Fabrication of Flexible and Implantable Micro-coils for MRI Application
1. FABRICATION DES MICRO-
BOBINES FLEXIBLES ET
IMPLANTABLES
PAR MÉTHODE DE TRANSFERT
POUR L’IMAGERIE PAR
RÉSONANCE MAGNÉTIQUE
Soutenance M2 Nanodispositif et nanotechnologie, Université Paris
Sud XI
Professeur responsable: Pr. Elisabeth DUFOUR-GERGAM
Cheria JELITA Tuteur de projet: Mlle Magdalèna COUTY
2. Plan de l’exposé
2
Présentation du projet
Rappel de théorie de l’IRM
Design et fabrication des micro-bobines implantables
Optimisation des conditions d’alignement et de bonding
pour le transfert
Influence du packaging PDMS sur les caractéristiques
électromagnétiques
Conclusion
4. Rappel de l’IRM
4
longitudinale
Fréquence de Larmor
ω0 ≈ γ B0
Champ magnétique statique
γhydrogène ≈ 42,6MHz/T
transversale
Free Induction Decay
Transformation
Fourrier
B0 Relaxatio
n
Excitation B1
Pulsation RF
Gradient de champ
5. 5
Qualité de l’image
Solution:
• Augmenter le champ magnétique
• Améliorer la sensibilité de
détection (SRF)
=
• Antennes cryogéniques [J-C. Ginefri]
(couteuse & impossibilité
d’implantation)
• Diminuer la taille de l’antenne
a= rayon de l’antenne
7. Dimensionnement des antennes pour 17.2T
(ω0≈732MHz)
7
ω ≈1 ∕ √LC PDMS packaging diminue la fréquence de résonance
C ≈ε (F0)
(εPDMS≈ 2.65>εair)
Solution: design des plus hautes fréquences
Ltot ω ω√ l f
ε 1. Modèle ligne étroite
tan =1 2. Modèle ligne large
4Z0 4c 3. Modèle coplanaire
800MHz 1GHz
Diamètre externe ≈3mm
Largeur de spire ≈ 100µm
Espacement ≈ 50µm
Épaisseur de spire ≈ 10µm
8. Fabrication (1. micro-moulage)
8
Résine épaisse photosensible AZ4562
(20µm)
Couche conductrice Ti/Cu (10nm/100nm)
Couche anti-adhérente CxFy
Wafer Si (ou verre )4
pouces
Angle de contact de l’eau
de la couche CxFy
cuivre
9. Fabrication (2. PDMS
coating+alignement)
9
Par spin-coating 1000rpm, 90s=60µm,
Recuit étuve T=75 C t=1h
Couche intermédiaire PDMS non-recuit 20µm
Activation de la surface par plasma 02
15. Effet de la variation de l’épaisseur de
packaging (à l’air)
15
F0
Q
70
ω ≈1 ∕ √LC 60
C ≈ε 50
Q factor
40
30 800MHz-unloaded
20 1GHz-unloaded
10
0
0 50 100 150 200 250
PDMS thickness (µm)
16. Effet de la conductivité de milieu
(non-chargé vs chargé)
Chargé : Saline agar fantôme (même caractéristique que le cerveau) ;
16 σ=0.7S/m, ε=80
F0F0 Q
Q
Compromis sur l’épaisseur de
PDMS pour avoir Q suffisant et
ajuster à la fréquence désirée, et
dépôt assez fin pour l’implantation
17. Conclusion
17
Fabrication micro-bobines flexibles et
implantables par méthode de transfert
Micro-bobines alignées avec bonne adhésion
obtenue par bonding avec couche intermédiaire
de PDMS non-recuit, alignement avec masque
holder, bonding dans l’étuve sans poids pour une
longue durée
Perspective :Autre méthode de bonding =
réticulant
Caractérisation électromagnétique
Mode de résonance différent selon la gamme de
fréquence
Non chargé => packaging PDMS diminue F0 et
Q
F0 et Q chargé < non-chargé
Chargé => packaging PDMS diminue le couplage
donc quand épaisseur augmente F0 et Q
augmentent
Localiser la position de chaque voxel dans l’image
La qualité d’image est défini par le rapport signal sur bruit et la taille de voxel.D’après cette expression, deux solution possible pour avoir une bonne image sont d’augmenter le champ magnétique et d’améliorer la sensibilité de l’antenne de détection. La sensibilité de l’antenne est inversement proportionnelle au bruit qui provient de l’échantillon et de l’antenne. Une possibilité est de faire une antenne cryogénique, mais non seulement qu’elle est couteuse, implantation n’est pas possible. Dans l’application, le bruit prédominant de la part d’échantillon. Comme il est proportionnelle avec le rayon d’antenne, une autre possibilité est de miniaturiser l’antenne.
