CN104076057B - 基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备方法，它包括五层玻璃结构，从下向上依次为最底层、次底层、中间层、次顶层和最顶层，在最底层设有第一焊盘型腔、第二焊盘型腔和下引线型腔队列，在次底层设有第一支柱型腔队列和第六支柱型腔队列，在中间层设有第二支柱型腔队列、样品腔和第五支柱型腔队列，在次顶层设有第二进样孔、第三支柱型腔队列、第二出样孔和第四支柱型腔队列，在最顶层设有第一进样孔、第一出样孔和上引线型腔队列。本发明提供的探头既具有横向弛豫时间检测分辨准确，又具有线圈自谐振频率高等优点，可应用于更广的高场核磁共振检测领域；制备方法，工艺设计合理，成本低，可控性强，稳定性好。

Description

基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备方法。

背景技术

核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)技术以无损检测而著名，然而相比其它分析技术如质谱和红外光谱等，NMR检测灵敏度表现不佳。为了提高检测灵敏度，Peck等(Design and analysis of microcoils for NMR microscopy. Journal ofMagnetic Resonance Series B, 1995. 108(2): p. 114-124.)通过研究得出缩小线圈的直径可以提高检测灵敏度，并同时率先制作出缠绕式螺线管微型线圈，NMR实验结果表明其信噪比较优，然而由于其采用手工缠绕，尤其制作微型线圈时，线圈匝与匝之间的距离不易控制。另外，线圈也不易批量制作。随着微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)技术的发展，Massin等(High-Q factor RF planar microcoils for micro-scaleNMR spectroscopy. Sensors and Actuators a-Physical, 2002. 97-98: p. 280-288.)在玻璃衬底上运用光刻和电镀工艺制作出MEMS平面微型线圈，解决了微型线圈不易制作的局限，然而由于制作的线圈是平面型，在NMR实验检测过程中发现相比螺线管微型线圈，平面微型线圈存在射频场不均匀等不足。因此，为了提高其均匀性，部分学者又把研究目光转向螺线管线圈的研制。Ehrmann等(Microfabricated solenoids and Helmholtz coilsfor NMR spectroscopy of mammalian cells. Lab on a Chip, 2007. 7(3): p. 373-380.)仍基于光刻和电镀工艺，制作出MEMS螺线管微型线圈，然而制作后发现线圈存在工艺难度大，不易制作复现等问题。与此同时，Sillerud等(¹H NMR Detection ofsuperparamagnetic nanoparticles at 1 T using a microcoil and novel tuningcircuit. Journal of Magnetic Resonance, 2006. 181(2): p. 181-190.)采用聚焦离子束(focused ion beam, FIB)技术制作出FIB螺线管微型线圈，然而FIB制作工艺复杂且成本极高。为了降低螺线管微型线圈的工艺难度和复杂度。另外，中国专利申请号为201310659209.4的基于印刷电路板(printed circuit board, PCB)技术的螺线管线圈虽然制作工艺也简易且成本不高，但是由于FR4衬底通孔引线的寄生电容带来线圈的自谐振频率过低，使PCB螺线管线圈仅适合于低场NMR领域。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，本发明另一个目的是提供该基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制备方法。本发明提供的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头可有效解决现有螺旋管微型线圈存在横向弛豫时间检测分辨不准确、线圈自谐振频率低等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案为 ：

一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，该探头包括五层玻璃结构，从下向上依次为最底层、次底层、中间层、次顶层和最顶层，在最底层设有第一焊盘型腔、第二焊盘型腔和下引线型腔队列，在次底层设有第一支柱型腔队列和第六支柱型腔队列，在中间层设有第二支柱型腔队列、样品腔和第五支柱型腔队列，在次顶层设有第二进样孔、第三支柱型腔队列、第二出样孔和第四支柱型腔队列，在最顶层设有第一进样孔、第一出样孔和上引线型腔队列；

所述的第一焊盘型腔与第一支柱型腔队列、第二支柱型腔队列、第三支柱型腔队列、上引线型腔队列、第四支柱型腔队列、第五支柱型腔队列、第六支柱型腔队列、下引线型腔队列以及第二焊盘型腔组成螺线管微型线圈型腔；

