微型射頻接收線圈的設(shè)計(jì)與微加工

微型射頻接收線圈的設(shè)計(jì)與微加工

1mri基本原理及應(yīng)用現(xiàn)狀磁共振成像技術(shù)（mri）是一種具有潛力的新興技術(shù)。它利用核磁共振的方法和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等來(lái)得到人體、生物體和物體內(nèi)部一定剖面的一種原子核素的濃度分布圖像。根據(jù)該圖像可進(jìn)行組織和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析。MRI無(wú)需離子放射,也不需要圖像增強(qiáng)劑,具有分辨率高、靈敏度高、對(duì)檢測(cè)樣品無(wú)危害等特點(diǎn),在臨床診斷和其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們希望在微觀上突破以往的影像學(xué)僅用于顯示大體解剖與大體病理學(xué)改變的技術(shù)范疇,尋求一種顯微細(xì)胞學(xué)、分子水平以至基因水平的成像技術(shù),以突破生物領(lǐng)域研究的技術(shù)瓶頸。MRI技術(shù)研究的化學(xué)元素多,不僅可提供解剖形態(tài)信息和新陳代謝生理功能等信息,還可以得到其他科學(xué)方法難以獲得的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和特性等方面的信息,在研究復(fù)雜的生物大分子甚至生物活體方面顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)。然而,隨著樣品體積的縮小,傳統(tǒng)大體積的射頻接收線圈與檢測(cè)的小樣品之間的耦合系數(shù)降低,從而導(dǎo)致信噪比下降,不能很好地滿足微觀領(lǐng)域研究的需要,而具有高品質(zhì)因數(shù)的微型RF接收線圈是實(shí)現(xiàn)MRI技術(shù)在微觀領(lǐng)域研究應(yīng)用的關(guān)鍵,已成為了當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。隨著微型機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,微型線圈的制作方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的金屬絲纏繞加工方式發(fā)展到了微機(jī)械加工制作方法,線圈幾何形狀的可控性、微型化和集成化程度都得到了提高,但在深寬比線圈的研制方面還有一定的局限性。近年來(lái),Massin等人利用SU-8光刻膠制作出了厚度達(dá)幾十微米的線圈,但是,在傳統(tǒng)的去膠液中,SU-8光刻膠會(huì)膨脹變形,從而可能導(dǎo)致圖形的失敗。本文基于核磁共振原理,根據(jù)品質(zhì)因數(shù)與線圈結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),利用MEMS微加工技術(shù)在玻璃襯底上制作了一種高深寬比的微型射頻線圈,并給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析。2微加工對(duì)圈的設(shè)計(jì)MRI主要由提供靜電磁場(chǎng)的磁元件、RF發(fā)生器、RF接收線圈和信號(hào)處理單元組成。其組成框圖如圖1所示。接收線圈置于靜態(tài)磁場(chǎng)中,被檢樣品放置在接收線圈的中央,射頻發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)。根據(jù)磁共振原理,靜磁場(chǎng)中的原子會(huì)產(chǎn)生自旋,自旋的原子將吸收外界的射頻能量實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷和還原。還原過(guò)程中將產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)部原子核濃度相關(guān)的電磁波信號(hào)。利用射頻接收線圈、掃描信號(hào)、編碼技術(shù)和信號(hào)處理電路可探測(cè)接收該信號(hào),并構(gòu)建反映物質(zhì)組成的二維或者三維圖形。在此過(guò)程中,系統(tǒng)的信噪比主要由射頻線圈的性能決定。由于被測(cè)樣品是放置于接收線圈中,結(jié)合微加工制作方法,微型射頻線圈的結(jié)構(gòu)通常采用螺旋形狀。線圈微型化后,線圈的引線電阻將影響線圈的電阻。為了減小引線電阻的影響,線圈的引線采用梯形,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。制作在絕緣襯底上的微型線圈可等效為如圖3所示的RLC電路。圖3中Reff為線圈的有效電阻,L為線圈的有效電感,C為線圈間的引線電容?？紤]到導(dǎo)體的趨膚效應(yīng),可得到線圈的品質(zhì)因數(shù)為Q=ωLReff=2πfLReff(1)Q=ωLReff=2πfLReff(1)式中,ω和f分別是射頻信號(hào)的角頻率和頻率。根據(jù)公式(1),線圈的有效電阻越小,其品質(zhì)因數(shù)越高;而線圈的電感越大,其品質(zhì)因數(shù)也越高。