超声波传感技术已成为现代诊断与监测体系的核心支柱，广泛应用于医疗成像、无损检测、水下声学及工业过程监控等领域。然而，传统压电换能器在微型化、集成度及灵敏度方面面临严峻挑战，难以满足便携式医疗设备或血管内超声探头等对空间分辨率要求极高的场景。尽管压电微机械超声换能器（PMUTs）和电容式微机械超声换能器（CMUTs）在阵列密度和电子集成上有所进步，但它们仍易受电磁干扰，且灵敏度不足以应对高电压环境下的监测或颅脑超声成像等下一代应用需求。
基于光学微腔的超声传感器作为一种变革性替代方案，凭借前所未有的灵敏度、抗电磁干扰能力及芯片级集成潜力，正迅速崛起。虽然光纤微腔传感器在内窥镜应用中展现出前景，但其依赖笨重光学组件且难以大规模阵列化。相比之下，与CMOS工艺兼容的硅基微环谐振器平台更具规模化优势。尽管现有集成传感器已具备宽检测带宽，但受限于光学品质因子（Q值）较低及厚基底导致的机械位移受限，其噪声等效压力（NEP）通常仅在毫帕（mPa）量级，难以实现纳米帕（nPa）级的超灵敏探测。
本研究开发了一种新型集成化、可量产的光机械超声传感器，成功将灵敏度提升至纳米帕级别。该传感器由悬浮二氧化硅（SiO2）膜与嵌入其中的高品质氮化硅（Si3N4）微环谐振器组成。通过同时利用光学与机械共振，该器件在空气中289 kHz处实现了218 nPa Hz⁻¹/²的创纪录低噪声等效压力，在水中52 kHz处更是达到了9.6 nPa Hz⁻¹/²的极致灵敏度。这一突破主要得益于悬浮膜结构对机械位移的显著放大作用，以及高Q值微环谐振器对光信号的高效调制。
在器件制造方面，研究团队采用了晶圆级工艺流程，通过电子束光刻与反应离子刻蚀制备氮化硅微环，并利用深反应离子刻蚀（DRIE）技术选择性去除硅基底，形成悬浮SiO2膜。这种设计不仅最大化了机械位移，还通过模式转换光纤实现了紧凑封装，确保了传感器在复杂环境下的鲁棒性与便携性。实验数据显示，该传感器在水中的光学Q值高达1.33×10⁶，与空气中表现相当，证明了封装工艺能有效保护光学性能。
为验证其应用潜力，团队在空气光声气体光谱学和水下超声成像两个场景中进行了测试。在气体检测中，该传感器成功实现了2.9 ppm的乙炔（C2H2）最低检测浓度（积分时间1秒），信噪比显著优于非共振状态。在水下成像实验中，利用传感器的517 kHz机械模式，成功对带有"F"形槽的样品进行了高分辨率扫描，空间分辨率达到1.89 mm。值得注意的是，即使在超声波压低至0.3 mPa的极端微弱信号下，该传感器的成像效果仍优于传统商用水听器（通常工作在0.7 Pa量级），展现了其在超弱信号探测领域的绝对优势。
对于中国超声传感行业而言，这项技术突破标志着从“宏观探测”向“微观感知”的关键跨越。随着国内在微纳加工与光子集成领域的投入加大，此类高灵敏度、CMOS兼容的传感器有望在高端医疗内窥镜、工业无损检测及环境监测等“卡脖子”领域实现国产替代，推动中国超声技术向超精密、微型化方向加速演进。