專利名稱：一種平面核磁共振微線圈微檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面核磁共振微線圈微檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
核磁共振(nuclear magnetic resonance，即NMR)是指核磁矩不為零的核，在外磁場(chǎng)的作用下，核自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一特定頻率的射頻輻射的物理過(guò)程。由于塞曼分裂的大小與分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，因而NMR能提供有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)及分子動(dòng)力學(xué)的信息，成為分子結(jié)構(gòu)解析的一個(gè)有力工具，這一點(diǎn)是其他的分析方法所不具備的。核磁共振的方法與技術(shù)作為分析物質(zhì)的手段，由于其可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，并具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)而得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已經(jīng)從物理學(xué)滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學(xué)科，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。然而，與其他的分析方法相比，NMR的檢測(cè)靈敏度相對(duì)較低(檢測(cè)限約為10-9mol)，NMR的分析樣品的體積一般在10-100mm3，這限制了NMR在微、納尺寸樣品分析中的應(yīng)用。另外，NMR檢測(cè)的相關(guān)設(shè)備(線圈、磁體等)體積相對(duì)較大，設(shè)備的價(jià)格以及使用維護(hù)成本較高，非常不利于其在生物、化學(xué)等領(lǐng)域中的常規(guī)應(yīng)用。
因此，為了使NMR檢測(cè)分析技術(shù)能夠得到更加廣泛深入的應(yīng)用，要解決兩個(gè)問(wèn)題，首先是要提高NMR的檢測(cè)靈敏度，其次是減小NMR檢測(cè)設(shè)備的體積，達(dá)到微型化、集成化、與便攜化的要求。
為了提高NMR的檢測(cè)靈敏度，可以采用微線圈作為射頻(RF)和接收線圈的方法。由于射頻線圈的性能決定NMR檢測(cè)中的信噪比(SNR)，當(dāng)RF線圈的尺寸與待測(cè)樣品相匹配時(shí)，NMR信號(hào)最大，信噪比SNR與單位電流在線圈中央產(chǎn)生的磁場(chǎng)Buc、線圈的串聯(lián)電阻Rc、線圈的特征長(zhǎng)度d的關(guān)系為SNR∝BucRc∝d-1/2]]>從上式可以看出，為了提高檢測(cè)靈敏度，微線圈的尺寸必須與樣品相匹配。在外磁場(chǎng)、樣品的種類和體積確定的情況下，可以通過(guò)微加工工藝的優(yōu)化，提高線圈厚度，增加線圈匝數(shù)，來(lái)減小線圈的串聯(lián)電阻，達(dá)到提高檢測(cè)靈敏度的目的。
通過(guò)將微線圈與微流道結(jié)構(gòu)集成，構(gòu)建新型的平面微線圈核磁共振微檢測(cè)器件，可以減小NMR檢測(cè)設(shè)備的體積，達(dá)到降低成本，擴(kuò)展應(yīng)用的目的。因此，通過(guò)采用微線圈以及將微線圈與微流道結(jié)構(gòu)集成的方法，可以同時(shí)解決提高NMR檢測(cè)分析技術(shù)的靈敏度和減小NMR檢測(cè)設(shè)備的體積的問(wèn)題。同時(shí)，為了便于集成，還需要采用基于MEMS技術(shù)平面工藝加工的平面結(jié)構(gòu)的微線圈。
