專利名稱：用于磁共振成像的薄膜射頻檢測器線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻(RF)檢測器線圈。它具有例如在磁共振(MR)成像和監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
小型共振RF檢測器對于活的有機(jī)體內(nèi)的內(nèi)部磁共振成像(MRI)具有很多應(yīng)用。 盡管小型線圈通常具有低Q因數(shù)，但是這個缺點(diǎn)通過與源的緊密耦合而獲得的信號噪聲比上的總增長而減輕。適當(dāng)?shù)木€圈配置包括單匝或多匝回路、平行的導(dǎo)體傳輸線、相對的螺管 (solenoid)和繞線(meander)。對于血管內(nèi)成像的更加緊湊的選擇方案包括所謂的“無環(huán)導(dǎo)管天線”，其測量電場而不是磁場。線圈的類似范圍已經(jīng)用于導(dǎo)管跟蹤的選擇性應(yīng)用。在每種情況下，對于匹配和調(diào)諧的需要限制了廣泛的臨床應(yīng)用。這個問題可說明如下。通常，線圈(具有電感L和電阻R)必須在線圈諧振的角頻率Qci下與負(fù)載&匹配。 圖Ia示出采用了用于匹配的第一電容器Cm和用于調(diào)諧的第二電容器Ct的一種方法。標(biāo)準(zhǔn)分析顯示，(^和&的并聯(lián)配置可用Cm和等效負(fù)載IV的串聯(lián)配置取代，等效負(fù)載IV取決于RpCm和ω。，如圖Ib所示。匹配要求IV = R，進(jìn)而要求適當(dāng)選擇CM。Cm和(^的串聯(lián)之和顯然等同于單個電容器C，如圖Ic所示。因此，一旦Cm是固定的，則Ct應(yīng)選擇為使得C是諧振所需的總電容。盡管允許用于3D線圈、集膚效應(yīng)(skin effect)和材料損耗的模擬方法取得提高，但是不幸的是難于準(zhǔn)確地預(yù)知電阻R或電感L。線圈電阻固有地取決于頻率，接合點(diǎn)提供進(jìn)一步的電阻損耗，自身的電容對諧振頻率產(chǎn)生巨大影響，并且手繞(hand winding)引入可變性。因此，(^和Ct 二者通常都必須采用為了提高匹配程度和諧振頻率而不斷更新的值而試驗(yàn)性地確定?？扇菀撰@得的電容值的集合是有限的，這通常迫使采用多個部件用于 (^和Ct 二者。結(jié)果，最終的組件常常體積很大，并且可能已經(jīng)焊接以及重焊接多次。對于大型線圈，最終產(chǎn)品可能是可接受的，但是通常的方法不能實(shí)現(xiàn)低成本、小形狀因數(shù)(form factor)以及再現(xiàn)性，這是導(dǎo)管基的探頭的批量開發(fā)所需要的，尤其是可拋棄型探頭所需要的。一種方案是采用λ/2長度的電纜遠(yuǎn)程地定位匹配和調(diào)諧部件。這種方法可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男螤钜驍?shù)。匹配和調(diào)諧也可采用自動變?nèi)荻O管基的系統(tǒng)執(zhí)行。然而，對于低成本、批量生產(chǎn)的線圈，兩個方案通常都太復(fù)雜。微制造可改善上述情形，這是因?yàn)槠湓试S獲得可重復(fù)的R和L值。在諸如GaAs、 Si和玻璃的剛性基板上已形成電鍍螺旋線圈。微制造的亥姆霍茲線圈(Helmholtz coil) 和梯度線圈已被構(gòu)造，在毛細(xì)管上已制成螺管，平面線圈已與微流體集成，并且合并了預(yù)放大器。最近，注意力轉(zhuǎn)移到柔性塑料上，例如聚酰亞胺和聚醚醚酮[Coutrot A.-L.， Dufour-Gergam E. , Quemper J. -M. , Martincic E. , Gilles J. -P. , Grandchamp J. P., Matlosz Μ. , Sanchez A. ,Darasse L.,Ginefri J. -C."Copper micromolding process for NMR micro inductors realisation "Sensors and Actuators A99,49-54 (2002) 1 URMM 氟乙烯[Eroglu S. , Gimi B. , Roman B. , Friedman G. , Magin R. L. "NMR spiral surfacemicrocoils :design，fabrication and imaging，，Cone. Mag. Res. B17，1-10 (2003)]， 它更加適合于活的有機(jī)體內(nèi)使用，并且已經(jīng)構(gòu)造了柔性3D線圈[Woytasik M.，Grmdchamp J. -P.，Dufour-Gergam E.，Martincic E.，Gilles J. -P.，Megherbi S.，Lavally V.， Mathet V. “Fabrication of planar and three-dimensional microcoils on flexible substrates”Microsyst. Tech. 12,973-978 (2006) ] 0然而，匹配和調(diào)諧在很大程度上被忽視。