在超声探测领域，灵敏度、集成度与环境适应性始终是衡量传感器性能的重要指标。

近日，中国科学院物理研究所李贝贝研究员团队联合北京大学等单位，研发出一款兼具纳帕级超高灵敏度、CMOS 兼容特性与多场景应用能力的集成光机械超声传感器，其噪声等效压力（NEP）在空气中低至 218 nPa·Hz⁻¹/²，在水中达到 9.6 nPa·Hz⁻¹/²。相关成果发表于Light: Science & Applications。

图1 集成超高灵敏度光机械超声传感器的示意图与工作原理。

传统压电超声传感器虽然在工业和医疗中广泛应用，但在小型化、集成度和灵敏度方面存在瓶颈。近年来，光学微腔传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰、易于集成等优势成为研究热点。然而，此前集成式光学超声传感器的灵敏度大多停留在mPa·Hz⁻¹/²量级，难以满足高精度探测需求。

本研究提出了一种新型集成光机械超声传感器，其核心结构为悬浮的SiO₂薄膜中嵌入高Q值Si₃N₄微环谐振腔。通过同时利用光学谐振与机械谐振，传感器实现了对超声信号的高效放大与高精度读出。

原理与设计：光与机械的协同增强

研究团队通过系统优化微环与薄膜的几何结构，使传感器在机械共振频率附近实现位移响应的显著增强。当输入激光锁定在光学谐振腔的蓝失谐边带时，超声波引起的薄膜振动会转化为光强调制，进而被高灵敏度探测。

该传感器在空气中和水中的机械共振频率分别为 289 kHz 和 52 kHz，对应的噪声等效压力分别低至 218 nPa·Hz⁻¹/² 和 9.6 nPa·Hz⁻¹/²。这一性能使其在微弱超声信号探测方面具备显著优势。

图2 超声传感器的表征。展示传感器的核心性能指标，包括噪声谱、超声响应和噪声等效压力

应用验证：气体检测与水下成像

为验证其实际应用能力，研究团队将该传感器应用于光声气体光谱检测和水下超声成像两个典型场景。

• 在乙炔气体检测中，传感器在机械共振条件下（288 kHz）实现的最低可探测浓度为 2.9 ppm（积分时间1秒），非共振条件下（268 kHz）为13.1 ppm。研究人员将这一差异归因于机械共振对灵敏度的增强作用。

• 在水下超声成像中，传感器在 0.3 mPa 超声压力下对“F”形结构进行成像，空间分辨率为 1.89 mm。作为对比，研究团队展示了在0.7 Pa超声压力下使用商用水听器的成像结果，并指出两种传感器适用于不同的工作场景：商用水听器适用于宽带宽和高压力检测，该传感器在特定频率下的微弱信号检测方面具有优势。

图3 光声气体光谱检测与水下超声成像的应用演示

传感器采用CMOS兼容工艺在4英寸晶圆上制备，经过深反应离子刻蚀（DRIE） 释放悬浮薄膜，并与模式转换光纤共同封装为便携式传感器单元，具备晶圆级生产的可扩展性。

图4 传感器的制备与表征

研究团队指出，未来可通过几何优化进一步提升传感器灵敏度；通过抑制热折射噪声并利用多个机械模式，可显著扩展工作带宽，实现更宽频率范围内的热噪声主导灵敏度；外部反馈控制可用于实现机械模式冷却，通过降低机械品质因子扩展热噪声主导的频率范围。此外，光子集成电路的发展有望实现激光器、光谱仪、光电探测器等片上组件的协同集成，推动全集成传感器系统的发展。

论文信息：Cao, X. N., Yang, H., Wang, M., Hu, Z. G., Wu, Z. L., Wang, Y. L., Liu, J. F., Zhou, X., Li, J. C., Lao, C. H., Yang, Q. F., & Li, B. B. (2026). Integrated optomechanical ultrasonic sensors with nano-Pascal-level sensitivity. Light: Science & Applications, *15*, Article 81. https://doi.org/10.1038/s41377-026-02238-0