CN103674997B - 基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于印刷电路板螺线管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、一组并排布置的第一引线和一组并排布置的第二引线，在PCB衬底的下表面设置一组并排布置的第三引线、一条第四引线和一条第五引线，所述第一引线、第二引线和第三引线一一对应。本发明提供的基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头，具有制作简单、成本低、周期短、可批量化等优点；同时具有样品容易定位的等优点；可以应用于低场核磁共振领域的样品检测。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振技术，尤其涉及印刷电路板上的螺线管线圈制作技术，具体为一种基于印刷电路板(printedcircuitboard，PCB)螺线管线圈的低场核磁共振探头。
背景技术
核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)技术具有无损检测优势，深受分析检测领域工作者的青睐。基于线圈的NMR探头是核磁共振仪器的重要部件之一，众多科研学者都将线圈作为研发的重点对象。
线圈的设计通常以信噪比(或线圈灵敏度)高低作为优劣对比，英国学者(Hoult,D.I.andR.E.Richards,Thesignal-to-noiseratioofthenuclearmagneticresonanceexperiment.JournalofMagneticResonance,1976.24(1):p.71-85.)通过理论计算，认为螺线管线圈相比其他类型线圈具有射频场均匀、信噪比高等优点，其结论被众多NMR探头设计方面的学者认可，截止到今天仍作为经典的理论参考。然而螺线管线圈的制作，尤其微型化后的制作一直作为技术的难点。
美国学者(Peck,T.L.,etal.DesignandanalysisofmicrocoilsforNMRmicroscopy.JournalofMagneticResonanceSeriesB,1995.108(2):p.114-124.)在毛细管上手工缠绕导线进行制作螺线管线圈，但是手工缠绕法带来的不便是不可批量化、成本高等缺陷。瑞士学者(Ehrmann,K.,etal.,MicrofabricatedsolenoidsandHelmholtzcoilsforNMRspectroscopyofmammaliancells.LabonaChip,2007.7(3):p.373-380)以光刻和铜电镀技术为基础，制作微机电系统(microelectromechanicsystem，MEMS)螺线管线圈；加拿大学者(Lam,M.H.C.,etal.,Sub-nanoliternuclearmagneticresonancecoilsfabricatedwithmultilayersoftlithography.JournalofMicromechanicsandMicroengineering,2009.19(9).)采用软光刻技术并结合液态金属镓易冷却的特点，制作镓MEMS螺线管线圈。MEMS螺线管线圈制作方法虽然新颖，但是，首先，采用的MEMS技术工艺难度大且周期长，不易重复制作，成本较高；其次，金属镓的电导率较低，相应的核磁共振系统信噪比低。
发明内容
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螺线管线圈的低场核磁共振探头，解决现有螺线管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。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于印刷电路板螺线管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、一组并排布置的第一引线和一组并排布置的第二引线，在PCB衬底的下表面设置一组并排布置的第三引线、一条第四引线和一条第五引线，所述第一引线、第二引线和第三引线一一对应；
所述第一引线的尾端和对应的第二引线的首端连接，所述第二引线的尾端和对应的第三引线的首端通过第一金属化通孔连接，所述第三引线的尾端和对应的下一条第一引线的首端通过第二金属化通孔连接；其中第一条第一引线的首端和第一焊盘连接，最后一条第三引线的尾端和第五引线的首端通过第四引线连接，第五引线的尾端和第二焊盘通过第三金属化通孔连接；
垂直于第一引线的排布方向，在PCB衬底的中部设置有样品腔，所述样品腔位于第一引线和第三引线之间的正中部。
上述结构中第一焊盘、第二焊盘、第一引线、第二引线、第三引线、第四引线和一条第五引线连接为一体，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。
上述探头主要应用于低场核磁共振领域，如油井检测、食品检测、癌细胞检测等等，具体应用情况视螺线管线圈(由所有第一引线、第二引线和第三引线共同构成)的谐振频率而定。
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或石英玻璃管中，然后将毛细管或石英玻璃管直接放到样品腔中即可开始检测，由于样品腔位于螺线管线圈正中部，因此样品可以很好地定位在射频场均匀区域。
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。
优选的，所述第一引线的长度不超过第三引线长度的15％。
优选的，所述第四引线的长度为第三引线长度的0.1～0.3倍，且第四引线与最后一条第三引线排布在一条直线上。
所述PCB衬底上表面的第一引线等间距排布，第二引线等间距排布；所述PCB衬底下表面的第三引线等间距排布；第一金属化通孔等间距排布，第二金属化通孔等间距排布。
优选的，所述样品腔的横截面为圆形、正方形、六边形、八边形或n边形，所述n为偶数且大于等于10，为对称或接近对称的结构。
有益效果：现有的螺线管线圈部分采用经典的缠绕式制作，存在不可批量制作等局限；部分采用微纳制造技术制作，存在技术难度大、不易复现以及成本高等局限；本发明提供的基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头，具有制作简单、成本低、周期短、可批量化等优点；同时具有样品容易定位的等优点；可以应用于实现低场核磁共振领域的油井检测、食品检测、癌细胞检测等等。
