基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及到一種基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭,該探頭結(jié)構(gòu)包含平面線圈、上部引線、第一焊盤(pán)、第二焊盤(pán)、金屬化內(nèi)通孔、金屬化外通孔、底部引線和PCB襯底。平面線圈的外端通過(guò)上部引線接第一焊盤(pán),平面線圈的內(nèi)端通過(guò)金屬化內(nèi)通孔、底部引線、金屬化外通孔與第二焊盤(pán)連接?,F(xiàn)有的NMR探頭在制作中存在工藝復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)、不可批量、阻抗高等問(wèn)題。本發(fā)明提供的基于PCB平面線圈的NMR探頭采用PCB技術(shù),具有制作簡(jiǎn)單、成本低、周期短、可批量化等優(yōu)點(diǎn);本發(fā)明提供的基于PCB平面線圈的NMR探頭主要應(yīng)用于低場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域(主磁場(chǎng)B0≤1.4T),當(dāng)平面線圈的自諧振頻率處于幾百兆范圍時(shí),也可以應(yīng)用于核磁共振成像領(lǐng)域甚至高場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種基于印刷電路板(printed circuit board, PCB)平面線圈的低場(chǎng)NMR探頭。
【背景技術(shù)】
[0002]核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)技術(shù)因無(wú)損檢測(cè)而聞名于分析領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用于化學(xué)結(jié)構(gòu)分析、分子動(dòng)力學(xué)、診斷成像以及其他領(lǐng)域。近幾年,應(yīng)用于分析的核磁共振分析儀朝著低成本、高精度、便攜式方向發(fā)展,而基于核磁共振線圈的NMR探頭作為核磁共振分析儀的重要部件之一,對(duì)信號(hào)的發(fā)送與接收具有決定性作用。因此,尋找一種成本低廉、方法簡(jiǎn)單、靈敏度高、可批量制作的線圈,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前,有諸多研究涉及到核磁共振線圈的制作以及應(yīng)用。Peck等(Design andanalysis of microcoils for NMR microscopy.Journal of Magnetic Resonance SeriesB,1995.108(2):p.114-124.)在毛細(xì)管上手工纏繞螺線管線圈,線圈品質(zhì)因數(shù)表現(xiàn)較高,但因手工纏繞,不可批量制作。Massin 等(Planar microcoil-based microfluidicNMR probes.Journal of Magnetic Resonance,2003.164(2):p.242-255.)和 Hsieh 等(Multilayer high-aspect-ratio RF coil for NMR applications.Microsystem Technologies, 2011.17(8):p.1311-1317.)基于玻璃襯底,運(yùn)用光刻和電鍍技術(shù),制作易于微流通道集成的微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanic system, MEMS)線圈,但是線圈結(jié)構(gòu)多孔且表面粗糖。Kratt 等(Afully MEMS-compatible process for 3D high aspect ratiomicro coils obtained with an automatic wire bonder.Journal of Micromechanicsand Microengineering, 2010.20 (I):p.015021.)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn) MEMS 方法,釆用自動(dòng)引線鍵合技術(shù)批量制作3D微型線圈,不過(guò)這種方法制得的鍵合線線圈的直徑局限于光刻和SU-8支柱的機(jī)械強(qiáng)度。Rogers 等(Using microcontact printing to fabricate microcoils oncapillaries for high resolution proton nuclear magnetic resonance on nanolitervolumes.Applied Physics Letters, 1997.70 (18):p.2464-2466.)在毛細(xì)管上運(yùn)用微印刷和電鍍方法制作螺線管線圈,雖然制作方法新穎,但是線圈阻抗表現(xiàn)很高。Sillerud等(H-1NMR Detection of superparamagnetic nanoparticles at ITusing a microcoil andnovel tuning circuit.Journal of Magnetic Resonance,2006.181 (2):p.181-190.)