國(guó)外對(duì)于基于MEMS技術(shù)的平面核磁共振微線圈的研究始于二十世紀(jì)九十年代中期，國(guó)外的學(xué)者注意到螺線管核磁共振射頻微線圈加工難度大、在微尺度下難以同微量樣品定位、兼容性差，于是將目光轉(zhuǎn)向使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)加工的平面核磁共振射頻微線圈上。平面微線圈具有設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便靈活、可以與含有微流道結(jié)構(gòu)的芯片整合，構(gòu)成新型的微分析器件。早期的平面核磁共振微線圈的直徑從20μm至幾百μm不等，主要加工在玻璃或砷化鎵底片上，這些微線圈由于厚度較薄，導(dǎo)致串聯(lián)電阻相對(duì)較高，Q值(即quality factor，稱為品質(zhì)因數(shù)，是反映線圈性能的重要指標(biāo)，定義為線圈每個(gè)諧振周期儲(chǔ)能與耗能之比，Q值越大，表示線圈在工作頻率即共振頻率下對(duì)信號(hào)的放大能力越強(qiáng))相對(duì)較小，影響NMR信號(hào)測(cè)量的靈敏度和分辨率。為此，科研人員改進(jìn)了平面核磁共振微線圈加工工藝。2002年，瑞典的EPEL微系統(tǒng)研究所的Massin等人采用SU-8鑄模和銅電鍍加工技術(shù)，在玻璃底片上的加工平面微線圈，這種微線圈的電阻小于1歐姆，在300MHz下Q值為24，他們使用500μm直徑的微線圈測(cè)得了160nl的乙苯的1H-NMR波譜。2003年，Massin等人又報(bào)道了銅電鍍平面核磁共振微線圈與加工在玻璃上的含有微流道結(jié)構(gòu)的芯片集成的微分析器件，它的檢測(cè)體積為470nl，可以測(cè)得溶解在D20里的160μg的1H-NMR波譜。目前國(guó)際上對(duì)于平面核磁共振微線圈檢測(cè)技術(shù)的研究已從優(yōu)化微線圈的加工工藝，改善微線圈的工作性能的起步階段，進(jìn)入到一些實(shí)質(zhì)的應(yīng)用研究階段，國(guó)內(nèi)還未有這方面研究的相關(guān)報(bào)道。
從目前國(guó)內(nèi)外的研究情況來(lái)看，核磁共振平面微線圈檢測(cè)技術(shù)的研究雖然發(fā)展較快，但還存在著一些亟待解決的問(wèn)題，首先，目前用于核磁共振微檢測(cè)的平面微線圈多加工于硅、玻璃或砷化鎵等基片上，這種類型的基片不僅脆性較高，容易毀壞，而且不能用于較粗糙的表面，這些極大的限制了其適用范圍；另外，平面微線圈核磁共振微檢測(cè)器件由核磁共振平面微線圈和微流道結(jié)構(gòu)組成，目前的做法是將這兩種結(jié)構(gòu)加工在不同的芯片上，然后進(jìn)行集成，這不但增加了成本，并且由于結(jié)構(gòu)的原因增加了檢測(cè)樣品與微線圈的距離，極大的降低了檢測(cè)靈敏度；上面提到的這些問(wèn)題的解決將會(huì)極大地推動(dòng)核磁共振平面微線圈檢測(cè)技術(shù)的普及和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的基片脆性較高，容易毀壞，不能用于較粗糙的表面，以及平面微線圈和微流道結(jié)構(gòu)分別加工于不同的基片上，使得流經(jīng)微流道結(jié)構(gòu)的樣品與線圈距離較遠(yuǎn)，降低了檢測(cè)靈敏度的缺點(diǎn)，提出一種采用新結(jié)構(gòu)的平面微線圈核磁共振微檢測(cè)器。
本發(fā)明加工于聚酰亞胺(polyimide)基片上。聚酰亞胺是一種聚合材料，具有高機(jī)械穩(wěn)定性，高熱學(xué)和化學(xué)惰性，高介電常數(shù)等特點(diǎn)，且柔韌性非常好，適合應(yīng)用于各種極端環(huán)境和工作表面。本發(fā)明由平面核磁共振微線圈和微流道結(jié)構(gòu)組成，采用一體式設(shè)計(jì)，即平面核磁共振微線圈和微流道結(jié)構(gòu)共同加工在同一片聚酰亞胺基片上，其中平面核磁共振微線圈加工在聚酰亞胺基片表面，微流道包埋在位于微線圈正下方的基片內(nèi)部。
首先，采用MEMS即微細(xì)加工技術(shù)將平面核磁共振微線圈加工于聚酰亞胺基片表面上。加工過(guò)程采用了鑄模、噴鍍等工藝，這樣加工出的平面核磁共振微線圈厚度大，串聯(lián)電阻低，Q值相對(duì)較高，可大大提高NMR信號(hào)測(cè)量的靈敏度和分辨率。同時(shí)在聚酰亞胺基片表面加工焊盤(pán)、引線，焊盤(pán)通過(guò)引線與平面核磁共振微線圈相聯(lián)，方便與其他電路連接。本發(fā)明可以在傳統(tǒng)的光刻工藝基礎(chǔ)上方便的加工出形狀、尺寸符合設(shè)計(jì)要求的微線圈，可與微量樣品準(zhǔn)確定位，提高檢測(cè)靈敏度。