附图说明
图1为本发明结构的等轴测示意图；
图2为本发明结构的俯视图；
图3为本发明结构的仰视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2和图3所示为一种基于印刷电路板螺线管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21、第二焊盘22、一组并排布置的第一引线31和一组并排布置的第二引线32，在PCB衬底1的下表面设置一组并排布置的第三引线33、一条第四引线34和一条第五引线35，所述第一引线31、第二引线32和第三引线33一一对应；
所述第一引线31的尾端和对应的第二引线32的首端连接，所述第二引线32的尾端和对应的第三引线33的首端通过第一金属化通孔41连接，所述第三引线33的尾端和对应的下一条第一引线31的首端通过第二金属化通孔42连接；其中第一条第一引线31的首端和第一焊盘21连接，最后一条第三引线33的尾端和第五引线35的首端通过第四引线34连接，第五引线35的尾端和第二焊盘22通过第三金属化通孔43连接；
垂直于第一引线31的排布方向，在PCB衬底1的中部设置样品腔5，所述样品腔5位于第一引线31和第三引线33之间的正中部。
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。
避免产生过多的附加阻抗，所述第一引线31的长度不超过第三引线33长度的15％，所述第四引线34的长度为第三引线33长度的0.1～0.3倍，且第四引线34与最后一条第三引线33排布在一条直线上；所述PCB衬底1上表面的第一引线31等间距排布，第二引线32等间距排布；所述PCB衬底1下表面的第三引线33等间距排布；第一金属化通孔41等间距排布，第二金属化通孔42等间距排布。
所述样品腔5的横截面为圆形、正方形、六边形、八边形或n边形，所述n为偶数且大于等于10。
本案提供的基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头，一种制作和使用过程如下：
(1)运用经典的信噪比理论，并结合MaxwellAnsoft软件设计螺线管线圈(由所有第一引线、第二引线和第三引线共同构成)的几何参数；
(2)采用PCB技术进行光刻、电镀、刻蚀和沉金等工艺，制作PCB螺线管线圈；
(3)采用去嵌入测试法，在网络分析仪(含阻抗分析功能)上测试PCB螺线管线圈在拉莫尔频率下的阻抗值和感抗值；
(4)将测试得到的阻抗值和感抗值放入SmithChart软件，并结合经典的L型调谐匹配电路，找到对应的调谐电容值和匹配电容值；
(5)在实际的电路中，将PCB螺线管线圈调谐匹配至50Ω；
(6)将调谐匹配过的螺线管线圈放入均匀的主磁场环境中，一般放入永磁体的正中间；
(7)将被检测样品，一般为液态样品，密封于毛细管内或者石英玻璃管内，并将密封好的毛细管样品或者石英玻璃管样品移入样品腔中，若是固态样品，可以直接放入样品腔内；
(8)将线圈部分与核磁共振其他控制电路部分连接，在计算机上操作对应的软件，设置好参数；
(9)整个核磁共振系统工作后，样品在相互垂直的主磁场和射频场的工作环境下，产生弛豫现象，即PCB螺线管线圈切割磁力线产生自由感应衰减(freeinductiondecay，FID)信号，而FID信号经过低噪声放大、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鉴别和分析。
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。
Claims (6)
1.基于印刷电路板螺线管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（21）、第二焊盘（22）、一组并排布置的第一引线（31）和一组并排布置的第二引线（32），在PCB衬底（1）的下表面设置一组并排布置的第三引线（33）、一条第四引线（34）和一条第五引线（35），所述第一引线（31）、第二引线（32）和第三引线（33）一一对应；
所述第一引线（31）的尾端和对应的第二引线（32）的首端连接，所述第二引线（32）的尾端和对应的第三引线（33）的首端通过第一金属化通孔（41）连接，所述第三引线（33）的尾端和对应的下一条第一引线（31）的首端通过第二金属化通孔（42）连接；其中第一条第一引线（31）的首端和第一焊盘（21）连接，最后一条第三引线（33）的尾端和第五引线（35）的首端通过第四引线（34）连接，第五引线（35）的尾端和第二焊盘（22）通过第三金属化通孔（43）连接；
垂直于第一引线（31）的排布方向，在PCB衬底（1）的中部设置样品腔（5），所述样品腔（5）位于第一引线（31）和第三引线（33）之间的正中部。
2.根据权利要求1所述的基于印刷电路板螺线管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螺线管线圈的低场核磁共振探头，其特征在于：所述第一引线（31）的长度不超过第三引线（33）长度的15%。
4.根据权利要求1所述的基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头，其特征在于：所述第四引线（34）的长度为第三引线（33）长度的0.1～0.3倍，且第四引线（34）与最后一条第三引线（33）排布在一条直线上。
5.根据权利要求1所示的基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头，其特征在于：所述PCB衬底（1）上表面的第一引线（31）等间距排布，第二引线（32）等间距排布；所述PCB衬底（1）下表面的第三引线（33）等间距排布；第一金属化通孔（41）等间距排布，第二金属化通孔（42）等间距排布。
6.根据权利要求1所述的基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头，其特征在于：所述样品腔（5）的横截面为圆形、正方形、六边形、八边形或n边形，所述n为偶数且大于等于10。
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