基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，以PCB衬底作为基板，在PCB衬底的上表面设置第一焊盘、第二焊盘、上部引线和上部平面线圈，在PCB衬底的下表面设置下部引线和下部平面线圈；所述上部平面线圈的外端通过上部引线与第一焊盘连接，所述下部平面线圈的外端与下部引线连接；所述上部平面线圈的内端和下部平面线圈的内端通过第一金属化通孔连接，所述第二焊盘和下部引线通过第二金属化通孔连接；所述PCB衬底的中部设置有上下贯穿的样品通孔。本发明提供的基于PCB亥姆霍兹线圈的核磁共振探头采用PCB技术，具有制作简单、成本低、周期短和可批量化等优点，可以产生相对均匀的射频场。
【专利说明】基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于印刷电路板(printed circuit board,PCB)亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头。
【背景技术】
[0002]核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术相比其他分析技术，具有不破坏被测样品的特点，因此广泛应用化学、材料和医学等应用领域。基于线圈的NMR探头是核磁共振仪器的核心部件之一，线圈研制的优劣直接影响到核磁共振系统的表现。因此，国内外研究机构和企业单位都将线圈作为一个重要的研发对象。
[0003]早期研发的是螺线管线圈，主要采用的方法是在毛细管上手工缠绕导线进行制作(Peck, T.L., et al.Design and analysis of microcoils for NMR microscopy.Journalof Magnetic Resonance Series B, 1995.108 (2):p.114-124.),线圈品质因数高且射频场均匀性好，但是手工缠绕带来的局限是不可批量制作。为了批量化和自动化制作线圈，部分学者(Massin, T.L.，et al.Planar microcoil-based microfluidic NMR probes.Journal of Magnetic Resonance, 2003.164(2):p.242-255.)基于玻璃衬底或者娃衬底，运用光刻和铜电镀技术，制作微机电系统(micro electro mechanic system, MEMS) ψ面线圈，它具有易于微流通道集成的优势和降低制作成本的潜力，但是平面线圈相比与亥姆霍兹线圈，在产生均匀的射频场方面仍处于劣势。因此，个别学者(Ehrmann，K.，etal., Microfabricated solenoids and Helmholtz coils for NMR spectroscopy ofmammalian cells.Lab on a Chip, 2007.7 (3):p.373-380.)仍以光刻和铜电锻技术为基础,制作MEMS亥姆霍兹线圈，但是工艺难度大且周期长，不易重复制作，成本较高。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，解决现有亥姆霍兹线圈制作中存在的不易制作、成本高、周期长、不可批量等问题。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，该探头以PCB衬底作为基板，在PCB衬底的上表面设置第一焊盘、第二焊盘、上部引线和上部平面线圈，在PCB衬底的下表面设置下部引线和下部平面线圈；所述上部平面线圈的外端通过上部引线与第一焊盘连接，所述下部平面线圈的外端与下部引线连接；所述上部平面线圈的内端和下部平面线圈的内端通过第一金属化通孔连接，所述第二焊盘和下部引线通过第二金属化通孔连接；所述PCB衬底的中部设置有上下贯穿的样品通孔，所述样品通孔位于上部平面线圈和下部平面线圈内。
[0007]上述结构中第一焊盘、第二焊盘、上部引线、上部平面线圈、下部引线和下部平面线圈连接为一体，并且均可采用铜材料制作，在制作完成后，铜材料的外表面还可以沉金或镀金，可以避免铜氧化。
[0008]上述探头主要应用于低场核磁共振领域，具体可应用的工作频率范围视亥姆霍兹线圈(上部平面线圈和下部平面线圈)的自谐振频率而定；PCB衬底的厚度的确定需要结合亥姆霍兹线圈内径和PCB衬底的制作工艺而定；亥姆霍兹线圈与外围的调谐匹配电路的集成，可以采用金丝(或铝丝)键合或者零欧姆电阻连接。
[0009]工作时，将上述探头接入电路后，将被检测液体样品放入两端封闭的毛细管中，然后将毛细管直接放到样品通孔中即可开始检测。
[0010]优选的，所述PCB衬底的材质为主要由玻璃纤维、不织物料和树脂构成的绝缘材料，比如FR-4。
[0011]优选的，所述上部平面线圈和下部平面线圈的结构形状为螺旋圆形、正方形、六边形、八边形或η边形，所述η为偶数且大于等于10，为对称或接近对称的形状；上部平面线圈和下部平面线圈的结构形状一致，内径、线宽、厚度、间距、匝数均相同。
[0012]优选的，所述上部平面线圈和下部平面线圈的导线走向相反，上部平面线圈和下部平面线圈产生的射频场方向一致。
[0013]优选的，所述样品通孔的横截面形状具有对称性，其内用于置放样品管；一般设计为圆形，通过钻孔方式加工制得；样品通孔的内径应当尽可能地接近上部平面线圈和下部平面线圈的内径尺寸，这样可以使得填充系数最大化。
[0014]有益效果:现有的核磁共振探头制作多数基于平面线圈，存在射频场不均匀等局限；少数基于光刻和电镀技术制作的亥姆霍兹线圈，存在工艺难度大、成本高等局限。本发明提供的基于PCB亥姆霍兹线圈的核磁共振探头，可以产生相对均匀的射频场；同时，本发明采用PCB技术，具有制作简单、成本低、周期短和可批量化等优点；可以应用于实现低场核磁共振领域的样品分析，比如成像、测井、食品安全等。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明结构的等轴测示意图；
