绝缘涂层线在磁性微系统与MEMS器件中的应用

绝缘涂层线在磁性微系统与MEMS器件中的应用

一．概述

磁性微系统领域的主要技术挑战是工艺和材料。泰丰瑞电子采用独特、快速、灵活和可靠的工艺，利用自动绕线机制造三维螺线形微线圈。我们开发了用于片上磁性微型致动器、微型变压器和功率处理、电感式传感器、微型核磁共振、微型能量收集或磁悬浮的线圈。进一步关注磁性材料的应用。纳米涂层（多层非晶金属薄膜和磁性聚合物）的结构和性能。这些材料可用于引导磁通和增强磁场，例如最大限度地提高变压器的耦合度。

二．微型核磁共振

微型核磁共振 （Micro Nuclear Magnetic Resonance, Micro MNMR）技术是指将传统的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）原理应用于微小尺度的研究与分析中。这种技术通常用于生物医学、化学分析以及材料科学等领域，特别是在需要高灵敏度和高分辨率的小样本量检测时。以下是关于微型核磁共振的详细介绍：

基本原理

rationale

核磁共振是一种基于原子核在外部磁场中的行为来获取物质内部结构信息的技术。当置于强磁场中的某些原子核（如氢核，即质子）受到特定频率的射频脉冲激发时，会发生能级跃迁，并在停止激发后释放能量回到基态，通过检测这些信号可以得到有关样品的信息。

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微线圈设计：

         使用微型化线圈以增加局部磁场强度，从而提高信号强度。

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微流控芯片：

         集成样品处理、混合及检测功能于一体的微流控平台，允许对微量样品进行高效分析。

3

便携式设备：

          开发小型化的NMR谱仪，便于现场或实验室外使用。

应用领域

application

01

生物医学

疾病诊断：利用微型NMR技术可以快速检测血液或其他体液中的生物标志物，有助于早期发现癌症等疾病。

细胞研究：能够对单个细胞或少量细胞群体进行代谢物分析，提供深入了解细胞生理状态的可能性。

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化学分析

有机化合物鉴定：通过分析分子结构中的氢原子环境，帮助识别未知化合物。

反应监控：实时监测化学反应进程，优化反应条件。

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材料科学

纳米材料表征：评估纳米颗粒的表面性质及其分散性。

聚合物研究：了解聚合物链段运动及其相互作用。

三.解决方案

（1）微型核磁共振

泰丰瑞电子为微型核磁共振（Micro-MR）研究工作集中于开发用于亚毫米尺寸样品的核磁共振成像（MRI）和光谱学系统解决方案。在微尺度下实现高分辨率MRI/NMR最具挑战性的问题是对足够高的信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）的需求。提高信号接收灵敏度的一种方法是使用微型线圈，使其紧密贴合小尺寸产品。

使用的材料是直径为25微米的绝缘涂层金（Au）或铜（Cu）线制造了真正三维、几何形状完美的微型线圈，其内径可小至100微米，并且垂直于基底。将线圈直接绕制在样品上，这有助于通过增强填充因子来优化灵敏度。制造的微探头，用于核磁共振信号的无线传输，从而允许样品在检测线圈的同时进行“魔角旋转”（Magic Angle Spinning）。

为了展示这项技术的多功能性，已将这些器件插入装置适配到不同的拉莫尔频率（194 MHz、500 MHz和700 MHz），并测试了多种样品（如水、果蝇蛹、金刚烷固体和氯化锂），在不同的魔角旋转速度下进行了实验。

图1.直径1000um五个线圈和50um节距的线圈的复阻抗的绝对值共振频率约为2.6GHz

图2.直径1000um，五匝线圈和间距为50um的线圈的电感和电阻

图3.电感与线圈直径的线性关系25微米的节距，并在400Mhz测量

螺线管型核磁共振线圈的一种平面替代方案是由绝缘涂层线制做的亥姆霍兹配置的线圈对提供的，它在中心区域提供了极佳的均匀磁场。除了提高灵敏度外，这种设计还改善了操作便利性。两个线圈之间的槽口可以用来插入流体样品装置，这些装置可以高效地批量生产，作为一次性材料使用，以避免复杂的清洗过程和交叉污染的风险。

图4绝缘涂层线超微纳线圈结构

  (a) 单个线圈              （b）线圈阵列

图5.MRI/NMR 探测器内绝缘涂层内部结构示意图

（2）微型变压器

超薄型电子设备的趋势使电源转换器的小型化和集成化成为一项关键技术。为了解决这个问题，泰丰瑞电子致力于两种不同的策略来制造小型变压器。第一种方法侧重于采用我们实验室开发的高精度线圈绕组技术进行感应元件优化和制造。利用自动引线键合机作为微线圈制造的手段，可以超快速制造具有高绕组密度和高度灵活性的 3D 微型螺线管。

涂层线可以将变压器的初级和次级线圈直接精确地相互缠绕在一起的方案，因此变压器可以达到极高的耦合系数。第二种用方法包括集成高性能磁芯。为此，我们开发了两种新型 MEMS兼容微纳加工工艺。

图6 微纳结构变压器的绝缘涂层线圈

磁芯由软磁非晶合金或软磁粉末基复合材料制成。应用这些技术，可以制造了几种不同类型的微变压器，具有不同的几何形状、磁芯材料和功能频率范围。制造的原型用于 0.3–300 MHz 频率范围内的芯片级电源转换或隔离。

图4绝缘涂层线制作的变压器线圈

（3）超微型无线电力传输

利用微加工磁性器件以及必要的电子电路来设计和制造适用于医疗和消费应用的柔性无线电力传输系统。尽管医疗和消费类应用原则上可以从无线电力传输中受益，但制造材料、传输距离和介质以及所需的电路在每种情况下都有所不同。

微型超级电容器(MSC)是一种前景广阔的微型储能器件，具有充电和放电速度快、循环寿命长和功率密度高等特点，在微电子领域用作供能器件的潜力很大。在实际应用中，MSC 需要通过连接电线定期对外部电源充电，这意味着需要额外的人力。

图7无线充电微型超级电容器

此外，充电设备通常体积庞大，容易因电极物理接触而损坏 MSC。因此，具有无线充电等自适应优点的 MSC 必须能够及时补充足够的电力且无需有线外部连接供电，深入开发超贴合性皮肤式的无线充电微型超级电容器在可穿戴电子领域具有重要的意义。

与标准的有线应用相比，使用无线电力传输可以在难以或不太可能引入电线的地方传输电力。原因可能从安全性到生物相容性方面，再到机械和电气突破性稳定性。从消费者的角度来看，每个人拥有的高耗电设备数量不可避免地增加了每年产生的过时壁式充电器的数量，如果有一个公共充电点可用，这种情况是可以避免的。尽管医疗和消费类应用原则上可以从无线电力传输中受益，但制造材料、传输距离和介质以及所需的电路在每种情况下都有所不同。

在我们的实验室中，我们正在寻找一种方法，利用微加工磁性器件以及必要的电子电路来设计和制造适用于医疗和消费应用的柔性无线电力传输系统。首先，它解决了我们目标系统的基本特性，这意味着它的尺寸可扩展且易于适应特定应用，其次，它意味着形状灵活性，即系统是在柔性基材上制造的，以适应曲面，最后，它意味着功率自适应性，这意味着更小和更大的系统都可以由同一个系统供电。