Optinen ultraäänianturi mikrosirujen tarkastuksiin

DGIST:n robotiikan ja mekatroniikan laitoksen professorien Sangyoon Hanin ja Jaesok Yun johtama tutkimusryhmä on kehittänyt miniatyyrisen optisen ultraäänianturin, jonka odotetaan mullistavan rikkomattomat testaustekniikat puolijohteiden ja akkujen sisäisten vikojen havaitsemiseksi.

Ultraäänellä tehtävä rikkomaton testaus, jossa havaitaan sisäisiä vikoja purkamatta rakenteita, vaatii yleensä geelin kaltaisen väliaineen levittämisen kohdeobjektiin tarkan tarkastuksen varmistamiseksi. Sellainen ei kuitenkaan sovellu komponentteihin, jotka ovat herkkiä kontaminaatiolle tai vaurioille.

Vaihtoehtoisena menetelmänä on pidetty "kosketuksetonta" lähestymistapaa, jossa ultraääntä lähetetään ja vastaanotetaan ilman kautta, mutta sillä on kriittinen rajoitus: ultraäänisignaalit heikkenevät nopeasti ilmassa.

Erityisesti mikroskooppisten vikojen havaitseminen vaatii korkeita taajuuksia (MHz-alueella), mutta signaalin vaimeneminen voimistuu taajuuden kasvaessa. Tämän seurauksena anturin kehittäminen, joka yhdistää "korkeataajuustoiminnan, korkean herkkyyden ja pienentämisen", on pitkään ollut suuri haaste.

Tutkimusryhmä saavutti läpimurron haasteeseen käyttämällä optista lähestymistapaa, joka havaitsee äänen (ultraäänen) aiheuttamia pieniä värähtelyjä valon avulla.

Käyttämällä puolijohdeteollisuudessa laajalti käytettyä "piifotoniikkaa" -teknologiaa, tiimi integroi yhdelle puolijohdesirulle sekä optisen piirin, jonka läpi valo kulkee, että mikromekaanisen rakenteen (erittäin ohuen ulokkeen), joka värähtelee äänen vaikutuksesta.

Kun ultraääni saavuttaa anturin ja saa mikromekaanisen rakenteen värähtelemään ylös ja alas, sen rinnalla kulkevan valon aallonpituus ja intensiteetti muuttuvat hieman. Anturi havaitsee nämä valon muutokset ja muuntaa ne ultraäänisignaaliksi.

Tämä on ensimmäinen kerta maailmassa, kun "optomekaaninen ultraäänivastaanotin" on toteutettu yhdelle sirulle käyttämällä yhtä puolijohdevalmistusprosessia ilman perinteisten optisten anturien vaatimia kömpelöitä linssikomponentteja tai monimutkaisia kokoonpanoprosesseja.

Kehitetty anturi tarjoaa poikkeuksellisen suorituskyvyn. Sen tunnistusalue on vain 0,0004 mm² (30 μm × 13,5 μm), mikä on ohuempi kuin ihmisen hius. Sen vastaanottoherkkyys tehokasta tunnistusaluetta kohden mitattiin yli 25 000 kertaa suuremmaksi kuin olemassa olevilla kaupallisilla ultraääniantureilla. Sen erittäin herkkä rakenne voittaa siten signaalin vaimenemisen fyysiset rajoitukset ilmassa.

DGIST:n robotiikan ja mekatroniikan tekniikan laitoksen professori Sangyoon Han sanoi: ”Tämä tutkimus osoittaa, että ultraäänianturi voidaan luoda käyttämällä yhtä puolijohdekokonaisuutta ilman useiden komponenttien monimutkaista kokoonpanoa.

Jatkossa kehitämme tätä teknologiaa tiheäksi matriisityyppiseksi optiseksi ultraäänijärjestelmäksi, joka integroi kymmeniä vastaanottimia yhdelle sirulle.” Professori Jaesok Yu sanoi: ”Aiomme laajentaa tämän teknologian sovelluksia kontaminaatioherkkien puolijohdekiekkojen, akkujen tai komposiittimateriaalien kosketuksettomasta tarkastuksesta lääketieteen ja biokuvantamisen aloille.”

Aiheesta aiemmin:

Värit ultraäänitutkimuksiin

Signaalinkäsittelyä valolla ja ultraäänellä

Luoda ultraäänellä valoa kehon sisällä