微型射頻接收線圈的設計與微加工

1mri基本原理及應用現狀磁共振成像技術（mri）是一種具有潛力的新興技術。它利用核磁共振的方法和計算機處理技術等來得到人體、生物體和物體內部一定剖面的一種原子核素的濃度分布圖像。根據該圖像可進行組織和物質結構的分析。MRI無需離子放射,也不需要圖像增強劑,具有分辨率高、靈敏度高、對檢測樣品無危害等特點,在臨床診斷和其他醫(yī)學領域得到了極其廣泛的應用。隨著生物技術的迅猛發(fā)展,人們希望在微觀上突破以往的影像學僅用于顯示大體解剖與大體病理學改變的技術范疇,尋求一種顯微細胞學、分子水平以至基因水平的成像技術,以突破生物領域研究的技術瓶頸。MRI技術研究的化學元素多,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方法難以獲得的物質結構和特性等方面的信息,在研究復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。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的小樣品之間的耦合系數降低,從而導致信噪比下降,不能很好地滿足微觀領域研究的需要,而具有高品質因數的微型RF接收線圈是實現MRI技術在微觀領域研究應用的關鍵,已成為了當今的研究熱點。隨著微型機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)技術的出現和發(fā)展,微型線圈的制作方法已經從傳統(tǒng)的金屬絲纏繞加工方式發(fā)展到了微機械加工制作方法,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,Massin等人利用SU-8光刻膠制作出了厚度達幾十微米的線圈,但是,在傳統(tǒng)的去膠液中,SU-8光刻膠會膨脹變形,從而可能導致圖形的失敗。本文基于核磁共振原理,根據品質因數與線圈結構的關系進行了結構優(yōu)化設計,利用MEMS微加工技術在玻璃襯底上制作了一種高深寬比的微型射頻線圈,并給出了相關的實驗結果和分析。2微加工對圈的設計MRI主要由提供靜電磁場的磁元件、RF發(fā)生器、RF接收線圈和信號處理單元組成。其組成框圖如圖1所示。接收線圈置于靜態(tài)磁場中,被檢樣品放置在接收線圈的中央,射頻發(fā)生器產生激勵磁場。根據磁共振原理,靜磁場中的原子會產生自旋,自旋的原子將吸收外界的射頻能量實現能級的躍遷和還原。還原過程中將產生一個與內部原子核濃度相關的電磁波信號。利用射頻接收線圈、掃描信號、編碼技術和信號處理電路可探測接收該信號,并構建反映物質組成的二維或者三維圖形。在此過程中,系統(tǒng)的信噪比主要由射頻線圈的性能決定。由于被測樣品是放置于接收線圈中,結合微加工制作方法,微型射頻線圈的結構通常采用螺旋形狀。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,其結構如圖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]到導體的趨膚效應,可得到線圈的品質因數為Q=ωLReff=2πfLReff(1)Q=ωLReff=2πfLReff(1)式中,ω和f分別是射頻信號的角頻率和頻率。根據公式(1),線圈的有效電阻越小,其品質因數越高;而線圈的電感越大,其品質因數也越高。因此,通過優(yōu)化線圈的電阻和電感可改變線圈的品質因數,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,ri是線圈的內部直徑,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分別是線圈的長度和線圈橫截面的有效面積。對于螺旋形的線圈,線圈長度lc可以表達為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,旋渦效應可以忽略,而高頻作用下趨膚效應產生的趨膚深度為δ=2ρ2πfμ????√(5)δ=2ρ2πfμ(5)其中,μ是線圈材料的介電常數。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。根據上面的討論,對于給定的頻率f,樣品體積和對應的線圈內徑ri,可以得到品質因數Q和線圈幾何結構的關系如圖4所示。圖4(a)給出了Q和線圈高度與寬度比值的關系,圖4(b)給出了Q和線圈寬度與間距比值的關系。從圖中可以看出,線圈的寬度和高度越大,線圈的品質因數越高。而且,隨著線圈深寬比的增加,品質因數也相應增加。根據模擬分析可知,高深寬比線圈在MRI中具有更好的性能。3硅微結構的形成基于MEMS深刻蝕技術,利用硅微結構取代厚光刻膠作為電鍍工藝的掩模進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)利用感應耦合等離子體(ICP:inductivelycoupledplasma)刻蝕設備進行高深寬比硅刻蝕,形成穿通的帶有線圈輪廓的200μm厚的硅線圈結構。這個硅線圈結構將作為后續(xù)電鍍工藝的掩模?？涛g工藝中的流體速度、刻蝕溫度等參數會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構粘附在一起。由于采用刻蝕形成的硅微結構作為銅電鍍工藝的掩模,因此,硅掩模和玻璃襯底的對位非常重要;(h)將帶有硅掩模的玻璃襯底進行曝光,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刻蝕技術和O2等離子刻蝕技術等去除硅掩模和光刻膠,完成微型射頻線圈的制作。4模擬計算結果通過對深刻蝕技術和電鍍技術的初步研究,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行電特性的測試,測量結果和模擬計算結果如表1所示。從表1可以看出,線圈的測量值與模擬計算結果不完全一致。根據分析,我們發(fā)現,由于利用200μm厚的硅微結構作為模具進行電鍍,存在著深孔、深槽電鍍過程。在該過程中,消耗掉的金屬離子不能很快得到補充,使得電鍍出的金屬微結構中產生較多孔隙,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算結果不一樣。進一步研究中,可利用脈沖電源或使用超聲波增加電鍍液中離子的擴散速度,探索最佳的電鍍條件等方法來改進工藝過程