基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及到一种基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头，该探头结构包含平面线圈、上部引线、第一焊盘、第二焊盘、金属化内通孔、金属化外通孔、底部引线和PCB衬底。平面线圈的外端通过上部引线接第一焊盘，平面线圈的内端通过金属化内通孔、底部引线、金属化外通孔与第二焊盘连接。现有的NMR探头在制作中存在工艺复杂、成本高、周期长、不可批量、阻抗高等问题。本发明提供的基于PCB平面线圈的NMR探头采用PCB技术，具有制作简单、成本低、周期短、可批量化等优点；本发明提供的基于PCB平面线圈的NMR探头主要应用于低场核磁共振领域（主磁场B0≤1.4T），当平面线圈的自谐振频率处于几百兆范围时，也可以应用于核磁共振成像领域甚至高场核磁共振领域。
【专利说明】基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种基于印刷电路板(printed circuit board, PCB)平面线圈的低场NMR探头。
【背景技术】
[0002]核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)技术因无损检测而闻名于分析领域，广泛应用于化学结构分析、分子动力学、诊断成像以及其他领域。近几年，应用于分析的核磁共振分析仪朝着低成本、高精度、便携式方向发展，而基于核磁共振线圈的NMR探头作为核磁共振分析仪的重要部件之一，对信号的发送与接收具有决定性作用。因此，寻找一种成本低廉、方法简单、灵敏度高、可批量制作的线圈，成为当前研究的热点。目前，有诸多研究涉及到核磁共振线圈的制作以及应用。Peck等(Design andanalysis of microcoils for NMR microscopy.Journal of Magnetic Resonance SeriesB，1995.108(2):p.114-124.)在毛细管上手工缠绕螺线管线圈，线圈品质因数表现较高，但因手工缠绕，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.)基于玻璃衬底，运用光刻和电镀技术，制作易于微流通道集成的微机电系统(micro electro mechanic system, MEMS)线圈，但是线圈结构多孔且表面粗糖。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.)结合标准 MEMS 方法，釆用自动引线键合技术批量制作3D微型线圈，不过这种方法制得的键合线线圈的直径局限于光刻和SU-8支柱的机械强度。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.)在毛细管上运用微印刷和电镀方法制作螺线管线圈，虽然制作方法新颖，但是线圈阻抗表现很高。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.)米用聚焦离子束(focused ion beam，FIB)加工技术制作直径550 μ m的螺线管微型线圈，不过其制作成本昂贵。Kong 等(Adhesive-based liquid metal radio-frequency microcoilfor magnetic resonance relaxometry measurement.Lab on a Chip, 2012.)基于堆找多层激光切割胶黏剂制作液态金属微型线圈，由于液态金属镓的电导率低，线圈灵敏度较低。
【发明内容】
[0003]技术问题:本发明要解决的是现有线圈制作中存在工艺复杂、成本高、周期长、不可批量、阻抗高等问题。[0004]技术方案:为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于PCB平面线圈的低成本、制作周期短、可批量化的低场NMR探头，该探头基于PCB技术，其结构由平面线圈、通孔、引线和焊盘组成。
[0005]本发明的基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头以PCB衬底为基板，在PCB衬底上方设有平面线圈、上部引线、第一焊盘和第二焊盘，平面线圈的外端通过上部引线接第一焊盘，平面线圈的内端通过金属化内通孔、底部引线和金属化外通孔与第二焊盘连接。
[0006]PCB衬底材料采用玻璃纤维、不织物料和树脂组成的绝缘材料。
[0007]位于平面线圈、通孔、引线、焊盘是连接一体的，平面线圈、通孔、引线和焊盘均采用铜材料制成，金属铜的外表面也可以沉金或镀金。
[0008]平面线圈的结构形状为螺旋圆形、正方形、六边形、八边形以及η边形；η≥4，为偶数。
[0009]NMR探头主要应用于低场核磁共振领域(主磁场Btl ≤ 1.4Τ);当平面线圈的自谐振频率处于几百兆范围时，也可以应用于核磁共振成像领域甚至高场核磁共振领域。
[0010]PCB平面线圈(I)既可以与外围电路各自独立，采用金丝(或铝丝)键合；也可以将PCB平面线圈⑴与外围电路集成连接在同一个PCB上。
[0011]上述方案中，被检液态样品放入两端封闭的毛细管中，毛细管直接放到PCB平面线圈正上方；或被检固态样品直接放入载玻片上，载玻片直接放到PCB平面线圈正上方。
[0012]有益效果:
[0013]1、本发明提供的这种基于PCB平面线圈的低场NMR探头可以实现低成本、短周期、工艺简单、可批量化制作。