Le design que nous utilisons appartenant de l’ir4m. C’est une design monolithique de type RMLT qui permet la miniaturisation tt en conservant le valeur d’inductance et le plus important c’est de type auto-résonant, càd pas besoin de fil de connecteur à l’extérieure. Le RMLT consistes à deux enroulement de conducteur déposé diamétralement opposé sur chaque substrat diélectrique. Nous utilisons le PDMS comme substrat diélectrique grâce à sa flexibilité qui est préférable pour implantation dans le cerveau, montré par sa faible module de Young comparé avec les autre polymères déjà utilisés dans l’études précédents. La fabrication sera fait donc par micro téchnologie en réalisant une technique de micro-moulage sur deux substrat support et les transferer sur le PDMS comme il est difficile de faire le micromoulage directement sur PDMS à cause de sa flesibilité et hydrophobicité. En fin le packaging avec pdmsgrace à sa biocompatibilité
D’après cette expression, pdms packaging va degrader le F0 car sa permitivité est plus grand que celui de l’air. Pour calculer la fréquence de résonance, 3 modele d’impédance different est prévu: modele ligne etroite et large qui prise en compte l’interaction entre les lignes à travers de diélectriqe et modele coplanaire qui prise en compte l’interaction entre les lignes voisins.Nous avons deux differents design de masque lithographie, pour antenne qui resonne dans la gamme de 800 et la gamme de 1GHZ. Et voici l’ordre de grandeur de nos micro-antennes.
Passons à l’étape de fabrication. Nos substrat support sont de wafer de silicium et de verre de 4 pouces. Tout d’abord nous faisons le dépôt de la couche CxFy pour rendre notre substrat hydrophobe, l’hydrophobicité de cette couche montre par sa grande angle de contact de l’eau qui est inférieure de 90°. Puis une couche conductrice de TI/Cu par pulvérisation cathodiqe. Le résine est dépose spin coating, une technique de dépôt de la résine permettant une contrôle d’épaisseur. Le moule est fait par litho UV suit par le dévelopement. Après, le cuivre est déposé par technique électrolytique. En suite, le moule est rincé avec le solvant et la couche conductrice est grave par voie humide.
Le substrat diéléctrique se fait en déposant de PDMS de 60µm par spin coating sur deux substrat porteurs. Puis elles sont aligné avec l’aligneur double face. Deux méthod de bonding testés sont le bonding avec une couche intermédiaire de PDMS non-recuit et par activation de surface par plasma d’oxygène.
Le bonding se fait par 3 different technique: avec instrument de bondeur conventionnelle en appliquant une température et une force mécanique, dans l’étuve avec ajout de poids sur les échantillons, dans l’étuve sans poids ni force mécanique. Après le bonding, les bobines sonts décollés manuellement depuis leur substrats porteurs grace à la couche anti-adherente, c’est la technique de transfert.
