Liquid cooled micro-scale gradient system for magnetic resonance
Creators: name: Meissner, Markus Valentin
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023

description: Schaltbare magnetische Feldgradientspulen sind ein geeignetes Werkzeug für die Modulation der Kernspinpräzession in der gepulsten Kernspinresonanzspektroskopie und Bildgebung. Die Magnetresonanztomographie von mikroskopischen Proben benötigt starke, schnell schaltbare Magnetfeldgradienten, um diffusionsbedingte Artefakte zu unterdrücken, Suszeptibilitätseffekte abzuschwächen und um die Messzeit zu verkürzen. Verschiedene Techniken können eingesetzt werden, um eine hohe Gradientenintensität zu erreichen, wie zum Beispiel die Erhöhung der Stromstärke oder die Steigerung der Windungsdichte der Feldspule. Ein weiterer, geeigneter technischer Ansatz besteht darin, die Gradientenspulen näher an der Probe zu platzieren. Als Konsequenz wird aber die durch die Joule-Erwärmung verursachte Wärmeentwicklung zu einem zentralen Problem. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Design, ein Mikroherstellungsprozess und eine Kernspin-Evaluierung eines Feldgradientenchips präsentiert. Die Gradientenspulen wurden besonders hoch miniaturisiert und durch den Einsatz von verbesserten und neuartigen Strukturierungsverfahren entwickelt. Zuerst wird ein Fertigungsverfahren zur Herstellung einer kompakten Hochfrequenzspule vorgestellt. Durch den Einsatz einer maskenlosen Rückseitenlithographie konnte die Prozesskomplexität reduziert werden. Dieses Verfahren wurde durch Tintenstrahldruck mit Nanopartikeln realisiert, wobei die gedruckten Strukturen selbst als lithographische Maske für die Herstellung einer galvanischen Form dienen. Somit werden die Seitenwände der galvanischen Form durch die gedruckte Seed-Schicht optimal selbst ausgerichtet. Dies ermöglichte eine anisotrope Galvanisierung, um eine höhere elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Leiterbahnen zu erzielen. Aus den Erkenntnissen der ausgearbeiteten Herstellungsprozesse wurde ein optimiertes Spulendesign für ein-axiale sowie drei-axiale linearen Gradientenchips entwickelt. Die einachsige lineare $z$-Gradientenspule wurde mit der Stream-Function-Methode berechnet, wobei die Optimierung darauf abgestimmt wurde, eine minimale Verlustleistung zu erzielen. Die Gradientenspulen wurden auf zwei Doppellagen implementiert, die mittels Cu-Galvanik in Kombination mit fotodefinierbaren Trockenfilm-Laminaten aufgebracht wurden. Bei dem hier vorgestellten Herstellungsverfahren diente die erste Metallisierungschicht gleichzeitig dazu, Widerstands-Temperaturdetektoren zu integrieren. Um niederohmige Spulen zu realisieren wurde der Galvanisierungsprozess soweit angepasst, um eine hohe Schichtdicke zu erzielen. Die Chipstruktur beinhaltet ein aktives Kühlsystem, um dem Aufheizen der Spulen entgegenzuwirken. Thermographische Aufnahmen in Kombination mit den eingebetteten Temperatursensoren ermöglichen es, die Erhitzung der Spule zu analysieren, um die Strombelastbarkeit zu ermitteln. Die Gradientenspule wurde mit einer Hochfrequenz-Mikrospule in einer Flip-Chip-Konfiguration zusammengebaut, und mit diesem Aufbau wurde ein eindimensionales Kernspinexperiment durchgeführt. Es wurde eine Gradienteneffizienz von 3.15 $T\,m^{−1}\,A^{−1}$ bei einer Profillänge von 1.2 $mm$ erreicht.