[0014]2、本发明提供的这种基于PCB平面线圈的低场NMR探头，采用的金属铜材料使PCB平面线圈阻抗值较低。
[0015]3、本发明提供的这种基于PCB平面线圈的低场NMR探头，可以应用低场核磁共振领域的样品分析，部分情况下(平面线圈的自谐振频率处于几百兆范围)，可以应用于核磁共振成像领域甚至高场核磁共振领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017]图1为本发明结构的等轴测示意图。
[0018]图2为本发明结构的横截面示意图。
[0019]图3为本发明结构的俯视图。
[0020]图中:1.平面线圈，21.金属化内通孔，22.金属化外通孔，31.上部引线，32.底部引线，41.第一焊盘，42.第二焊盘，5.PCB衬底。平面线圈I的厚度h，平面线圈I的宽度W，平面线圈I的线圈间距S。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参考附图，对本发明进一步详细说明。[0022]如图1所示,本发明提供的这种基于印刷电路板(printed circuit board, PCB)平面线圈的低场NMR探头结构，该探头结构包含平面线圈1、金属化内通孔21、金属化外通孔22、上部引线31、底部引线32、第一焊盘41、第二焊盘42和PCB衬底5，平面线圈I的外端通过上部引线31连接到第一焊盘41，平面线圈I的内端经过金属化内通孔21连接至底部引线32，再经过金属化外通孔22连接至第二焊盘42。
[0023]这种基于PCB的NMR探头主要应用于低场核磁共振领域(主磁场Bci ( 1.4T);当平面线圈的自谐振频率处于几百兆范围时，可以应用于核磁共振成像领域甚至高场核磁共振领域。
[0024]如图2所示，平面线圈1、金属化内通孔21、金属化外通孔22、上部引线31、底部引线32、第一焊盘41、第二焊盘42是连接一体的，平面线圈1、金属化内通孔21、金属化外通孔22、上部引线31、底部引线32、第一焊盘41和第二焊盘42均采用低阻抗率的铜材料制成，为了防止金属铜被氧化，其外表面主要采用沉金或镀金技术。
[0025]PCB衬底5材料采用玻璃纤维、不织物料和树脂等组成的绝缘材料，例如FR-4。
[0026]如图3所示，平面线圈I的结构图案可以采用经典的螺旋圆形，也可以采用正方形、六边形、八边形以及η边形(η≥4，为偶数)。
[0027]请再参阅图2，平面线圈I的线宽w和匝间间距s应尽量小，在PCB分辨率技术允许的情况下取几十微米；平面线圈I的内径Cl1也应尽可能小，具体视检测对象的体积大小而定，尽可能地使平面线圈I的填充因数最大化；平面线圈I的厚度h—般位于20?50微米之间，可以由半盎司(或17.5微米)厚的铜箔层、一盎司(或35微米)厚的镀铜层以及38.1纳米厚的镀金层(或沉金层)叠加而成；平面线圈I的匝数可以通过具体应用下的拉莫尔频率，并结合信噪比理论计算出最佳匝数。
[0028]本发明的工作过程如下:首先在网络分析仪的仪器上，采用L型调谐匹配电路，将基于PCB平面线圈的低场NMR探头调谐匹配至50 Ω，再将调谐匹配后的NMR探头放入永磁体中(也可以放到超导磁体中，视线圈的自谐振频率而定)。接着，将被测的液态样品放入毛细管中，并将毛细管两端密封，密封后包含样品的毛细管直接放入平面线圈I的正上方；若被测的是固态样品，则采用将固态样品放入载玻片上，并将载玻片直接放入平面线圈I的正上方。被测样品在主磁场的作用下发生磁化，宏观上出现磁化矢量，微观上样品内固有的原子核系统出现热平衡状态。平面线圈I在外界射频脉冲激励的作用下，产生交变的射频场，射频场使宏观的磁化矢量出现翻转直至翻转到90° ;这时关闭射频脉冲，在弛豫的作用下，磁化矢量又要回归到原来的热平衡状态，即磁化矢量从90°位置又要翻转回到原来的0° ,在这个弛豫过程中，平面线圈I切割磁力线产生了自由感应衰减(free inductiondecay, FID)信号。而接收的FID信号通过低噪声放大、检波和傅里叶变换就可以得到相应的核磁共振时域信号或频域信号，通过这些核磁共振信号就可以对被测样品进行结构分析和成分鉴定。
[0029]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头，其特征在于该探头以PCB衬底(5)为基板，在PCB衬底(5)上方设有平面线圈(I)、上部引线(31)、第一焊盘(41)和第二焊盘(42)，平面线圈(I)的外端通过上部引线(31)接第一焊盘(41)，平面线圈(I)的内端通过金属化内通孔(21)、底部引线(32)、金属化外通孔(22)与第二焊盘(42)连接。
2.根据权利要求1所述的基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头，其特征在于PCB衬底(5)材料采用玻璃纤维、不织物料和树脂组成的绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的基于印刷电路板平面线圈的低场核磁共振探头，其特征在于平面线圈(I)的结构形状为螺旋圆形、正方形、六边形、八边形以及η边形；η>4，为偶数。
【文档编号】G01N24/08GK103439354SQ201310285693
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2013年7月8日
【发明者】易红, 倪中华, 吴卫平, 陆荣生, 周新龙, 张云逸 申请人:东南大学