已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試以釆用共面導(dǎo)體[Ellersiek D.，Harms S.，Casanova F.，BlUmich B.，Mokwa W.，Schnakenberg U. “Flexible RF microcoils with integrated capacitor for NMR applications^Proc.MME' 05,Goteborg,Sweden, Sept. 4-6,pp 256-259 (2005) ] Λ 雙層繞組[Woytaskik Μ.，Ginefri J. -C.，Raynaud J. -S.，Poirier-Wuinot Μ.， Dufour-Gergam Ε.，Grandchamp J. -P.，Girard 0.，Robert P.，Gilles J. -P.，Martincic Ε. ， Darasse L "Characterisation of flexible RF microcoils dedicated to local MRInMicrosyst. Tech. 13,1575-1580(2007)]或光學(xué)可變的MOS 結(jié)構(gòu)[Uelzen Th.，F(xiàn)andrey S.，Miiller J. “Mechanical and electrical properties of electroplated copper for MR-imaging coilslicrosyst. Tech. 12，343-351 O006)]集成電容器。先前，[Ahmad Μ. Μ.， Syms R. R. Α.，Young LR.，Mathew B.，Casperz W.，Taylor-Robinson S. D.，Wadsworth CA.，Gedroyc W. M. W. “Catheter-basedflexible microcoil RF detector for internal magnetic resonance imaging" J. Micromech. Microeng.，submitted]，已經(jīng)證明，基于多( 矩形螺旋電感器，可生產(chǎn)高解析度的MRI，其采用導(dǎo)管，安裝有具有分離電容器的微制造線圈。然而，對于優(yōu)化部件值而不需平面處理的高費(fèi)用重復(fù)的問題，尚未發(fā)現(xiàn)令人信服的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種共振射頻(RF)檢測器，其包括基板、形成在基板的前表面上的電感器線圈以及兩個電容器，每個電容器具有形成在基板的前表面上的前板和形成在基板的后表面上的后板。兩個前表面電容器板的每一個電連接到線圈的不同端，并且兩個后電容器板彼此電連接，從而總電路表示包含一個電感器和兩個電容器的諧振電氣回路。諧振電路于是可提供檢測RF信號的功能。從而，一個電容器Cm可提供將目標(biāo)諧振頻率下在其板上觀察到的電阻抗匹配到目標(biāo)值的功能，而另一個電容器Ct可提供將電路的諧振頻率調(diào)諧到目標(biāo)值的功能。線圈可包括一個或更多整圈，或者可包括一個或更多半圈或部分圈，或者可為任何其它合適的形狀以檢測RF信號。電容器之一的前板可形成在線圈內(nèi)。電容器之一的前板可形成在線圈之外。兩個后電容器板可由導(dǎo)電材料的共用層形成。兩個電容器之間的連接也可形成在相同的材料共用層中。類似的方法可用于以串聯(lián)形式增加附加的線圈和電容
ο線圈可具有兩個部分，并且每個前板可連接到這些部分中的相應(yīng)部分的端部。在某些情況下，這些部分的每一個具有各自的感測繞組，這些感測繞組彼此相對。例如，繞組可設(shè)置為8字形的構(gòu)造。這些部分的每一個可具有相同的匝數(shù)，或者可通過其它方式設(shè)置為具有相同的或?qū)嵸|(zhì)上相同的電感。線圈的每一個部分可形成各自的回路，并且前板的每一個可設(shè)置在這些回路中的相應(yīng)回路內(nèi)。
基板可很薄，以允許采用很小的表面面積形成給定尺寸的電容器。通過采用薄基板，電感器和電容器可為柔性的。因此，整個組件可為柔性的，從而其能夠纏繞在導(dǎo)管周圍。本發(fā)明還提供制造RF檢測器組件的方法，包括提供基板；在基板的前表面上形成線圈；在基板的前表面上形成兩個前電容器板；在基板的后表面上形成兩個后電容器板，這些后電容器板的每一個與前電容器板之一至少部分地對準(zhǔn)以形成電容器；在前電容器板的每一個和線圈的不同端之間提供電連接，并且在兩個后電容器板之間提供電連接。線圈和前電容器板可同時形成，或者它們可在分開的步驟中分開形成。線圈和前電容器板可形成為導(dǎo)電材料的共用層。兩個后電容器板可同時形成，并且也可形成為導(dǎo)電材料的共用層。兩個后電容器板之間的連接也可在這一層中形成。在某些實(shí)施例中，這可允許整個組件采用圖案化基板上的表面導(dǎo)電層的恰好兩個步驟制造，一層提供在基板的前表面上，另一層提供在后表面上。本發(fā)明還提供制造共振RF檢測器的方法，包括提供試驗(yàn)基板；在試驗(yàn)基板的前表面上形成試驗(yàn)線圈；在試驗(yàn)基板的相對表面上形成均具有兩個板的兩個試驗(yàn)電容器；在電容器和線圈之間以及這些電容器彼此之間提供電連接；調(diào)整這些電容器板的至少之一的尺寸，直到試驗(yàn)線圈和試驗(yàn)電容器滿足性能標(biāo)準(zhǔn)；在調(diào)整后確定試驗(yàn)電容器的尺寸；并且隨后制造線圈組件，使該線圈組件具有在尺寸和形狀上對應(yīng)于試驗(yàn)基板和試驗(yàn)線圈的基板和線圈以及具有所確定的尺寸的兩個電容器。