[0016]图2为本发明结构的仰视图；
[0017]图3为本发明结构的俯视图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0019]如图1、图2和图3所示为一种基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，该探头以PCB衬底1作为基板，在PCB衬底1的上表面设置第一焊盘61、第二焊盘62、上部引线51和上部平面线圈31，在PCB衬底1的下表面设置下部引线52和下部平面线圈32 ;所述上部平面线圈31的外端通过上部引线51与第一焊盘61连接，所述下部平面线圈32的外端与下部引线52连接；所述上部平面线圈31的内端和下部平面线圈32的内端通过第一金属化通孔41连接，所述第二焊盘62和下部引线52通过第二金属化通孔42连接；所述PCB衬底1的中部设置有上下贯穿的样品通孔2，所述样品通孔2位于上部平面线圈31和下部平面线圈32内。
[0020]所述PCB衬底1的材质为主要由玻璃纤维、不织物料和树脂构成的绝缘材料，本案采用FR-4。
[0021]所述上部平面线圈31和下部平面线圈32的结构形状为螺旋圆形、正方形、六边形、八边形或η边形，所述η为偶数且大于等于10 ;上部平面线圈31和下部平面线圈32的结构形状一致，内径、线宽、厚度、间距、匝数均相同；本案中，上部平面线圈31和下部平面线圈32的形状尺寸相同，均为圆形，但是导线走向相反。
[0022]所述样品通孔2的横截面形状具有对称性，本案采用了圆形结构，其样品通孔的内径略小于上部平面线圈31和下部平面线圈32的内径，尽可能让填充系数最大化。
[0023]本案提供的基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，一种制作和使用过程如下:
[0024](1)根据经典的信噪比理论,并结合Maxwell Ansoft软件设计亥姆霍兹线圈(上部平面线圈31和下部平面线圈32)的几何参数，另根据PCB工艺的特点设计PCB衬底1的厚度；
[0025](2)根据设计的几何参数，在CAD或CAXA软件上绘制上部平面线圈31和下部平面线圈32的平面图，然后将两个平面图依次导入到Protel DXP软件进行亥姆霍兹线圈的电路图绘制，接着采用PCB技术进行亥姆霍兹线圈的加工制作；
[0026](3)将制作的亥姆霍兹线圈放入网络分析仪(含阻抗分析仪)，测试亥姆霍兹线圈的电参数，并根据亥姆霍兹线圈的电参数设计调谐匹配电路，一般采用L型，通过调谐匹配，将基于PCB亥姆霍兹线圈的低场NMR探头匹配至50 Ω ；
[0027](4)将调谐匹配后的NMR探头放入主磁场环境中，并将NMR探头通过无磁性的同轴电缆线连接NMR系统的控制柜部分，通过计算机的软件调试NMR探头，将NMR探头调至最佳工作状态；
[0028](5)将被测液态样品放入毛细管中，毛细管两端密封，密封后将毛细管样品直接放入样品通孔2中；若被测样品为固态，视其样品大小和样品通孔2大小而定，样品通孔2较大时，可以直接把固态样品放入样品通孔中，样品通孔较小时，将固态样品分割成小部分放入样品通孔2;
[0029](6)被测样品在主磁场的磁化下产生宏观的磁化矢量(或微观的原子核系统热平衡状态)，PCB亥姆霍兹线圈在射频脉冲的激励下产生射频场，射频场和主磁场相互垂直产生弛豫现象；即有射频激励时，磁化矢量出现翻转现象且翻转至90°，无射频激励时，磁化矢量回归原来的热平衡状态，即从90°又回归到0°，在这个回归过程中(术语称弛豫)，PCB亥姆霍兹线圈切割磁力线产生自由感应衰减(free induction decay,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。
[0030]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，其特征在于:该探头以PCB衬底(1)作为基板，在PCB衬底(1)的上表面设置第一焊盘(61)、第二焊盘(62)、上部引线(51)和上部平面线圈(31)，在PCB衬底(1)的下表面设置下部引线(52)和下部平面线圈(32);所述上部平面线圈(31)的外端通过上部引线(51)与第一焊盘(61)连接，所述下部平面线圈(32)的外端与下部引线(52)连接；所述上部平面线圈(31)的内端和下部平面线圈(32)的内端通过第一金属化通孔(41)连接，所述第二焊盘(62)和下部引线(52)通过第二金属化通孔(42)连接；所述PCB衬底(1)的中部设置有上下贯穿的样品通孔(2)，所述样品通孔(2)位于上部平面线圈(31)和下部平面线圈(32)内。
2.根据权利要求1所述的基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，其特征在于:所述PCB衬底(1)的材质为主要由玻璃纤维、不织物料和树脂构成的绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，其特征在于:所述上部平面线圈(31)和下部平面线圈(32)的结构形状为螺旋圆形、正方形、六边形、八边形或η边形，所述η为偶数且大于等于10 ;上部平面线圈(31)和下部平面线圈(32)的结构形状一致，内径、线宽、厚度、间距、匝数均相同。
4.根据权利要求1所述的基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，其特征在于:所述上部平面线圈(31)和下部平面线圈(32)的导线走向相反。
5.根据权利要求1所述的基于印刷电路板亥姆霍兹线圈的低场核磁共振探头，其特征在于:所述样品通孔(2)的横截面形状具有对称性。
【文档编号】G01R33/34GK103645451SQ201310661302
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】倪中华, 易红, 吴卫平, 陆荣生, 周新龙 申请人:东南大学