所述的第一进样孔与第二进样孔、样品腔、第二出样孔和第一出样孔组成微流通道。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，最底层、次底层、中间层、次顶层和最顶层的材料为透明的玻璃，且各自的长宽尺寸一致。具体尺寸可以根据实际需要而设计。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，其螺线管微型线圈型腔的填充材料为镓。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，第一支柱型腔队列、第二支柱型腔队列和第三支柱型腔队列，三者的垂直投影重合，且三者的垂直投影均落在上引线型腔队列和下引线型腔队列的垂直投影的右端；

第四支柱型腔队列、第五支柱型腔队列和第六支柱型腔队列三者的垂直投影重合，且三者的垂直投影均落在上引线型腔队列和下引线型腔队列的垂直投影的左端；

第一支柱型腔队列的垂直投影均落在上引线型腔队列的垂直投影的右端；第六支柱型腔队列的垂直投影均落在上引线型腔队列的垂直投影的左端；

第一支柱型腔队列中，仅其最后面的一个型腔垂直投影落在第一焊盘型腔之内，其它的型腔垂直投影均落在下引线型腔队列的右端；

第六支柱型腔队列中，仅其最前面的一个型腔垂直投影落在第二焊盘型腔之内，其它的型腔垂直投影均落在下引线型腔队列的左端。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，所述的第一进样孔和第二进样孔两者的垂直投影重合，且两者的垂直投影均位于样品腔的垂直投影之内；

第一出样孔和第二出样孔，两者的垂直投影重合，且两者的垂直投影均位于样品腔的垂直投影之内。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，其包括以下步骤：

a、首先对最底层进行干法刻蚀处理，制作第一焊盘型腔、第二焊盘型腔和下引线型腔队列；

然后对次底层进行干法刻蚀处理，制作第一支柱型腔队列和第六支柱型腔队列；

然后再对中间层进行干法刻蚀处理，制作第二支柱型腔队列、样品腔和第五支柱型腔队列；

然后再对次顶层进行干法刻蚀处理，制作第二进样孔、第三支柱型腔队列、第二出样孔和第四支柱型腔队列；

最后对最顶层进行干法刻蚀处理，制作第一进样孔、第一出样孔和上引线型腔队列；

b、对最底层、次底层、中间层、次顶层和最顶层均进行等离子体处理，并对最底层的上表面与次底层的下表面、次底层的上表面与中间层的下表面、中间层的上表面与次顶层的下表面、次顶层的上表面与最顶层的下表面均进行对准键合，形成螺线管微型线圈型腔和微流通道；

c、在大于或等于镓熔点的温度环境下，对键合处理后形成的螺线管微型线圈型腔进行液态金属镓浇铸处理，形成雏形的镓螺线管微型线圈；再在低于镓熔点的温度环境下，对雏形的镓螺线管微型线圈进行冷却处理，制得镓螺线管微型线圈成品，从而制得基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，步骤a 中所述的干法刻蚀处理的具体条件为功率参数250~450瓦特、气压参数小于1帕，优选0.1~0.8帕。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，步骤b中所述的等离子体处理的具体条件为时间参数5~25分钟、功率参数250~300瓦特。

作为优选方案，以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，步骤b中所述的键合处理的具体条件为温度参数500~600摄氏度。

本发明所述五层玻璃结构均采用干法刻蚀处理，当处理次底层、中间层和次顶层时，先对该三层干法刻蚀处理得到平面定位一致和尺寸相同的型腔队列，再对中间层进行样品腔制作，以及对次顶层进行第二进样孔和第二出样孔的制作，最后，最底层得到第一焊盘型腔、第二焊盘型腔和下引线型腔队列，次底层得到第一支柱型腔队列和第六支柱型腔队列，中间层得到第二支柱型腔队列、样品腔和第五支柱型腔队列，次顶层得到第二进样孔、第三支柱型腔队列、第二出样孔和第四支柱型腔队列，最顶层得到第一进样孔、第一出样孔和上引线型腔队列。

本发明上述五层玻璃结构均进行等离子体处理，最底层的上表面与次底层的下表面、次底层的上表面与中间层的下表面、中间层的上表面与次顶层的下表面、次顶层的上表面与最顶层的下表面均进行对准键合；键合后，第一焊盘型腔与第一支柱型腔队列、第二支柱型腔队列、第三支柱型腔队列、上引线型腔队列、第四支柱型腔队列、第五支柱型腔队列、第六支柱型腔队列、下引线型腔队列以及第二焊盘型腔组成贯通的螺线管微型线圈型腔；而第一进样孔与第二进样孔、样品腔、第二出样孔和第一出样孔则组成微流通道；再在大于或等于镓熔点的温度环境下，向螺线管微型线圈型腔内浇铸液态金属镓，并置于低于镓熔点的温度环境下冷却。