Voici le bilan de plusieur test que nous avons effectuer pour optimiser l’alignement et le bonding. Les tests sont différenciées selon les techniques utilisées: méthod de bonding, technique d’alignement, instrument de bonding. Parmi ces test nous avons réussis seulement deux fois avec la même condition
En gros il ya trois différent condition pour bonding avec couche intermédiaire de PDMS non recuit. Dans la premier condition, c’est à cause du problème matériel que l’alignement avec le bondingtool ne marche pas, mais collage entre les substrats sont bon en utilisant le bondeur. Cependant la force mécanique dans cet instrument donne des bobines décallés. Dans la deuxième condition, les bobines sont parfaitement alignés grace à l’alignement avec la masque holder, mais à cause d’ajout de poids pendant la bonding, ils deviennent décallées. Dans la troisième l’alignement est parfait en utilisant la masque holder et grace à l’absence de poids ou de force mécanique elles sont tjrs aligné après le bonding dans l’étuve. Cependant, c’est à cause de l’absence du poids ou de force mécanique que nous trouvons quelques fois un faible collage entre les substrats, et les bulles d’air piégés entre eux. Le dernière est considéré négligeable en vue de mesure de la fréquence de résonance.En outre, dans les cas où le bonding est réussis, il y a aussi l’influence d’insolation UV après alignement. Mais cet effet n’est pas encore étudié donc nous ne pouvons pas dire que si c’est l’effet d’énergie d’insolation ou c’est juste le temps de pause entre alignement et mis dans l’étuve qui joue sur le collage . Pour bonding avec activation de surface, alignement est possible à faire grâce à l’éthanol. Cependant, comme le bonding se fait dans l’étuve, l’éthanol va s’évaporer et le gaz d’évaporation est piégée entre les substrat ce qui empêche le bonding de s’effectuer
Passons maintenant à l’étape de caractérisation. Nous allons regarder l’influence de PDMS packaging sur la fréquence de résonance et la facteur de qualité de nos bobines
Tout d’abord: des mesure sans PDMS packaging, dans une condition non-chargé, c-à-d à l’air.Les bobines qui sont désignées à 800MHz résonnent à environ 4-500MHz ce qui est tresdifferent avec les valeur expectéesc-à-d les 3 modèle de calcul de la fréquence avec les différents modèle de l’impédance que nous avons vu précédement. Cela dit que ces antennes résonnent avec l’autre mode de résonance. Pareil pour celles qui sont désignées à 1GHz, la fréquence de résonance sont proche des valeur de modèle large mais tjrs pas à la même valeur. Cela indique une autre mode de résonance.M. Couty a précédement étudier cet effet avec les antennes de Teflon. Les valeur analytiques accord les valeur expérimental pour la gamme de 3-400MHz, mais pas pour celles désigné à 800MHz où le mode de résonance est dépendant de la géométrie. Pour celle désigné à 1GHz, les valeur sont assez proche mais ça montre tjrs une autre mode de résonance.La facteur de qualité pour ces deux type de bobines sont d’environ 60-70. comparé aux antennes de Téflon cette facteur n’est pas bon, à cause de …. Et peut-être provenu des bulles de l’air qui est piégés entre les substrats comme je vous ai montré dans la chapitre précédents.
Maintenant les bobines sont enrobé avec du PDMS. La mesure se fait toujours à l’air ou non-chargé. Il est observé que pour les deux types des bobines augmentation de l’épaisseur de PDMS dégrade la valeur de F zero, qui est en accord avec cette expression.La dégradation se fait aussi pour la facteur de qualité
Observons maintenant l’effet du milieu en comparant la mesure non-chargé et chargé. Pour la dernière condition les micro-bobines est mis dans l’agarose: un gel qui a la même conductivité et permittivité que le cerveau. A faible épaisseur de PDMS, Fzero chute très bas dans la condition chargé due à la couplage avec le milieu conductrice. Mais elle augment quand l’épaisseur de PDMS augmenté, ce qui est au contraire avec la condition non chargé. Ca se fait car le PDMS confine le champ magnétique donc réduire le couplage avec le milieu. Et elle augmente encore en grand épaisseur jusqu’elle très proche voire pareil comme celles de mesure non chargé, qui indique qu’il n y a plus d’influence de conductivité de milieu. Puisque la valeur que nous désirons c’est de 732MHz, nous pouvons dire rapidement que comparer avec 1GH le 800MHz ne sont plus utilisable.Pareil pour la facteur de qualité, elle augmente quand l’épaisseur de PDMS augment car la perte diélectrique est réduite. Finallement, il faut trouver un compromis sur l’épaisseur de PDMS pour avoir un bon Q avec la fréquence de résonance ajusté, et packaging qui est adapté pour l’implantation.D’après ces résultats, il est possible d’ajuster la F zero à 732 pour les antennes de 1GHz avec un épaisseur de PDMS de’environ 67.5µm.
Milieu dielectrique F0&Q est faible dsfantome (couplage), prreduire= augmenter epaisseur PDMS packaging
Wire bondeur (direct). On veut utiliser micro-moulage. Ma