在一個實(shí)施例中，目標(biāo)應(yīng)用是導(dǎo)管基的探頭，用于膽管的磁共振成像，但是類似的方法適用于脈管成像，或者用于其它形式的內(nèi)部磁共振成像，例如，要求小柔性探頭的口腔、直腸或陰道成像。本發(fā)明的某些實(shí)施例的總體目標(biāo)是柔性片形式的共振檢測器，柔性片可纏繞在導(dǎo)管周圍，并且通過例如微型同軸電纜連接到接收電子裝置。在某些實(shí)施例中，采用三階段的方法。在第一階段中，RF共振器由微制造的線圈和分離的電容器形成。這種結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)匹配和調(diào)諧允許確定Cs^n Ct的值。在第二階段中，構(gòu)造全集成裝置。相同設(shè)計(jì)的線圈與微制造的電容器一起使用，微制造的電容器的面積從先前的試驗(yàn)值Cm和Ct估算。然后，按照系統(tǒng)程序的電容器的機(jī)械修整允許準(zhǔn)確匹配和調(diào)諧。 在第三階段中，全集成裝置采用相同的微制造工藝構(gòu)造，但是具有現(xiàn)在已知的電容器面積。 結(jié)果是柔性的整體，其僅需要連接到同軸輸出端，并且該方法易于應(yīng)用于其它的線圈配置?，F(xiàn)在，參考附圖僅以舉例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖Ia是檢測器線圈的電路示意圖；圖Ib是圖Ia的電路的等效電路的示意圖；圖Ic是圖Ib的電路的進(jìn)一步等效電路的示意圖；圖2是圖Ia的電路中歸一化阻抗作為歸一化線圈電阻的函數(shù)的曲線圖；圖3是示出圖Ia的電路中在不同的場強(qiáng)下電容與線圈電阻之間關(guān)系的曲線圖；圖如是已知的檢測器線圈組件的示意圖；圖4b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的檢測器線圈組件的示意圖；圖5是安裝在導(dǎo)管上的圖2的線圈組件的側(cè)視圖和放大截面圖；圖6a是根據(jù)本發(fā)明的一套檢測器線圈組件的前視圖；圖6b示出了圖6a的檢測器線圈組件在修整前和修整后的示意圖；圖6c是圖6b的檢測器線圈組件的部分放大圖；圖7是示出RF檢測器的S11變化的曲線圖，該RF檢測器具有保持平坦的不同線圈長度且安裝在導(dǎo)管上；圖8是示出在不同的匹配和調(diào)諧階段安裝在導(dǎo)管上的根據(jù)本發(fā)明的檢測器線圈組件的S11關(guān)于頻率的變化以及在最后階段S21的變化的曲線圖；圖9是示出安裝在導(dǎo)管上的根據(jù)本發(fā)明的檢測器組件的S11關(guān)于頻率的變化的曲線圖；圖10是導(dǎo)管的圖片，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的檢測器線圈組件安裝在該導(dǎo)管上；圖11是試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膱D片；圖12是采用具有40mm長線圈的完全集成RF檢測器在1. 5T下獲得的圖11的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹较蝈鳰R圖像；圖13是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施例的檢測器線圈組件的示意圖；圖14是圖13的組件的等效電路的電路圖；以及圖15示出了圖13的線圈組件的相對感測繞組(winding sense)。
具體實(shí)施例方式參考圖la，根據(jù)匹配的標(biāo)準(zhǔn)理論，具有電感L和電阻R的有損耗電感器在角頻率 ω下的阻抗為R+j L，可采用兩個電容器Cm和Ct而與負(fù)載&匹配并且可調(diào)諧到角諧振頻
率ω0°Rl和Cm的結(jié)合的導(dǎo)納為Y = l/RL+j ω CM。因此，對應(yīng)的阻抗Z = 1/Y可表述為Z = (Ι/j ω CM) {1/(1+1/j ω CmRl) } (1)如果ω CmRl > > 1，則等式1可近似為Z l/jcoCM+l/(co2CM2RL)(2)上述近似假設(shè)1/ CM，即負(fù)載遠(yuǎn)大于Cm的阻抗的模。等式2意味著Z等同于電容器Cm與取決于頻率的負(fù)載IV = V(W2Cm2Rl)串聯(lián)，如圖Ib所示。因此，匹配電容器Cm將換算形式(scaled version)的負(fù)載有效地插入到諧振電路中。如果Cm太小， 則IV太大，并且將降低諧振器的總質(zhì)量因數(shù)。如果Cm太大，則IV太小，并且?guī)缀鯖]有信號可被檢測到。匹配涉及到選擇Cm以使在諧振時IV =R，這要求Cm= l/{ 0 V(^L)) ( 3 )