上述五层玻璃结构的厚度依据工作环境的需要而定。

上述第一焊盘型腔和第二焊盘型腔的形状依据与之对应导通的PCB焊盘而定。

有益效果：本发明提供的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备方法和现有技术相比，具有以下优点：

现有的螺线管微型线圈部分基于先PDMS与PDMS键合，后注入液态金属镓进行制作，在横向弛豫时间检测上易出现部分时间段盲区；部分采用PCB技术制作，存在线圈自谐振频率低，仅适合低场核磁共振环境下等局限；

本发明根据现有技术的不足，通过大量实验研究设计，提供的一种结构设计合理，基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，该探头既具有横向弛豫时间检测分辨准确，又具有线圈自谐振频率高等优点，可以应用于更广的高场核磁共振检测领域，应用范围更加广泛，取得了非常好的技术效果。

本发明提供的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制备方法，整个工艺设计合理，成本低，可控性强，重复性和稳定性好，制备得到的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头合格率高，可克服现有技术工艺复杂，难控制，成本高等缺点。

附图说明

图1为本发明所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成探头的结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，该探头包括五层玻璃结构，从下向上依次为最底层（10）、次底层（20）、中间层（30）、次顶层（40）和最顶层（50），在最底层（10）设有第一焊盘型腔（11）、第二焊盘型腔（12）和下引线型腔队列（13），在次底层（20）设有第一支柱型腔队列（21）和第六支柱型腔队列（22），在中间层（30）设有第二支柱型腔队列（31）、样品腔（32）和第五支柱型腔队列（33），在次顶层（40）设有第二进样孔（41）、第三支柱型腔队列（42）、第二出样孔（43）和第四支柱型腔队列（44），在最顶层（50）设有第一进样孔（51）、第一出样孔（52）和上引线型腔队列（53）；

第一焊盘型腔（11）与第一支柱型腔队列（21）、第二支柱型腔队列（31）、第三支柱型腔队列（42）、上引线型腔队列（53）、第四支柱型腔队列（44）、第五支柱型腔队列（33）、第六支柱型腔队列（22）、下引线型腔队列（13）以及第二焊盘型腔（12）组成螺线管微型线圈型腔；

第一进样孔（51）与第二进样孔（41）、样品腔（32）、第二出样孔（43）和第一出样孔（52）组成微流通道。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，最底层（10）、次底层（20）、中间层（30）、次顶层（40）和最顶层（50）的材料为透明的玻璃，且各自的长宽尺寸一致。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，螺线管微型线圈型腔的填充材料为液态金属镓。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，第一支柱型腔队列（21）、第二支柱型腔队列（31）和第三支柱型腔队列（42），三者的垂直投影重合，且三者的垂直投影均落在上引线型腔队列（53）和下引线型腔队列（13）的垂直投影的右端；

第四支柱型腔队列（44）、第五支柱型腔队列（33）和第六支柱型腔队列（22）三者的垂直投影重合，且三者的垂直投影均落在上引线型腔队列（53）和下引线型腔队列（13）的垂直投影的左端；

第一支柱型腔队列（21）的垂直投影均落在上引线型腔队列（53）的垂直投影的右端；第六支柱型腔队列（22）的垂直投影均落在上引线型腔队列（53）的垂直投影的左端；

第一支柱型腔队列（21）中，仅其最后面的一个型腔垂直投影落在第一焊盘型腔（11）之内，其它的型腔垂直投影均落在下引线型腔队列（13）的右端；

第六支柱型腔队列（22）中，仅其最前面的一个型腔垂直投影落在第二焊盘型腔（12）之内，其它的型腔垂直投影均落在下引线型腔队列（13）的左端。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，第一进样孔（51）和第二进样孔（41）两者的垂直投影重合，且两者的垂直投影均位于样品腔（32）的垂直投影之内；