接著采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在位于平面核磁共振微線圈正下方的聚酰亞胺基片的另一面加工出微流道結(jié)構(gòu)，然后再利用高溫鍵合工藝將另一片聚酰亞胺薄片與聚酰亞胺基片的底部封閉，形成完整的微流道結(jié)構(gòu)，這樣可以使平面核磁共振微線圈與檢測(cè)樣品的距離大大的縮小，極大提高了檢測(cè)靈敏度。
本發(fā)明最重要的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到無(wú)損、實(shí)時(shí)的檢測(cè)要求，并可以給出檢測(cè)樣品的分子構(gòu)像的信息，這些優(yōu)點(diǎn)是其他的檢測(cè)方法所無(wú)法比擬的。因此，本發(fā)明可應(yīng)用于納升級(jí)樣品的分析檢測(cè)、化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、生物組織與細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況(能量代謝、PH值、溫度等)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為平面核磁共振微線圈，2為微流道結(jié)構(gòu)，3為聚酰亞胺基片，4為聚酰亞胺薄片；圖2是平面核磁共振微線圈結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為平面核磁共振微線圈，5為焊盤(pán)，6為微線圈引線。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施例，本發(fā)明由平面核磁共振微線圈1和微流道結(jié)構(gòu)2組成，采用一體式設(shè)計(jì)，即平面核磁共振微線圈1和微流道結(jié)構(gòu)2共同加工在同一片聚酰亞胺基片3上，其中平面核磁共振微線圈1加工在聚酰亞胺基片3表面，微流道結(jié)構(gòu)2為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，加工在聚酰亞胺基片3的另一面，由一聚酰亞胺薄片4包埋在位于平面核磁共振微線圈1正下方的聚酰亞胺基片3內(nèi)部。
本發(fā)明的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是平面核磁共振微線圈1和微流道結(jié)構(gòu)2。平面微線圈核磁共振微檢測(cè)器件加工分為兩個(gè)步驟，先加工平面核磁共振微線圈1，再加工微流道結(jié)構(gòu)2。分別說(shuō)明如下加工平面核磁共振微線圈1利用電子束曝光設(shè)備加工掩膜版。平面核磁共振微線圈1加工在聚酰亞胺基片3上，先使用SU-8膠鑄模技術(shù)加工線圈的模具首先在聚酰亞胺基片表面上沉積Ti(5nm)\Cu(100nm)種子層，然后采用紫外光刻技術(shù)，利用SU-8作為光刻膠在聚酰亞胺基片表面上加工出線圈的模具。再利用銅噴鍍工藝加工出具有高Q值的平面核磁共振微線圈1，同時(shí)也加工出焊盤(pán)5、引線6等；平面核磁共振微線圈1的寬度為40-60微米，厚度為60-100微米，內(nèi)直徑為500微米-2毫米，匝數(shù)為3-12。平面核磁共振微線圈1的焊盤(pán)5和引線6的厚度為5-10微米，平面核磁共振微線圈1及其焊磐5和引線6如圖2所示。在聚酰亞胺材料上利用SU-8膠加工模具，比其他光刻膠加工出來(lái)的模具有更大的深寬比。
平面核磁共振線圈1的寬度、厚度、匝數(shù)等參數(shù)可使用專用軟件根據(jù)檢測(cè)樣品的情況設(shè)計(jì)。為使檢測(cè)靈敏度最高，平面核磁共振微線圈1的大小盡量與檢測(cè)樣品相匹配，即線圈1的檢測(cè)區(qū)域與樣品的覆蓋區(qū)域相當(dāng)，而且線圈1與樣品的距離盡量靠近。