因此,通過(guò)優(yōu)化線圈的電阻和電感可改變線圈的品質(zhì)因數(shù),從而影響系統(tǒng)的信噪比。微型線圈的電感可由環(huán)形平面電感的Wheeler公式計(jì)算:L=14×10?7×N2c(re+ri+wc)22.14re?ri+0.57wcre=ri+Nc(wc+sc)+wc(2)L=14×10-7×Νc2(re+ri+wc)22.14re-ri+0.57wcre=ri+Νc(wc+sc)+wc(2)式中,Nc是線圈的圈數(shù),ri是線圈的內(nèi)部直徑,re是線圈的外部直徑,wc是線圈的寬度,sc是線圈的間距,線圈的有效電阻Reff由公式(3)給出:Reff=ρlcSeff(3)Reff=ρlcSeff(3)式中,ρ是線圈的材料電阻率,lc和Seff分別是線圈的長(zhǎng)度和線圈橫截面的有效面積。對(duì)于螺旋形的線圈,線圈長(zhǎng)度lc可以表達(dá)為lc=Ncπ(ri+re+wc)(4)lc=Νcπ(ri+re+wc)(4)MRI的工作頻率約為幾百兆赫茲,旋渦效應(yīng)可以忽略,而高頻作用下趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的趨膚深度為δ=2ρ2πfμ????√(5)δ=2ρ2πfμ(5)其中,μ是線圈材料的介電常數(shù)。利用微加工方法制作的線圈,其橫截面為矩形,則線圈的有效面積為Seff=wchc?[wc?2δch(wc/δ)?cos(wc/δ)sh(wc/δ)+sin(wc/δ)]×[hc?2δch(hc/δ)?cos(hc/δ)sh(hc/δ)+sin(hc/δ)](6)Seff=wchc-[wc-2δch(wc/δ)-cos(wc/δ)sh(wc/δ)+sin(wc/δ)]×[hc-2δch(hc/δ)-cos(hc/δ)sh(hc/δ)+sin(hc/δ)](6)式中,wc和hc分別是線圈的寬度和高度。根據(jù)上面的討論,對(duì)于給定的頻率f,樣品體積和對(duì)應(yīng)的線圈內(nèi)徑ri,可以得到品質(zhì)因數(shù)Q和線圈幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖4所示。圖4(a)給出了Q和線圈高度與寬度比值的關(guān)系,圖4(b)給出了Q和線圈寬度與間距比值的關(guān)系。從圖中可以看出,線圈的寬度和高度越大,線圈的品質(zhì)因數(shù)越高。而且,隨著線圈深寬比的增加,品質(zhì)因數(shù)也相應(yīng)增加。根據(jù)模擬分析可知,高深寬比線圈在MRI中具有更好的性能。3硅微結(jié)構(gòu)的形成基于MEMS深刻蝕技術(shù),利用硅微結(jié)構(gòu)取代厚光刻膠作為電鍍工藝的掩模進(jìn)行了微型線圈的制作,其主要的制作流程如圖5所示。(a)低阻硅片(電阻率小于1Ω·cm)上涂膠形成刻蝕掩模;(b)利用感應(yīng)耦合等離子體(ICP:inductivelycoupledplasma)刻蝕設(shè)備進(jìn)行高深寬比硅刻蝕,形成穿通的帶有線圈輪廓的200μm厚的硅線圈結(jié)構(gòu)。這個(gè)硅線圈結(jié)構(gòu)將作為后續(xù)電鍍工藝的掩模?？涛g工藝中的流體速度、刻蝕溫度等參數(shù)會(huì)影響硅模具的表面光潔度;(c)在玻璃表面濺射金屬Cr/Au,厚度分別為40nm/400nm;(d)通過(guò)光刻、濕法刻蝕等工藝形成線圈引線形狀;(e)光刻引線接觸孔;(f)在帶有金屬電極的玻璃襯底上再次濺射金屬,形成后面電鍍工藝所需的籽晶;(g)籽晶表面涂膠,然后將其與帶有線圈輪廓的硅微結(jié)構(gòu)粘附在一起。由于采用刻蝕形成的硅微結(jié)構(gòu)作為銅電鍍工藝的掩模,因此,硅掩模和玻璃襯底的對(duì)位非常重要;(h)將帶有硅掩模的玻璃襯底進(jìn)行曝光,露出電鍍位置;(i)將曝光后的帶有硅掩模的玻璃襯底放入CuSO4電解液里,在電流密度30mA/cm2的條件下進(jìn)行20min的直流電鍍,形成銅線圈。電鍍工藝決定了微型銅線圈的表面粗糙度;(j)利用XeF2刻蝕技術(shù)和O2等離子刻蝕技術(shù)等去除硅掩模和光刻膠,完成微型射頻線圈的制作。4模擬計(jì)算結(jié)果通過(guò)對(duì)深刻蝕技術(shù)和電鍍技術(shù)的初步研究,研制出了銅金屬微型線圈,其電鏡照片如圖6所示。微型線圈的厚度為200μm,寬度為30μm,間距為60μm。制作好的微型線圈可以用阻抗分析儀進(jìn)行電特性的測(cè)試,測(cè)量結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,線圈的測(cè)量值與模擬計(jì)算結(jié)果不完全一致。根據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn),由于利用200μm厚的硅微結(jié)構(gòu)作為模具進(jìn)行電鍍,存在著深孔、深槽電鍍過(guò)程。在該過(guò)程中,消耗掉的金屬離子不能很快得到補(bǔ)充,使得電鍍出的金屬微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較多孔隙,均勻度不高,從而使微型線圈的材料特征值、幾何形狀參數(shù)發(fā)生了變化。因此,制作出的微型線圈的電阻值和電感值與模擬計(jì)算結(jié)果不一樣。進(jìn)一步研究中,可利用脈沖電源或使用超聲波增加電鍍液中離子的擴(kuò)散速度,探索最佳的電鍍條件等方法來(lái)改進(jìn)工藝過(guò)程