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這個結(jié)果意味著IAD0Cm =^I(RRl),即Cm的阻抗的模，應(yīng)該等于要求匹配的兩個電阻器的幾何平均值。Cm必須隨著頻率的升高或隨著電阻損耗的增加而明顯減小。于是， 我們可將先前近似的條件改寫成&>>R。因?yàn)?amp;典型地為50Ω并且R為幾歐姆，所以等式3幾乎為普遍有效的，不取決于L的值和工作頻率。于是，圖Ib的電路等同于圖Ic中的簡單諧振器。這里，0 和Ct已經(jīng)結(jié)合為單個等效電容器C，其值C = V(COci2L)是實(shí)現(xiàn)諧振所需的總電容。一旦Cm已經(jīng)固定，則調(diào)諧電容器Ct應(yīng)選擇為使1/CT+1/CM = 1/C，或者Ct = CCm/ (Cm-C) (4)明顯可知，Ct必須是正數(shù)且是有限的，以獲得有意義的解。這個條件要求Cm > C， 或者(D0L>從而電感器的阻抗的模必須超過兩個電阻器的幾何平均值。假如線圈電阻R足夠低，這個條件通?？蓾M足。阻抗匹配問題可通過曲線圖示出，如圖2所示。這里，我們?yōu)镃m和Ct以及任意假定的電感L標(biāo)繪歸一化阻抗的模Z/X，作為歸一化線圈電阻 R/X的函數(shù)。假如R/X足夠小并且QciL足夠大，則存在解，并且相應(yīng)的近似值是有效的。1H磁共振(MR)的工作頻率fQ以42. 57MHz/T而與磁通量成線性比例。在1. 5T系統(tǒng)(例如)中，& = 63. 5MHz。圖3示出在不同的場強(qiáng)下由等式3和4獲得的(^和Ct與線圈電阻R的關(guān)系示例，這里假設(shè)用于與后面的試驗(yàn)結(jié)果比較的0. 35 μ H的電感和50 Ω負(fù)載。在低場強(qiáng)下，要求高電容以達(dá)到所要求的相對低的諧振頻率，并且Ct和Cm 二者顯著變化。隨著場強(qiáng)和諧振頻率的升高，Ct減小很多，并且變得越來越穩(wěn)定。Cm也減小，但是它的值仍然顯著變化，隨著線圈電阻的減小而迅速升高。在此范圍中，Cm可在很大程度上超過 Cj ο在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的檢測器線圈的制造方法的第一階段上，首先制造混合集成的RF檢測器。參見圖4a，混合集成的檢測器由基板層10組成，在基板層10的表面上形成有兩匝矩形螺旋繞組或線圈12。繞組12的外端14連接到用于表面安裝電容器Cm和Ct的四個連接器焊盤16、18、20、22的第一個。第二和第三連接器焊盤18、20連接在一起，并且第四連接器焊盤22連接到另外的接觸件M，接觸件24位于繞組12的外側(cè)，用于連接到空氣橋(air bridge) 26的一端。繞組12的內(nèi)端28連接到另外的接觸件30，接觸件30用于連接空氣橋26的另一端，并且空氣橋沈在連接兩個空氣橋接觸焊盤M、30的繞組12上延伸。兩個電容器，匹配電容器Cm和調(diào)諧電容器Ct，可串聯(lián)連接在第一和第二連接器焊盤16、 18之間以及第三和第四連接器焊盤20、22之間，以與繞組12和空氣橋沈形成串聯(lián)的閉合電路。兩個輸出端，例如同軸電纜32的內(nèi)部和外部，連接到第一和第二連接器焊盤16、18， 從而使輸出端連接到匹配電容器Cm上。參見圖5，本實(shí)施例的線圈設(shè)計(jì)為裝配到導(dǎo)管40上。導(dǎo)管40具有圓形橫截面的管狀體42，兩個內(nèi)腔43延伸通過它。線圈組件設(shè)置為使矩形線圈12的長邊1 平行于導(dǎo)管 40的縱向軸，并且柔性基板10纏繞在導(dǎo)管40周圍，收縮包裝的套筒44設(shè)置在線圈組件之上以使其保持在導(dǎo)管40上的適當(dāng)位置。在從線圈一側(cè)上的內(nèi)圈和外圈之間的點(diǎn)到該線圈的相對側(cè)的內(nèi)圈和外圈之間的點(diǎn)測量的情況下，線圈12的寬度設(shè)置為等于導(dǎo)管40的圓周的一半。因此，線圈12的兩側(cè)12a沿著導(dǎo)管40的相對側(cè)延伸。圖如的裝置采用三個光刻步驟制造。第一步驟限定大多數(shù)導(dǎo)體，包括線圈12、連接器焊盤16、18、20、22以及接觸焊盤對、30，它們通過在光致抗蝕劑模具內(nèi)電鍍而作為單層同時形成在基板10的表面上。第二步驟在電鍍層之上形成的絕緣塑料層中限定一套孔， 其實(shí)現(xiàn)到達(dá)連接焊盤(landing pad)和一些導(dǎo)體端部的通道。第三步驟限定空氣橋沈，空氣橋26允許繞組12的外側(cè)的部件連接到螺旋繞組的內(nèi)側(cè)。具有這種幾何形狀的線圈是針對1. 5T下的1H MRI而設(shè)計(jì)，并且具有如下參數(shù)導(dǎo)體寬度200 μ m,導(dǎo)體間隔100 μ m，線圈長度60mm以及線圈寬度4. 2mm。最終值選擇為在檢測器纏繞在導(dǎo)管周圍且使其長軸平行于導(dǎo)管時將長的導(dǎo)體放置在8Fr導(dǎo)管的直徑(2. 7mm直徑)上。線圈制作在25μπι 厚的聚酰亞胺膜(Kapton HN，DuPont, Circleville, OH) 上。這種材料是機(jī)械和熱穩(wěn)定的、柔性的、無針孔、耐電介質(zhì)擊穿以及在厚度范圍內(nèi)商業(yè)可購買的[Data Sheet HK-15345 :DuPont Kapton(RTM)HN polyimide film" DuPont High Perrormance Films, Circleville, OH, http://www. dupont. com]。