Page 108 - 《应用声学）》2023年第5期

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超声检测的灵敏度和实用性。
0 引言
本文基于波导腔的倏逝波效应，超声波作用在
微槽谐振腔耦合区后引起波长漂移的原理，对微槽
近年来，超声波由于具有穿透性强、灵敏度高、
式环形谐振腔进行了制备和超声传感效应测试。通
不易受黑暗、光线、烟雾、电磁场等外界环境因素干
过超声换能器发出不同频率的超声波以及改变同
扰的特点，在金属探伤 [1−2] 、海洋环境监测 [3] 、人工
一频率下不同的声压值，观察传感器响应特性，进行
智能 [4−6] 、生物医学、光声成像 [7] 等领域发挥着至
超声传感效应验证。该研究可以为水声探测等领域
关重要的作用。超声传感器件的研究也成为一个热
提供关键技术支持。
点问题。
2007 年，Chao 等 [8] 提出了一种聚合物微环谐
1 微槽式谐振腔超声传感原理
振腔，通过弹光效应，改变波导的折射率，可以检

测 50 MHz 换能器的宽带超声脉冲。2011 年，Ling 光波导微槽式谐振腔结构主要由一个环形腔
等 [9] 通过阻流回流和低偏置连续蚀刻和钝化工艺， 和一条直波导组成，如图 1 所示。光从直波导左端
获得了侧壁光滑的聚合物微腔。该微腔的品质因子 输入，经过耦合区域时，由于倏逝波效应局部光耦
(Q) 达到了 4 × 10 ，环的直径为 60 µm。2012 年， 合进入环形腔并在环内继续传输，其余光沿直波导
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Monifi 等 [10] 提出了一种利用低折射率聚合物进行 传输。当光在环形腔中传输一周的相移为2π时，环
封装的带有侧耦合锥形光纤的二氧化硅微环谐振 形腔耦合出去的光与直波导透射光发生干涉，对于
腔，并对其进行了超声检测，实现了12 MHz 的超声 满足谐振条件式(1) 所示的光将被局域在环形腔中，
波探测，装置的灵敏度为 −209 dB。2014年，Zhang 在环形腔内激励出较强的光谐振模式，即谐振腔的
等 [11] 提出了一种基于印迹聚合物的超声探测器， 光能量局域效应。
它在 −3 dB 下的声响应带宽可以达到350 MHz，并
mλ = nL, (1)
且该微环具有 1.3 × 10 的高 Q值，表明了聚合物微
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型微环谐振腔可以成为一种高性能的超声探测器。 式 (1) 中，m 代表共振级次，λ 为输入的光的波长，L
2014 年，Li 等 [12] 为了克服医学领域用于光声显微 是环形谐振腔的周长，n为波导的有效折射率。
镜的压电超声探测器体积大、不透明的缺点，提出
了一种基于聚合物盖玻片式光学透明超声探测器，
它能够在 140 MHz 带宽范围内进行高灵敏度超声
探测。2017 年，Kim 等 [13] 基于光学环形微环谐振
腔，通过非接触的方式检测空气中的耦合超声，成功
检测了到 50 kHz 和 800 kHz 的超声信号。2018 年， E 3 E 2
E  E 
Zhang等 [14] 提出了一种新型超声波传感器，与传统
的超声波换能器相比具有更高的灵敏度。它由一个 In ᏹՌӝ۫ Out
微槽波导和一个双硅基绝缘衬底的微环谐振腔组 图 1 微槽式谐振腔结构和耦合模型示意图
成，Q 值达到了 1.24 × 10 ，灵敏度达到 −172.2 dB。 Fig. 1 Schematic diagram of the microring reso-
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该传感器对光声显微技术的研究有重要的参考价 nant cavity structure and coupling model
值。2021 年，Zhao 等 [15] 提出了一种由悬臂梁结构
假设输入的光场强度为E 1 ，进入环形腔内的光
槽式双微环谐振器组成的新型超声传感器，其灵敏
场强度为 E 2 ，绕环一周后的光场强度为 E 3 ，直波
度可以达到−176 dB。该工作为水听器设计提供了
导输出光场强度为 E 4 。根据耦合器的传输矩阵理
一种新的方案。2022 年，Ding 等 [16] 在硅的绝缘体
论 [17] ，E 1 、E 2 、E 3 和E 4 之间的关系为
平台上构建了微环谐振腔作为超声传感器，光刻出      
来的微环谐振腔的 Q 值为 7.4 × 10 ，传感器的灵敏 E 1 t −ik E 3
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  =     , (2)
度可以达到 −194.7 dB。该方案提高了硅基环形腔 E 4 −ik t E 2