Design and Optimization of an Air-Coupled Opto-Mechanical Ultrasound Sensor for High Sensitivity

Abstract

We present a CMOS-compatible opto-mechanical ultrasonic sensor that integrates a silicon-photonic ring resonator with a MEMS cantilever phase shifter to enable non-contact, air-coupled nondestructive testing (NDT). Ultrasound pressure drives out-of-plane cantilever motion, modulating the gap-dependent effective index near the bus waveguide and shifting the ring resonance. A slope-biased readout at the half-maximum of the Lorentzian transmission converts nanometer-scale resonance excursions into large intensity changes, with sensitivity reinforced by operation near critical coupling. The device is implemented on 8-in SOI using three silicon etches and vapor-phase HF release, and packaged with a 127-µm-pitch fiber array for stable, repeatable coupling.

A water-coupled preliminary test confirms on-chip transduction: the spectrum shows a resonance near 6.5 MHz with ~62% (−3 dB) fractional bandwidth and a system-level sensitivity of ~0.41 µV/Pa. In air, broadband photoacoustic excitation yields a dominant peak near 2.8–3.0 MHz, consistent with the designed cantilever mode. Despite being off-resonance at 1 MHz, the sensor exhibits higher area-normalized sensitivity than a 1-MHz piezoelectric reference, indicating advantageous sensitivity density for arrays. For air-coupled NDT on aluminum plates, back-wall echoes from 15 mm and 9.6 mm samples show round-trip delays of ~4.5–4.7 µs and ~2.8–3.0 µs, respectively; the delay ratio (~1.6) matches the thickness ratio (~1.56), validating thickness estimation from time-of-flight without couplant. These results demonstrate a compact, manufacturable sensing architecture and an optimization-to-measurement workflow that link mechanical resonance, coupler setting, and ring metrics to achieved sensitivity, enabling practical air-coupled NDT on a silicon-photonics platform.|본 연구는 실리콘 포토닉스 링 공진기와 MEMS 캔틸레버 위상 천이기를 통합한 CMOS 호환 옵토-메카니컬 초음파 센서를 제안하고, 공기 전파(비접촉) 비파괴검사(NDT)에 적용 가능함을 검증한다. 초음파 압력은 캔틸레버의 수직 진동을 유도하여 버스 웨이브가이드 인근의 격자 간극 의존 유효굴절률을 변조하고, 이에 따른 링 공진 파장을 미소하게 이동시킨다. 로렌츠 곡선 전달 스펙트럼의 반치점에 레이저 파장을 바이어스(slope-biased)함으로써 공진 파장 이동을 큰 강도 변화로 선형 읽어들이며, 링–버스 결합을 임계 결합 근처로 설정해 기울기 이득을 극대화한다. 소자는 8-인치 SOI 공정(3회 실리콘 건식 식각, 증발 HF 박리)으로 제작하였고, 127-µm 피치 파이버 어레이 패키징을 통해 안정적·재현적 결합을 확보하였다.

수중 예비 실험에서 6.5 MHz 부근 공진과 약 62%(−3 dB) 분수 대역폭, 시스템 민감도 ~0.41 µV/Pa를 확인하여 온칩 변환을 입증했다. 대기 중 광음향 광대역 구동 시, 설계된 캔틸레버 모드에 부합하는 2.8–3.0 MHz 피크가 관측되었으며, 1 MHz에서(비공진 조건)조차 1 MHz 압전 기준 센서 대비 면적 정규화 민감도가 더 높게 나타나 어레이 확장에 유리한 민감도 밀도를 보였다. 알루미늄 판(두께 15 mm, 9.6 mm)에 대한 공기 전파 NDT에서는 후벽 반사가 각각 약 4.5–4.7 µs, 2.8–3.0 µs의 왕복 지연으로 관측되었고, 지연 비(~1.6)가 두께 비(~1.56)와 정합하여 커플런트 없이 시간지연 기반 두께 추정이 가능함을 확인하였다. 제안 센서는 기계 공진–결합기 설정–링 지표를 민감도로 체계적으로 연결하는 설계-최적화-측정 방법론과 함께, 실리콘 포토닉스 기반 공기 전파 NDT의 실용 가능성을 제시한다.