為了提供用于處理的剛性表面，首先，這種膜在IOOmm直徑的硅晶片上拉伸，并且采用Kapton(RTM)帶錨定。然后， 通過RF濺射沉積Ti (30nm)和CuQOOnm)金屬的種子層。接下來，AZ 9260厚正光致抗蝕劑層(Microchemicals GmbH,Ulm,Germany)通過旋涂而沉積，并且采用UV接觸光刻而圖案化以形成掩模。然后，20 μ m厚的Cu導(dǎo)體跡線通過采用Technic FB Bright Acid銅電鍍?nèi)芤?Lektrachem Ltd. , Nuneaton, UK)在此掩模內(nèi)電鍍而形成。掩模被剝離，并且通過蝕刻去除暴露的種子層。然后，沉積2. 5 μ m厚的SU-82000負(fù)環(huán)氧光致抗蝕劑層(Microchem Corp.，Newton，·)，并且將其圖案化以用作隔層。最后，通過重復(fù)種子層沉積、掩模形成、電鍍、掩模去除和種子層蝕刻的步驟而形成空氣橋。將Kapton 片從其載體上分離，并且采用解剖刀將獨(dú)立的裝置分開。該裝置為高柔性的，并且可任意扭曲而不會有導(dǎo)體分離。采用Agilent E5061A網(wǎng)絡(luò)分析儀測量電氣性能。采用分離的0805系列非磁性電容器(SRT Micro 06儀1^9仙斤儀11(^)，在線圈用熱縮管松動地裝配到8 1~雙內(nèi)腔導(dǎo)管的情況下，執(zhí)行與& = 50Ω的匹配和調(diào)諧。其它部件定位為恰好在導(dǎo)管的端部之外，并且一段 0. 8mm直徑的非磁性 50 Ω 藍(lán)牙(Bluetooth)同軸電纜(Axon Cable,Dunfermline,UK)連接到Cm上且向下通過導(dǎo)管內(nèi)腔之一。然后，使熱縮管收緊以保護(hù)線圈、電容器和電纜連接點(diǎn)。 采用Cm = 139pF、CT = 19. 5pF的部件值，通過最小化63. 8MHz上的散射參數(shù)值S11實(shí)現(xiàn)匹配和調(diào)諧。忽略自身的電容，這些值意味著總電容C =17. lpF，線圈的電感L =V(Oci2C)= 0. 36 μ H，并且電阻 R = 1/(o02Cm2Rl) =6. 4 Ω (因此，質(zhì)量因數(shù) Q= ω^/R = 23)。Q 因數(shù)的確認(rèn)是通過測量完成后的諧振器的靈敏度的頻率變化而提供。參見圖4b，然后，采用集成的平行板電容器構(gòu)造全集成諧振器。這些組件包括與圖 4a的基板10相同材料和相同厚度的基板50以及與圖如的繞組12相同尺寸和材料的前表面?zhèn)壬系睦@組或線圈52。線圈52在其內(nèi)端和外端之間斷開。繞組的內(nèi)端56連接到矩形電容器板58，電容器板58位于線圈繞組52內(nèi)并且形成調(diào)諧電容器Ct的一部分，而繞組的外端60連接到矩形電容器板62，電容器板62位于線圈的外部并且形成匹配電容器Cm的一部分。電容器CT、Cm的每一個還包括在基板50的后面上形成的第二后板，兩個后板64、66彼此連接。因此，基板50自身用作每個電容器的板之間的隔層，并且由于它由薄(12.7μπι) Kapton形成，因此這允許板尺寸保持很小。匹配電容器Cm的兩個板62、66連接到輸出端。圖4b的線圈組件的制造采用了由螺線(spiral)組成的前側(cè)圖案，其形成線圈52 且連接到兩個前電容器焊盤58、62，而后側(cè)圖案由一對類似的后焊盤64、66組成，后焊盤 64,66由導(dǎo)電材料的連接區(qū)域直接連接在一起。這種配置在線圈繞組的外面設(shè)置較大的電容器CM，允許該電容器的兩個板62、66連接到輸出端，這又可為同軸輸出，并且在線圈內(nèi)設(shè)置較小的電容器CT。因?yàn)椴恍枰諝鈽騺硖峁┞菥€的內(nèi)端的連接，所以整個布局的制造可采用恰好兩個光刻步驟，以限定基板的任何一側(cè)上的導(dǎo)體。需要雙側(cè)光刻和電鍍，但是前側(cè)與后側(cè)的對準(zhǔn)不是關(guān)鍵的，這是因?yàn)殡娙萜靼逯恍枰辽俨糠值刂丿B，并且不需要彼此精確地對準(zhǔn)。原型裝置采用類似于上述的導(dǎo)體尺寸制造，但是在一定線圈長度范圍內(nèi)的大量線圈組件形成在單一的基板上，如圖6a所示。為了允許僅通過去除材料來調(diào)整電容，電容器采用試驗(yàn)確定值的大約兩倍的估計(jì)值制造。18mm X5. 5mm(99mm2)和4mm X3. 5mm(14mm2) 的尺寸被用于 Cm 和 Ct ；假設(shè) Kapton [ "Data Sheet HK-15345 =DuPont Kapton HN polyimide film'DuPont High Performance Films,Circleville,OH,http://www, dupont. com]的相對介電常數(shù)為3. 5，這分別生產(chǎn)了 240pF和34pF的初始電容。采用針對IOOmm硅晶片設(shè)計(jì)的工藝，每個基板可制造14個不同長度的裝置，如圖6a所示。類似的圖案化和電鍍工藝被用于形成每一側(cè)上的導(dǎo)體。