米用聚焦離子束(focused ion beam,F(xiàn)IB)加工技術(shù)制作直徑550 μ m的螺線管微型線圈,不過(guò)其制作成本昂貴。Kong 等(Adhesive-based liquid metal radio-frequency microcoilfor magnetic resonance relaxometry measurement.Lab on a Chip, 2012.)基于堆找多層激光切割膠黏劑制作液態(tài)金屬微型線圈,由于液態(tài)金屬鎵的電導(dǎo)率低,線圈靈敏度較低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明要解決的是現(xiàn)有線圈制作中存在工藝復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)、不可批量、阻抗高等問(wèn)題。[0004]技術(shù)方案:為了解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種基于PCB平面線圈的低成本、制作周期短、可批量化的低場(chǎng)NMR探頭,該探頭基于PCB技術(shù),其結(jié)構(gòu)由平面線圈、通孔、引線和焊盤(pán)組成。
[0005]本發(fā)明的基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭以PCB襯底為基板,在PCB襯底上方設(shè)有平面線圈、上部引線、第一焊盤(pán)和第二焊盤(pán),平面線圈的外端通過(guò)上部引線接第一焊盤(pán),平面線圈的內(nèi)端通過(guò)金屬化內(nèi)通孔、底部引線和金屬化外通孔與第二焊盤(pán)連接。
[0006]PCB襯底材料采用玻璃纖維、不織物料和樹(shù)脂組成的絕緣材料。
[0007]位于平面線圈、通孔、引線、焊盤(pán)是連接一體的,平面線圈、通孔、引線和焊盤(pán)均采用銅材料制成,金屬銅的外表面也可以沉金或鍍金。
[0008]平面線圈的結(jié)構(gòu)形狀為螺旋圓形、正方形、六邊形、八邊形以及η邊形;η≥4,為偶數(shù)。
[0009]NMR探頭主要應(yīng)用于低場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域(主磁場(chǎng)Btl ≤ 1.4Τ);當(dāng)平面線圈的自諧振頻率處于幾百兆范圍時(shí),也可以應(yīng)用于核磁共振成像領(lǐng)域甚至高場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域。
[0010]PCB平面線圈(I)既可以與外圍電路各自獨(dú)立,采用金絲(或鋁絲)鍵合;也可以將PCB平面線圈⑴與外圍電路集成連接在同一個(gè)PCB上。
[0011]上述方案中,被檢液態(tài)樣品放入兩端封閉的毛細(xì)管中,毛細(xì)管直接放到PCB平面線圈正上方;或被檢固態(tài)樣品直接放入載玻片上,載玻片直接放到PCB平面線圈正上方。
[0012]有益效果:
[0013]1、本發(fā)明提供的這種基于PCB平面線圈的低場(chǎng)NMR探頭可以實(shí)現(xiàn)低成本、短周期、工藝簡(jiǎn)單、可批量化制作。
[0014]2、本發(fā)明提供的這種基于PCB平面線圈的低場(chǎng)NMR探頭,采用的金屬銅材料使PCB平面線圈阻抗值較低。
[0015]3、本發(fā)明提供的這種基于PCB平面線圈的低場(chǎng)NMR探頭,可以應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域的樣品分析,部分情況下(平面線圈的自諧振頻率處于幾百兆范圍),可以應(yīng)用于核磁共振成像領(lǐng)域甚至高場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的等軸測(cè)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0020]圖中:1.平面線圈,21.金屬化內(nèi)通孔,22.金屬化外通孔,31.上部引線,32.底部引線,41.第一焊盤(pán),42.第二焊盤(pán),5.PCB襯底。平面線圈I的厚度h,平面線圈I的寬度W,平面線圈I的線圈間距S。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合具體實(shí)施例,并參考附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。[0022]如圖1所示,本發(fā)明提供的這種基于印刷電路板(printed circuit board, PCB)平面線圈的低場(chǎng)NMR探頭結(jié)構(gòu),該探頭結(jié)構(gòu)包含平面線圈1、金屬化內(nèi)通孔21、金屬化外通孔22、上部引線31、底部引線32、第一焊盤(pán)41、第二焊盤(pán)42和PCB襯底5,平面線圈I的外端通過(guò)上部引線31連接到第一焊盤(pán)41,平面線圈I的內(nèi)端經(jīng)過(guò)金屬化內(nèi)通孔21連接至底部引線32,再經(jīng)過(guò)金屬化外通孔22連接至第二焊盤(pán)42。
