная мембрана, подвешенная над кремниевой подложкой, с микроскопическим кольцевым световодом, встроенным в неё. Когда ультразвуковые волны достигают мембраны, она едва заметно прогибается. Это движение меняет размеры крошечного кольца, что, в свою очередь, сдвигает поведение циркулирующего в нём света. Посылая в кольцо постоянный лазер и отслеживая колебания пропускаемой интенсивности света, система превращает невидимые звуковые вибрации в оптический сигнал, который можно измерить с высокой точностью.

Повышение чувствительности с помощью мягких резонансов

Чтобы довести чувствительность до предела, исследователи воспользовались резонансом — тем же эффектом, который заставляет детскую качель раскачиваться сильнее при правильном ритме. Подвесная мембрана имеет собственные моды колебаний; когда ультразвук совпадает с одной из этих особых частот, движение мембраны значительно усиливается. Одновременно свет в кольце многократно циркулирует, делая оптическую реакцию на малейшие изменения очень резкой. В совокупности эти механические и оптические резонансы драматически усиливают отклик устройства на слабые звуковые волны как в воздухе, так и в воде.

Рекордные показатели в воздухе и в воде

Тщательная компоновка и производство на уровне пластин позволили команде точно настроить размеры мембраны, радиус кольца и толщины слоёв так, чтобы устройство оставалось одновременно механически гибким и оптически чистым. Полученные сенсоры, изготовленные на стандартном полупроводниковом оборудовании, достигают рекордно низких уровней эквивалентного шума по давлению: примерно 218 нано-Паскаль на корень Герц в воздухе и 9,6 нано-Паскаль на корень Герц в воде. Проще говоря, они способны регистрировать крошечные колебания давления далеко ниже пределов предыдущих интегрированных оптических датчиков, оставаясь при этом компактными, надёжными и пригодными для массового производства.

От следовых газов до скрытых форм под водой

Чтобы продемонстрировать возможности этой чувствительности, авторы применили датчик в двух очень разных задачах. Сначала они поместили его в газовую ячейку и использовали модулированный лазер для нагрева и охлаждения молекул ацетилена, что вызывало у них генерацию крошечных звуковых волн через фотоакустический эффект. Датчик зарегистрировал эти слабые сигналы достаточно хорошо, чтобы обнаруживать концентрации ацетилена до нескольких частей на миллион и с высокой точностью воспроизводить спектр поглощения газа. Затем они погрузили устройство в воду и использовали его для визуализации заполненной воздухом канавки, скрытой в акриловом блоке. Даже при том, что давление возбуждающего ультразвука было в тысячи раз слабее, чем у коммерческого гидрофона, новый датчик дал более контрастное изображение и разрешение на уровне миллиметров, позволив рассмотреть форму зарытой детали.

Что это значит для будущих технологий

Комбинация экстремальной чувствительности и интеграции на уровне чипа указывает на возможность создания ультразвуковых детекторов, которые можно размещать в плотные массивы и сочетать с интегрированными лазерами, приёмниками и электроникой. Такие системы однажды могут быть встроены в медицинские носимые пластыри, компактные подводные каналы связи или переносные инспекционные приборы, позволяющие видеть тонкие детали без сильных звуковых импульсов. По сути, исследование показывает, что использование света для «слушания» позволяет нам улавливать гораздо более слабые шёпоты в воздухе и воде, чем когда-либо прежде, потенциально трансформируя способы наблюдения и визуализации скрытых структур вокруг нас.

Цитирование: Cao, X., Yang, H., Wang, M. et al. Integrated optomechanical ultrasonic sensors with nano-Pascal-level sensitivity. Light Sci Appl 15, 171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02238-0

Ключевые слова: ультразвуковое обнаружение, оптомеханика, микрорезонатор-кольцо, фотоакустическая спектроскопия, подводная визуализация