后側(cè)導(dǎo)體首先采用較小的 Cu厚度(5μπι)形成，然后用光致抗蝕劑層保護(hù)，而前側(cè)導(dǎo)體以標(biāo)準(zhǔn)的Cu厚度(20 μ m)形成。因此，總厚度約為40 μ m。圖6a示出如上所述完成的基板，圖6b示出修整前和修整后的一對完成元件，而圖6c是電容器區(qū)域中的放大圖，示出基板10的前表面上的線圈12和電容器板58、62的部分。所形成的裝置在被放置在感應(yīng)探頭附近時立即共振。然后，通過采用系統(tǒng)的工藝機(jī)械地修整匹配電容器Cm和調(diào)諧電容器Ct的每一個而執(zhí)行全部集成的裝置的匹配和調(diào)諧。完成的裝置采用微型同軸電纜而電連接，該電纜被焊接在Cm上。然后，通過在保持裝置平坦的情況下測量散射參數(shù)S11的頻率變化，評估每個裝置的初始條件。圖7示出從具有不同線圈長度的裝置獲得的測量結(jié)果。在每種情況下，在特定頻率附近S11的最小值意味著諧振的存在，并且最小值的尖銳度和深度表明良好的Q因數(shù)以及適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ?。諧振頻率隨著線圈長度而減小，并且在每種情況下都在63. 8MHz以下。然而，阻抗匹配隨著諧振頻率的上升而下降。然后，將裝置安裝在SFr導(dǎo)管的短部分上，并且重新測量S11的頻率變化。這個工藝可預(yù)期減小L而不改變R，因此簡單地增加諧振頻率。在每種情況下，匹配都下降。因?yàn)橛行ж?fù)載為IV = 1/( Q2CM\)，并且都是固定的，所以唯一可能的結(jié)論是Cm太大， 符合先前的估計(jì)。最短GOmm)的裝置立即重新調(diào)諧到63. 8MHz的頻率。然而，因?yàn)樽铋L (60mm)的裝置僅重新調(diào)諧到52MHz，所以這個裝置需要調(diào)整。執(zhí)行60mm裝置的匹配和調(diào)諧，如圖8所示，圖8示出在不同階段上S11的頻率變化。 從初始條件(狀態(tài)1)開始，Cm首先用解剖刀修整。在幾次調(diào)整后，達(dá)到狀態(tài)2。這里，S11的最小值的深度表明極好的匹配，但是具有錯誤的諧振頻率(僅略微升高，至53MHz)。然而， 因?yàn)樽杩蛊ヅ浒l(fā)生在QciCm的特定值，所以在一個角頻率(Coci)上匹配所需的電容Cm可用于估算另一個角頻率(ω。')所需的值C/，因?yàn)镃/ /Cm= ω0/ω0'。因此，估算63. 8MHz 上需要的匹配電容器的優(yōu)選區(qū)域是簡單的，并且將Cm適當(dāng)?shù)匦拚綘顟B(tài)3。這里，諧振頻率再一次略微升高(至54MHz)，并且阻抗匹配顯示已經(jīng)下降。調(diào)諧電容器Ct現(xiàn)在通過狀態(tài)4 和5修整，逐漸增加諧振頻率且改善匹配，至最終狀態(tài)6。在這一點(diǎn)上，調(diào)諧和匹配的準(zhǔn)確度都非常好。調(diào)諧和匹配的裝置的Q因數(shù)通過采用感應(yīng)探頭測量S21的頻率變化而再一次估算為22，如圖8所示。Cm和Ct的最終面積分別為52mm2和9. 3mm2,對應(yīng)于估算的電容127pF和23pF (接近于目標(biāo)值)。這些結(jié)果顯示，存在用于識別未知裝置的初始狀態(tài)的方法，并且(假設(shè)兩個電容都太大)，對于通過減小重疊面積而匹配和調(diào)諧存在收斂性的算法。然而，如有必要，在電容器太小時，仍然能夠通過簡單地用含銀的環(huán)氧樹脂(silver-loaded epoxy)延伸重疊面積來執(zhí)行調(diào)整。存在的問題是，由于緊密分隔的導(dǎo)體之間金屬跡線的小碎片，因此機(jī)械修整可能使電容器之一短路。這個問題可通過以一個或兩個導(dǎo)體的激光修整取代整個結(jié)構(gòu)的機(jī)械修整而消除，從而使絕緣電介質(zhì)層始終保持在適當(dāng)位置。另外，電纜裝配期間過多的焊料流可損壞金屬層的柔性。這個問題可采用附加的圖案化表面層以限定可焊接的面積而解決?！┲雷罱K的面積，就可執(zhí)行掩模的重新設(shè)計(jì)，以制造進(jìn)一步的裝置，其初始狀態(tài)甚至更加接近于所希望的最終狀態(tài)。圖9示出以上述電容器修整和試驗(yàn)確定的電容器面積而制造的裝置的S11的頻率變化。這個裝置是固有調(diào)諧且匹配的，并且僅要求焊接連接到輸出來操作。圖10是完成的導(dǎo)管基的RF微型線圈檢測器的圖片。采用上面參照圖6a至6c所述的諧振器，對模型執(zhí)行1H磁共振成像試驗(yàn)，以證明這些集成諧振器的成像能力。采用1. 5T GE HD Signa Excite掃描儀進(jìn)行成像。系統(tǒng)的主體線圈被用于發(fā)射，并且如圖5所示的安裝微型線圈的40mm長導(dǎo)管連接到用于信號接收的輔助線圈輸入端。沒有采取措施(例如，二極管轉(zhuǎn)換去諧)來避免被傳輸?shù)拿}沖損壞，因?yàn)橄惹暗慕?jīng)驗(yàn)表明這是不必要的。微型線圈最初設(shè)置在大球形模型上，其包含NiCl2和CuSO4的稀釋溶液。微型線圈位于等中心(isocentre)，而長導(dǎo)體設(shè)置在冠狀平面上，并且采用快速恢復(fù)快速旋轉(zhuǎn)回波 (FRFSE)序列自動調(diào)諧。