加工微流道結(jié)構(gòu)2可使用專用軟件設(shè)計(jì)微流控芯片的形狀尺寸，利用電子束曝光設(shè)備加工掩膜版，接著采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在位于平面核磁共振微線圈1正下方的聚酰亞胺基片3另一面加工出微流道結(jié)構(gòu)2，然后再利用高溫鍵合工藝將另一片聚酰亞胺薄片4與聚酰亞胺基片3的底部封閉，形成完整的微流道結(jié)構(gòu)。微流道結(jié)構(gòu)2的寬度與平面核磁共振微線圈4的內(nèi)直徑相等，其頂部距平面核磁共振微線圈1底部為20微米-30微米。
本發(fā)明工作方式如下在微流道結(jié)構(gòu)2上完成采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離等分析步驟之后，待測(cè)樣品到達(dá)靠近平面核磁共振微線圈1的檢測(cè)區(qū)。施加固定的外磁場(chǎng)，以平面核磁共振微線圈1作為射頻激勵(lì)器，在寬帶脈沖發(fā)生器的作用下，引起樣品中的自旋核共振，產(chǎn)生NMR信號(hào)，平面核磁共振微線圈1再作為信號(hào)接收器接收信號(hào)，獲得NMR波譜。
權(quán)利要求
1.一種平面核磁共振微線圈微檢測(cè)器，由平面核磁共振微線圈[1]和微流道結(jié)構(gòu)[2]組成，其特征在于平面核磁共振微線圈[1]加工在聚酰亞胺基片[3]表面，微流道結(jié)構(gòu)[2]為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，加工在聚酰亞胺基片[3]的另一面，由一聚酰亞胺薄片[4]包埋在位于平面核磁共振微線圈[1]正下方的聚酰亞胺基片[3]內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面核磁共振微線圈微檢測(cè)器，其特征在于微流道結(jié)構(gòu)[2]的寬度與平面核磁共振微線圈[1]的內(nèi)直徑相等，其頂部距平面核磁共振微線圈[1]底部為20微米-30微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面核磁共振微線圈微檢測(cè)器，其特征在于利用電子束曝光設(shè)備加工掩膜版，首先，在聚酰亞胺基片表面上沉積Ti(5nm)\Cu(100nm)種子層，然后采用紫外光刻技術(shù)，利用SU-8作為光刻膠在聚酰亞胺基片表面上加工出線圈的模具，再利用銅噴鍍工藝在聚酰亞胺基片[3]的表面加工出平面核磁共振微線圈[1]，同時(shí)加工出焊盤(pán)[5]、引線[6]；接著采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在位于平面核磁共振微線圈[1]正下方的聚酰亞胺基片[3]的另一面加工出微流道結(jié)構(gòu)[2]，然后再利用高溫鍵合工藝將另一片聚酰亞胺薄片[4]與聚酰亞胺基片[3]的底部封閉。
全文摘要
一種平面核磁共振微線圈微檢測(cè)器，由平面核磁共振微線圈[1]和微流道結(jié)構(gòu)[2]組成，采用一體式設(shè)計(jì)，平面核磁共振微線圈[1]加工在聚酰亞胺基片[3]表面，微流道結(jié)構(gòu)[2]為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，加工在聚酰亞胺基片[3]的另一面，由一聚酰亞胺薄片[4]包埋在位于平面核磁共振微線圈[1]正下方的聚酰亞胺基片[3]內(nèi)部。工作時(shí)，平面核磁共振微線圈同時(shí)作為射頻激勵(lì)器和信號(hào)接收器，激勵(lì)待測(cè)樣品產(chǎn)生NMR信號(hào)，并獲得NMR波譜。本發(fā)明可以滿足無(wú)損、實(shí)時(shí)的檢測(cè)要求，并可以給出檢測(cè)樣品的分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)像的信息?？蓱?yīng)用于包括微量樣品的分析檢測(cè)、化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、生物組織與細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01R33/44GK1971259SQ200610164809
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月6日
發(fā)明者王明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所