第一出样孔（52）和第二出样孔（43），两者的垂直投影重合，且两者的垂直投影均位于样品腔（32）的垂直投影之内。

实施例2

一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，其包括以下步骤：

a、首先对最底层（10）进行干法刻蚀处理，制作第一焊盘型腔（11）、第二焊盘型腔（12）和下引线型腔队列（13）；

然后对次底层（20）进行干法刻蚀处理，制作第一支柱型腔队列（21）和第六支柱型腔队列（22）；

然后再对中间层（30）进行干法刻蚀处理，制作第二支柱型腔队列（31）、样品腔（32）和第五支柱型腔队列（33）；

然后再对次顶层（40）进行干法刻蚀处理，制作第二进样孔（41）、第三支柱型腔队列（42）、第二出样孔（43）和第四支柱型腔队列（44）；

最后对最顶层（50）进行干法刻蚀处理，制作第一进样孔（51）、第一出样孔（52）和上引线型腔队列（53）；

b、对最底层（10）、次底层（20）、中间层（30）、次顶层（40）和最顶层（50）均进行等离子体处理，并对最底层（10）的上表面与次底层（20）的下表面、次底层（20）的上表面与中间层（30）的下表面、中间层（30）的上表面与次顶层（40）的下表面、次顶层（40）的上表面与最顶层（50）的下表面均进行对准键合，形成螺线管微型线圈型腔和微流通道；

c、在大于或等于镓熔点的温度环境下，对键合处理后形成的螺线管微型线圈型腔进行液态金属镓浇铸处理，形成雏形的镓螺线管微型线圈；再在低于镓熔点的温度环境下，对雏形的镓螺线管微型线圈进行冷却处理，制得镓螺线管微型线圈成品，从而制得基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，步骤a 中所述的干法刻蚀处理的具体条件为功率参数250~450瓦特、气压参数小于1帕。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，步骤b中所述的等离子体处理的具体条件为时间参数5~25分钟、功率参数250~300瓦特。

以上所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，步骤b中所述的键合处理的具体条件为温度参数500~600摄氏度。

实施例3

基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头实际应用时，对第一进样孔（51）和第一出样孔（52）分别插入进样管和出样管，并对第一进样孔（51）口和第一出样孔（52）口进行密封处理；同时，将第一焊盘型腔（11）和第二焊盘型腔（12）分别对准于PCB中接地的焊盘和信号端的焊盘上，再通过无磁性50 Ω同轴电缆线连接至前放，最后连至控制电路部分，在射频脉冲激励下线圈切割磁力线产生自由感应衰减信号，信号经过处理后就得到常见的核磁共振信号，从而可以进行样品鉴别分析。

实施例4

基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头应用于更广的高场核磁共振检测领域时，先将高斯计仪器中的探头放入用于产生高场的超导磁体中，测出主磁场最均匀的区域，并标定该区域；再通过定位仪器将基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头移入已标定的区域中心；接着将第一焊盘型腔（11）和第二焊盘型腔（12）分别对准于PCB中接地的焊盘和信号端的焊盘上，并连接无磁性50 Ω同轴电缆线，再连接至集成前放的控制系统；然后，对第一进样孔（51）和第一出样孔（52）分别插入进样管和出样管，并对第一进样孔（51）口和第一出样孔（52）口进行密封处理；紧接着，通过进样管向样品腔（32）内注入经典的乙醇样品，采用无磁性平口螺丝刀调节无磁性可变电容，乙醇样品在高场核磁共振检测结果出现经典的三峰图，表明本发明集成的探头可应用于高场核磁共振领域。

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 (8)

1.一种基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，其特征在于：该探头包括五层玻璃结构，从下向上依次为最底层(10)、次底层(20)、中间层(30)、次顶层(40)和最顶层(50)，在最底层(10)设有第一焊盘型腔(11)、第二焊盘型腔(12)和下引线型腔队列(13)，在次底层(20)设有第一支柱型腔队列(21)和第六支柱型腔队列(22)，在中间层(30)设有第二支柱型腔队列(31)、样品腔(32)和第五支柱型腔队列(33)，在次顶层(40)设有第二进样孔(41)、第三支柱型腔队列(42)、第二出样孔(43)和第四支柱型腔队列(44)，在最顶层(50)设有第一进样孔(51)、第一出样孔(52)和上引线型腔队列(53)；