然后，采用由M4尼龍螺母和凸圓頭螺栓(齒距0.7mm)構(gòu)成的模型證明高解析度的成像，該模型放置在小玻璃容器的溶液中，如圖11所示。小玻璃容器放置在線圈之上，而線圈保持在球形模型之上。采用33ms的松弛恢復(fù)時間(TR)、15ms的回波時間(TE)以及10 度的反轉(zhuǎn)角執(zhí)行成像。采用T2-加權(quán)的FRFSE序列以1.2mm厚的觀個片獲取圖像，并且在 80mm X 40mm的視場內(nèi)每片具有256 X 2M像素。采用6次激振以改善SNR，總獲取時間為 11分53秒。圖12是典型的徑向片，在圖的上部示出包含螺母和螺栓的容器并且在圖的底部示出球形模型。螺栓的開槽頭清楚可見，并且在原始圖像中還可看到齒。這些結(jié)果可與如圖 4a 所示的以局部集成線圈組件[Ahmad Μ. Μ.，Syms R. R. Α.，Young I. R.，Mathew B.， Casperz W. , Taylor-Robinson S. D. ,Wadsworth C. Α. ,Gedroyc W. Μ. W. " Catheter-based flexible microcoil RF detectors for internal magnetic resonance imaging" J. Micromech. Microeng. , submitted]先前獲得的結(jié)果相比，并且證明了全集成線圈的成像性能可與具有表面安裝電容器的線圈的成像性能一樣好。除了提供具有集成的調(diào)諧和匹配電容器的螺旋線圈的實(shí)現(xiàn)方法，如上面的實(shí)施例中所述，本發(fā)明的其它實(shí)施例利用其能力以允許更加復(fù)雜的線圈配置，其可在特定應(yīng)用中具有優(yōu)點(diǎn)。參照圖13，在進(jìn)一步的實(shí)施例中，提供具有調(diào)諧和匹配電容器的兩匝8字形線圈。電路也由薄基板層101構(gòu)造，在薄基板層101的前表面上由第一跡線10 和第二跡線102b 形成線圈繞組102。第一跡線10 從匹配電容器前板103延伸，并且向內(nèi)盤旋一圈半，以形成繞組的第一回路102a，以第一回路內(nèi)的第一互連電容器板105終止。因此，除了一個半圈之外，形成第一回路的全部。第二跡線102b從調(diào)諧電容器前板104沿著基板相鄰于第一跡線延伸，以形成第一回路10 的半圈，然后向內(nèi)盤旋兩整圈，以形成8字形的第二回路 102b的全部，以第二回路內(nèi)的第二互連電容器板106終止?；ミB橋108形成在基板101的后表面上，并且包括兩個板108a、108b，其每一個與互連電容器板105、106之一相對，由短跡線108c連接在一起?；?01的后表面上的另一個板107形成匹配和調(diào)諧電容器的后板。調(diào)諧電容器和匹配電容器二者都具有在線圈102外面的前板103、104。在基板的前表面上形成的繞組具有兩個回路，每一個具有兩整圈，該繞組在第一回路的一端上在外圈中斷開，以允許連接到兩個板103和104，并且還在其中心處斷開，在該中心處在前表面上形成線圈端部的兩個電容器板105和106之間形成間隙，該間隙由互連橋108橋接。圖13的配置具有圖14所示的等效電路。線圈102提供電感L，其分成兩個部分L1 和L2。板103和107與基板10 —起提供匹配電容器CM，而板104和107與基板101 —起提供第一調(diào)諧電容器CT1。板105和108a與基板101 —起提供第二調(diào)諧電容器Ct2，而板106 和108b與基板一起提供第三電容器CT3。于是，電路的角諧振頻率為ω。=1/(LC)1/2(5)其中L是總電感，并且C是總電容，而L和C由下式給出L = L^L2(6)1/C = I/CM+1/CT1+1/CT2+1/CT3(7)應(yīng)當(dāng)理解的是，該電路可作為用于RF信號的共振檢測器操作，并且匹配和調(diào)諧可如圖4b的實(shí)施例所述執(zhí)行。還應(yīng)理解的是，電容器Ct2和Ct3的功能為允許8字形的線圈配置，以由絕緣基板的任一側(cè)上形成的兩個圖案化導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)，而不需要空氣橋或通路連接。 還應(yīng)理解的是，線圈的繞組分成兩半，每一半具有一個相對感測繞組，如圖Ic所示。每一半或某一個回路具有相同的匝數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，如果電感器Ll和L2是相同的，則垂直作用于線圈的均勻時變外部磁通量Bl在每半個繞組中感應(yīng)出相等或相反的電動勢，該電動勢從而將抵消而產(chǎn)生零凈電動勢以及零電流。因此，線圈對空間均勻的RF磁場具有很低的靈敏度，該磁場例如為在激發(fā)期間MRI掃描儀的主體線圈產(chǎn)生的場。結(jié)果，可最小化直接感應(yīng)的電壓和激發(fā)圖案的局部修改。然而，線圈仍可對信號接收期間引起的局部產(chǎn)生的RF場具有靈敏度。這個特征提供MRI系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器之間的固有被動去耦，這可避免對其它去耦方法的需求，例如，二極管轉(zhuǎn)換去諧。因此，該配置可提供薄膜形式的去耦線圈，其可完全通過圖案化導(dǎo)體層而制造，而不需要額外的半導(dǎo)體部件。最后，還應(yīng)理解，將成對的電容器用于實(shí)現(xiàn)8字形線圈繞組(不利用空氣橋)可擴(kuò)展為提供進(jìn)一步細(xì)分成附加部分的繞組，以提供多個部分的線圈，使其繞組在相鄰的部分或回路之間交替感測。如果具有更多的部分，則各部分中感應(yīng)的電動勢可通過使所有的回路具有相同的尺寸和相同的匝數(shù)而平衡。在其它情況下，各部分可具有不同的尺寸，并且可具有與兩個感測繞組不同數(shù)量的部分，但是通過正確選擇線圈的尺寸和形狀，仍可平衡電動勢。