[0023]這種基于PCB的NMR探頭主要應(yīng)用于低場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域(主磁場(chǎng)Bci ( 1.4T);當(dāng)平面線圈的自諧振頻率處于幾百兆范圍時(shí),可以應(yīng)用于核磁共振成像領(lǐng)域甚至高場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域。
[0024]如圖2所示,平面線圈1、金屬化內(nèi)通孔21、金屬化外通孔22、上部引線31、底部引線32、第一焊盤(pán)41、第二焊盤(pán)42是連接一體的,平面線圈1、金屬化內(nèi)通孔21、金屬化外通孔22、上部引線31、底部引線32、第一焊盤(pán)41和第二焊盤(pán)42均采用低阻抗率的銅材料制成,為了防止金屬銅被氧化,其外表面主要采用沉金或鍍金技術(shù)。
[0025]PCB襯底5材料采用玻璃纖維、不織物料和樹(shù)脂等組成的絕緣材料,例如FR-4。
[0026]如圖3所示,平面線圈I的結(jié)構(gòu)圖案可以采用經(jīng)典的螺旋圓形,也可以采用正方形、六邊形、八邊形以及η邊形(η≥4,為偶數(shù))。
[0027]請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2,平面線圈I的線寬w和匝間間距s應(yīng)盡量小,在PCB分辨率技術(shù)允許的情況下取幾十微米;平面線圈I的內(nèi)徑Cl1也應(yīng)盡可能小,具體視檢測(cè)對(duì)象的體積大小而定,盡可能地使平面線圈I的填充因數(shù)最大化;平面線圈I的厚度h—般位于20?50微米之間,可以由半盎司(或17.5微米)厚的銅箔層、一盎司(或35微米)厚的鍍銅層以及38.1納米厚的鍍金層(或沉金層)疊加而成;平面線圈I的匝數(shù)可以通過(guò)具體應(yīng)用下的拉莫爾頻率,并結(jié)合信噪比理論計(jì)算出最佳匝數(shù)。
[0028]本發(fā)明的工作過(guò)程如下:首先在網(wǎng)絡(luò)分析儀的儀器上,采用L型調(diào)諧匹配電路,將基于PCB平面線圈的低場(chǎng)NMR探頭調(diào)諧匹配至50 Ω,再將調(diào)諧匹配后的NMR探頭放入永磁體中(也可以放到超導(dǎo)磁體中,視線圈的自諧振頻率而定)。接著,將被測(cè)的液態(tài)樣品放入毛細(xì)管中,并將毛細(xì)管兩端密封,密封后包含樣品的毛細(xì)管直接放入平面線圈I的正上方;若被測(cè)的是固態(tài)樣品,則采用將固態(tài)樣品放入載玻片上,并將載玻片直接放入平面線圈I的正上方。被測(cè)樣品在主磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁化,宏觀上出現(xiàn)磁化矢量,微觀上樣品內(nèi)固有的原子核系統(tǒng)出現(xiàn)熱平衡狀態(tài)。平面線圈I在外界射頻脈沖激勵(lì)的作用下,產(chǎn)生交變的射頻場(chǎng),射頻場(chǎng)使宏觀的磁化矢量出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)直至翻轉(zhuǎn)到90° ;這時(shí)關(guān)閉射頻脈沖,在弛豫的作用下,磁化矢量又要回歸到原來(lái)的熱平衡狀態(tài),即磁化矢量從90°位置又要翻轉(zhuǎn)回到原來(lái)的0° ,在這個(gè)弛豫過(guò)程中,平面線圈I切割磁力線產(chǎn)生了自由感應(yīng)衰減(free inductiondecay, FID)信號(hào)。而接收的FID信號(hào)通過(guò)低噪聲放大、檢波和傅里葉變換就可以得到相應(yīng)的核磁共振時(shí)域信號(hào)或頻域信號(hào),通過(guò)這些核磁共振信號(hào)就可以對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和成分鑒定。
[0029]以上所述的具體實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭,其特征在于該探頭以PCB襯底(5)為基板,在PCB襯底(5)上方設(shè)有平面線圈(I)、上部引線(31)、第一焊盤(pán)(41)和第二焊盤(pán)(42),平面線圈(I)的外端通過(guò)上部引線(31)接第一焊盤(pán)(41),平面線圈(I)的內(nèi)端通過(guò)金屬化內(nèi)通孔(21)、底部引線(32)、金屬化外通孔(22)與第二焊盤(pán)(42)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭,其特征在于PCB襯底(5)材料采用玻璃纖維、不織物料和樹(shù)脂組成的絕緣材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于印刷電路板平面線圈的低場(chǎng)核磁共振探頭,其特征在于平面線圈(I)的結(jié)構(gòu)形狀為螺旋圓形、正方形、六邊形、八邊形以及η邊形;η>4,為偶數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N24/08GK103439354SQ201310285693
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月8日
【發(fā)明者】易紅, 倪中華, 吳衛(wèi)平, 陸榮生, 周新龍, 張?jiān)埔? 申請(qǐng)人:東南大學(xué)