具有纳帕斯卡级灵敏度的集成光机械超声传感器

聆听微弱声响

超声波支撑着从产前扫描到飞机机翼裂纹检测与海洋信号探测等各类应用。然而，当传感器需保持小型、低成本并在芯片上高密度集成时，当今微型传感器在捕捉极弱声信号方面仍然吃力。本文介绍了一种新型基于光学的超声传感器，其灵敏度足以检测小于我们周围气压十亿分之一的压力变化，这为更清晰的医学成像、更好的环境监测和更精确的工业检测打开了可能性。

一种用光“聆听”的新方法

器件的核心是一块悬浮于硅芯片之上的薄玻璃样膜片，膜片中嵌入了一个微小的环形光导。当超声波作用于膜片时，会使其产生极微小的弯曲。这种位移改变了微环的尺寸，进而改变环内光的循环方式。通过向微环注入稳定的激光并观察透射光强度如何随之微微波动，系统将不可见的声振动转换为可精确测量的光学信号。

用谐振放大灵敏度

为将灵敏度推向极限，研究者利用了谐振效应——类似于在恰当节奏推荡秋千使其摆幅增大的原理。悬浮膜片具有固有的振动模态，当超声波在这些特定频率到达时，膜片的运动会被显著放大。与此同时，环内的光多次循环，使得对微小变化的光学响应变得非常敏锐。机械与光学谐振的协同作用大幅增强了器件对微弱声波的响应，无论在空气还是水中均然。

在空气与水中创纪录的性能

通过精心设计与晶圆级制造，团队得以微调膜片尺寸、环半径和层厚，使器件在机械上既柔性又在光学上保持洁净。采用标准芯片制造工具制成的传感器达到了创纪录的低等效噪声压力水平：在空气中约为218纳帕斯卡/√Hz，在水中约为9.6纳帕斯卡/√Hz。简单来说，它们能够检测到远低于此前集成光学传感器可见的微小压力波动，同时保持紧凑、耐用并适合批量生产。

从痕量气体到水下隐蔽物体

为展示这种灵敏度的实际用途，作者在两项截然不同的任务中使用了该传感器。首先，他们将其置于气体池中，用调制激光加热和冷却乙炔分子，使其通过光声效应产生微弱声波。传感器足以接收到这些弱信号，能够检测到低至数百万分之几的乙炔浓度，并高精度地重现该气体的吸收光谱。随后，他们将器件浸入水中，用它对埋在有机玻璃块内的充气槽进行成像。即便驱动超声压力比商业水听器使用的要弱数千倍，新型传感器仍产生了更清晰的对比度和毫米级分辨率，揭示了被埋结构的形状。

对未来技术的意义

通过将极高的灵敏度与芯片级集成相结合，这项工作指向可被排列成高密度阵列并与片上激光、探测器和电子器件结合的超声探测器。此类系统未来可能内置于可穿戴医疗贴片、紧凑的水下通信链路或无需强声脉冲即可观察细节的手持检测工具中。归根结底，该研究表明用光“倾听”使我们能在空气和水中听到比以往更微弱的低语，可能改变我们感知和成像周围隐蔽结构的方式。

引用: 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

关键词: 超声传感, 光机械学, 微环谐振器, 光声光谱学, 水下成像