[发明专利]用于传感应用的回音壁模式谐振器

说明书

本文公开了传感装置和制造所述传感装置的方法。在一些变型中，传感装置可包含至少一个光波导和至少一个回音壁模式(WGM)谐振器(1602a‑c)，所述WGM谐振器被配置为传播一组WGM，其中所述WGM谐振器(1602a‑c)向所述至少一个光波导(1601a‑c)传送对应于所述一组WGM的一组信号。在一些变型中，聚合物结构可封装所述至少一个WGM谐振器和/或所述至少一个光波导。另外，在一些变型中，所述WGM谐振器可具有一种或多种具有不同带宽和灵敏度的可选模式以用于传感，这可例如能够使所述传感装置适应具有特定带宽和/或灵敏度要求的特定应用。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月9日提交的美国专利申请序列第62/945,538号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般总体上传感平台领域，并且具体地涉及使用回音壁模式(WGM)谐振器进行超声传感的方法和设备。

背景技术

使用超声传感的传感应用因其提供的优势而广受青睐。举例来说，在医学成像领域，已知超声成像是一种有利的非侵入性成像形式。

常规的超声传感使用压电材料，如锆钛酸铅(PZT)、聚合物厚膜(PTF)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。这些材料有若干个缺点。举例来说，与使用压电材料相关联的一些挑战包括高操作电压要求、高电场要求(可导致击穿和故障)、具有高滞后的非线性响应和有限的检测角度。

因此，需要用于包括超声传感的各种传感应用的新的和改进的设备和方法。

发明内容

一般而言，在一些变型中，装置可包括至少一个光波导、一个或多个回音壁模式(WGM)谐振器(例如，多个WGM谐振器)和聚合物结构。每个WGM谐振器可被配置为传播第一组WGM。聚合物结构可封装至少一个光波导和多个WGM谐振器中的至少一个WGM谐振器。至少一个WGM谐振器可光学耦合到至少一个光波导，使得至少一个WGM谐振器可将对应于第一组WGM的第一组信号传送到至少一个光波导。

在一些变型中，聚合物结构可包括背衬区域和/或匹配区域。背衬区域可被配置为衰减残余超声回波以防止混响。匹配区域可被配置为增加一个或多个WGM谐振器的WGM频率响应的带宽。另外，匹配区域可附加地被配置为改进到一个或多个WGM谐振器的超声传输。

在一些变型中，至少一个光波导可嵌入背衬区域中。另选地，至少一个光波导可嵌入匹配区域中。背衬区域和/或匹配区域的折射率可低于至少一个光波导的折射率。

在一些变型中，至少一个WGM谐振器可嵌入聚合物结构的匹配区域中。聚合物结构的有效折射率可低于至少一个WGM谐振器的折射率。在一些变型中，聚合物结构包含超声增强材料。聚合物结构的有效声阻抗可匹配至少一个WGM谐振器的有效声阻抗。

在一些变型中，响应于接收超声回波，至少一个WGM谐振器可被配置为传播第二组WGM。至少一个WGM谐振器可将对应于第二组WGM的第二组信号传送到至少一个光波导。该装置另外可包括可通信地耦合到至少一个光波导的光检测器。至少一个光波导可被配置为将第一组信号和第二组信号传播到光检测器。在一些变型中，包含该装置和多个阵列元件(例如，压电传感器、单晶材料传感器、压电微机械超声换能器(PMUT)和电容微机械超声换能器传感器(CMUT))的系统可被配置为生成一组超声信号。超声回波可对应于该组超声信号。

在一些变型中，至少一个光波导可包含光纤或集成光子波导。在一些变型中，至少一个光波导可耦合到光源。光源可包含宽带光或可调谐激光源。

在一些变型中，至少一个WGM谐振器可为微球谐振器或微泡谐振器。在一些变型中，至少一个WGM谐振器可包含中空室(例如，微泡谐振器)。中空室可包括超声增强材料。