超声传感是生物医学成像、水下声学探测、工业无损检测、环境监测等领域的核心技术，传感器的灵敏度直接决定了探测的有效范围与空间分辨率。传统压电超声传感器在小型化、集成化与灵敏度方面面临挑战，难以满足便携式医疗设备、血管内超声探头等微小型系统的应用需求。光学微腔超声传感器凭借超高灵敏度、抗电磁干扰、芯片级集成潜力成为变革性方案，然而现有集成微环腔超声传感器的噪声等效声压仍停留在毫帕级别，难以实现超微弱声信号探测。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心李贝贝研究员团队取得重要突破，研制出一款CMOS工艺兼容、可晶圆级批量制备、超高灵敏的集成微腔光力学超声传感器，首次实现了纳帕级超高探测灵敏度，并成功将其应用于气体光声光谱检测和水下超声成像，展现出优异的多场景适配能力。这款兼具超高灵敏度与集成化特性的超声传感器件，为高端超声传感技术的实用化与多场景拓展奠定了基础。

研究团队创新性设计了基于悬浮SiO₂薄膜与内嵌其中的高Q值Si₃N₄微环腔复合结构（图1a），构建了集成微腔光力学超声传感器。利用悬浮薄膜结构的机械共振效应显著增强超声响应，同时利用高Q微腔提升光学读出灵敏度，从而大幅提升传感灵敏度。此外，该传感器可采用CMOS兼容的工艺晶圆级制备（图1b），并通过棱镜光纤封装，显著提升了器件鲁棒性（图1c-d），使其可在空气、水等多种环境中稳定工作。进一步通过将激光器、光电探测器、测控电路等元件模块化封装，将整个测量系统体积缩小至17.5 cm*17.5 cm*8.5 cm（图1e)），显著提升了传感器的便携性和实用性。

基于光学与机械共振的协同增强效应，该传感器实现了超高的超声探测灵敏度：在空气中289 kHz频率下，噪声等效声压（NEP）低至218 nPa/Hz^1/2，在水中52 kHz频率下，NEP进一步降至9.6 nPa/Hz^1/2（图2a），创下光学微腔超声传感器的灵敏度纪录（图2b）。团队进一步验证了该传感器的实际应用能力，在两大典型场景中实现了高性能应用演示：一是气体光声光谱检测（图2c），将传感器应用于乙炔（C₂H₂）气体检测，在1秒积分时间下实现了2.9 ppm的最低可检测浓度，为痕量有害气体检测、环境监测、呼气检测等应用提供了高灵敏新方案。二是水下超声成像，利用传感器对亚克力样品进行透射成像（图2d），实现了1.89 mm的高空间分辨率，可在0.3 mPa的极弱超声激励下清晰成像，相比商用水听器（需0.7 Pa激励声压）灵敏度提升三个数量级，展现出水下高分辨率成像与远距离目标探测的巨大潜力。未来通过结构优化、噪声抑制、光电集成等技术升级，可将传感器性能进一步提升，有望推动其从实验室原理样机走向便携式、可穿戴传感应用，为生物医学微纳超声成像、工业精密无损检测、海洋声学监测、环境痕量气体检测等领域带来全新技术革新。

相关研究成果以 “Integrated optomechanical ultrasonic sensors with nano-Pascal-level sensitivity” 为题发表于Light: Science & Applications。中国科学院物理研究所博士生曹雪凝、杨昊、王敏为共同第一作者，李贝贝研究员为通讯作者，北京大学杨起帆研究员等参与合作研究。研究工作得到了科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1、中国科学院基础研究青年团队等项目资助，同时器件制备得到了物理所综合极端条件实验装置的大力支持。文章链接为：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02238-0

Cao, X., Yang, H., Wang, M. et al. “Integrated optomechanical ultrasonic sensors with nano-Pascal-level sensitivity,”. Light Sci. Appl. 15, 171 (2026).

图1. 集成微腔光力学超声传感器图像。(a)集成微腔光力学超声传感器概念图。右侧插图：三种集成微环腔超声传感器结构的超声响应对比：(i)非悬空结构，(ii)非机械共振悬空结构，(iii)机械共振悬空结构。(b)制备过程中四英寸晶圆。(c)封装的传感器芯片。(d)单个传感器光学图像。(e)集成封装的传感器系统。

图2. 集成微腔光力学超声传感器性能表征。(a)传感器灵敏度谱（上图：空气中灵敏度；下图：水中灵敏度）。(b)不同体系超声传感器灵敏度对比。(c)气体光声光谱检测（上图：检测装置示意图；下图：乙炔气体光声光谱）。(d)水下超声成像（上图：成像装置示意图；下图：成像结果）。