權(quán)利要求
1.一種共振射頻(RF)檢測器組件，包括基板、形成在所述基板的前表面上的線圈以及兩個電容器，每個電容器具有在所述基板的所述前表面上形成的前板和在所述基板的后表面上形成的后板，所述兩個前板的每一個電連接到所述線圈的不同端，并且所述兩個后板彼此電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中所述電容器之一的所述前板形成在所述線圈內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組件，其中所述電容器之一的所述前板形成在所述線圈之外。
4.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的組件，其中兩個前電容器板和電感器由導(dǎo)電材料的共用層形成。
5.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的組件，其中兩個后電容器板由導(dǎo)電材料的共用層形成。
6.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的組件，其中所述基板、所述線圈和所述電容器是柔性的。
7.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的組件，其中所述線圈具有兩個部分，并且所述前板的每一個連接到所述部分中的相應(yīng)部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的組件，其中所述部分的每一個具有各自的感測繞組，所述感測繞組彼此相對。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組件，其中所述部分的每一個具有相同的匝數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述線圈的每個部分形成各自的回路，并且所述前板的每一個位于所述回路中的相應(yīng)回路內(nèi)。
11.一種制造共振RF檢測器的方法，包括提供基板；在所述基板的前表面上形成線圈；在所述基板的所述前表面上形成兩個前電容器板；在所述基板的后表面上形成兩個后電容器板，所述后電容器板的每一個與所述前電容器板之一至少部分地對準(zhǔn)以形成電容器，并且在所述前電容器板和所述線圈之間以及所述兩個后電容器板之間提供電連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述線圈和所述前電容器板作為導(dǎo)電材料的共用層同時形成在所述基板的所述前表面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中所述后電容器板作為導(dǎo)電材料的共用層同時形成在所述基板的所述后表面上。
14.一種制造共振RF檢測器的方法，包括提供試驗(yàn)基板；在所述試驗(yàn)基板的前表面上形成試驗(yàn)線圈；在所述試驗(yàn)基板的相對表面上形成均具有兩個板的兩個試驗(yàn)電容器；以及在所述電容器和所述線圈之間以及在所述電容器彼此之間提供電連接；調(diào)整所述電容器板的至少之一的尺寸，直到所述試驗(yàn)線圈和所述試驗(yàn)電容器滿足性能標(biāo)準(zhǔn)；在調(diào)整后確定所述試驗(yàn)電容器的尺寸；以及隨后制造所述線圈組件，使得所述線圈組件具有在尺寸和形狀上對應(yīng)于所述試驗(yàn)基板和所述試驗(yàn)線圈的基板和線圈以及具有所確定的尺寸的兩個電容ο
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中調(diào)整所述電容器每一個的至少一個板的尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中所述性能標(biāo)準(zhǔn)包括下述的至少一個以預(yù)定頻率在一個電容器上觀察到的阻抗與預(yù)定電負(fù)載匹配的程度以及將電路的諧振頻率調(diào)諧到預(yù)定值的程度。
全文摘要
一種共振射頻(RF)檢測器組件，包括基板、在基板的前表面上形成的線圈以及兩個電容器，每個電容器具有在基板的前表面上形成的前板和在基板的后表面上形成的后板，兩個前板的每一個電連接到線圈的不同端，并且兩個后板彼此電連接。
文檔編號G01R33/28GK102483446SQ201080035412
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者I.R.揚(yáng), M.M.阿瑪?shù)? R.R.A.西姆斯, S.泰勒-羅賓森 申請人:帝國改革有限公司