第一焊盘型腔(11)与第一支柱型腔队列(21)、第二支柱型腔队列(31)、第三支柱型腔队列(42)、上引线型腔队列(53)、第四支柱型腔队列(44)、第五支柱型腔队列(33)、第六支柱型腔队列(22)、下引线型腔队列(13)以及第二焊盘型腔(12)组成螺线管微型线圈型腔；

第一进样孔(51)与第二进样孔(41)、样品腔(32)、第二出样孔(43)和第一出样孔(52)组成微流通道；

第一支柱型腔队列(21)、第二支柱型腔队列(31)和第三支柱型腔队列(42)，三者的垂直投影重合，且三者的垂直投影均落在上引线型腔队列(53)和下引线型腔队列(13)的垂直投影的右端；

第四支柱型腔队列(44)、第五支柱型腔队列(33)和第六支柱型腔队列(22)三者的垂直投影重合，且三者的垂直投影均落在上引线型腔队列(53)和下引线型腔队列(13)的垂直投影的左端；

第一支柱型腔队列(21)的垂直投影均落在上引线型腔队列(53)的垂直投影的右端；第六支柱型腔队列(22)的垂直投影均落在上引线型腔队列(53)的垂直投影的左端；

第一支柱型腔队列(21)中，仅其最后面的一个型腔垂直投影落在第一焊盘型腔(11)之内，其它的型腔垂直投影均落在下引线型腔队列(13)的右端；

第六支柱型腔队列(22)中，仅其最前面的一个型腔垂直投影落在第二焊盘型腔(12)之内，其它的型腔垂直投影均落在下引线型腔队列(13)的左端。

2.根据权利要求1所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，其特征在于，最底层(10)、次底层(20)、中间层(30)、次顶层(40)和最顶层(50)的材料为透明的玻璃，且各自的长宽尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，其特征在于，螺线管微型线圈型腔的填充材料为液态金属镓。

4.根据权利要求1所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头，其特征在于，第一进样孔(51)和第二进样孔(41)两者的垂直投影重合，且两者的垂直投影均位于样品腔(32)的垂直投影之内；

第一出样孔(52)和第二出样孔(43)，两者的垂直投影重合，且两者的垂直投影均位于样品腔(32)的垂直投影之内。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、首先对最底层(10)进行干法刻蚀处理，制作第一焊盘型腔(11)、第二焊盘型腔(12)和下引线型腔队列(13)；

然后对次底层(20)进行干法刻蚀处理，制作第一支柱型腔队列(21)和第六支柱型腔队列(22)；

然后再对中间层(30)进行干法刻蚀处理，制作第二支柱型腔队列(31)、样品腔(32)和第五支柱型腔队列(33)；

然后再对次顶层(40)进行干法刻蚀处理，制作第二进样孔(41)、第三支柱型腔队列(42)、第二出样孔(43)和第四支柱型腔队列(44)；

最后对最顶层(50)进行干法刻蚀处理，制作第一进样孔(51)、第一出样孔(52)和上引线型腔队列(53)；

b、对最底层(10)、次底层(20)、中间层(30)、次顶层(40)和最顶层(50)均进行等离子体处理，并对最底层(10)的上表面与次底层(20)的下表面、次底层(20)的上表面与中间层(30)的下表面、中间层(30)的上表面与次顶层(40)的下表面、次顶层(40)的上表面与最顶层(50)的下表面均进行对准键合，形成螺线管微型线圈型腔和微流通道；

c、在大于或等于镓熔点的温度环境下，对键合处理后形成的螺线管微型线圈型腔进行液态金属镓浇铸处理，形成雏形的镓螺线管微型线圈；再在低于镓熔点的温度环境下，对雏形的镓螺线管微型线圈进行冷却处理，制得镓螺线管微型线圈成品，从而制得基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头。

6.根据权利要求5所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，其特征在于，步骤a中所述的干法刻蚀处理的具体条件为功率参数250～450瓦特、气压参数小于1帕。

7.根据权利要求5所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，其特征在于，步骤b中所述的等离子体处理的具体条件为时间参数5～25分钟、功率参数250～300瓦特。

8.根据权利要求5所述的基于镓螺线管微型线圈与玻璃微流通道集成的探头的制造方法，其特征在于，步骤b中所述的键合处理的温度参数为500～600摄氏度。