Microbobina

Un campo donde se encuentran es la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), donde identifica bobinas de radiofrecuencia ( RF ) que son más pequeñas que 1 mm. ^{[ 3 ]} 

Los límites de detección de la micro-RMN o la RMN pueden ampliarse aún más aprovechando las técnicas de fabricación de microsistemas. En general, la bobina receptora de RF debe ajustarse estrechamente a la muestra para garantizar una buena sensibilidad de detección. Una sonda de RMN diseñada correctamente maximizará tanto el factor de observación, que es la relación entre el volumen de muestra observado por la bobina de RF y el volumen total de muestra requerido para el análisis, como el factor de llenado, que es la relación entre el volumen de muestra observado por la bobina de RF y el volumen de la bobina. ^{[ 4 ]}

La miniaturización de las sondas de RMN conlleva, por lo tanto, dos ventajas:

1. Mayor sensibilidad, sin la cual el análisis de compuestos de tan baja concentración sería imposible, y
2. Incremento del factor de llenado mediante la adaptación de la sonda al volumen de la muestra. ^{[ 5 ]} Sin embargo, la extracción de los espectros de RMN de muestras con volúmenes cada vez menores representa un verdadero desafío. Estas reducciones de volumen se deben a las dificultades para producir muestras suficientemente grandes o a la necesidad de miniaturizar el sistema de análisis; en ambos casos, se requiere un diseño cuidadoso de las bobinas de radiofrecuencia que garantice una recepción óptima de la señal de RMN. ^{[ 6 ]}

En el campo de las ciencias cuánticas , las microbobinas desempeñan un papel cada vez más importante en el control rápido del espín en dispositivos a nanoescala, como registros de espín de múltiples cúbits y memorias cuánticas, o en la actuación de espines nucleares individuales, por ejemplo, alrededor de un centro de vacancia de nitrógeno . ^{[ 7 ]} A diferencia de la RMN tradicional, aquí las microbobinas se utilizan únicamente como actuador . La señal de espín nuclear se detecta mediante la lectura óptica de un único espín electrónico .

Las microbobinas han demostrado su utilidad en sistemas de telemetría, donde se utilizan microbobinas planares para suministrar energía a implantes miniaturizados. ^{[ 8 ]}

Es la geometría clásica para crear un campo magnético con una corriente eléctrica . Incluso para un número limitado de espiras, esta geometría proporciona un campo B ₁ razonablemente homogéneo y es posible un buen factor de llenado al enrollar la bobina directamente sobre un soporte que contiene la muestra. La miniaturización a una escala de varios cientos de micrómetros (μm) no es muy difícil, aunque el diámetro del alambre (típicamente de 20 a 50  μm) se vuelve muy pequeño y una bobina independiente es un objeto muy delicado. ^{[ 9 ]} Es posible una reducción a menos de 100  μm de diámetro, pero el mecanizado y manipulación de dichas bobinas será bastante tedioso. Por esta razón, se deben aplicar otras tecnologías de fabricación de microsistemas, como el micromecanizado en masa , LIGA y el moldeo por microinyección . ^{[ 5 ]} Para bobinas solenoides, agregar más espiras a la bobina mejorará la relación B ₁ /i y, por lo tanto, tanto la inductancia como la respuesta de la señal. Al mismo tiempo, la resistencia de la bobina aumentará linealmente, por lo que la mejora en la sensibilidad será proporcional a la raíz cuadrada del número de espiras (n). Esto implicará un mayor calentamiento óhmico en el centro de la bobina y un mayor riesgo de formación de arcos eléctricos, por lo que el óptimo se suele encontrar con un número limitado de espiras. Además del rendimiento en radiofrecuencia, las distorsiones del campo estático debidas a los efectos de susceptibilidad son un factor importante en el diseño de las sondas de microbobina.

La geometría más común utilizada se basa en un diseño en espiral con el devanado central conectado al exterior mediante una conexión a otra capa que está aislada eléctricamente con una fina capa de óxido. En esta configuración, el eje de la bobina de RF estará orientado perpendicularmente al campo estático externo B ₀ .

La bobina de silla de montar presenta la geometría más compleja de estos tres tipos de bobinas. El campo B₁ se genera principalmente por los cuatro segmentos de alambre verticales. Debido a esta geometría, el campo B₁ _{de una} bobina de silla de montar es más homogéneo en la dirección z que el de una bobina plana. La bobina de silla de montar puede formarse a partir de alambre, pero también se suele grabar a partir de una fina lámina de cobre, que luego se adhiere a un tubo de vidrio o PTFE. Este último procedimiento permite una alta precisión geométrica, lo que resulta en una mejor homogeneidad del campo B₁ _. La bobina de silla de montar es fácilmente accesible y proporciona un buen factor de llenado del área útil en el orificio del imán. Por estas razones, se utiliza ampliamente en microscopía de RMN. Sin embargo, estas ventajas se consiguen a costa de una menor sensibilidad. En comparación con una bobina de silla de montar, el rendimiento de sensibilidad de una bobina solenoidal de las mismas dimensiones es aproximadamente tres veces mejor. ^{[ 10 ]}

 Se han desarrollado microbobinas enrolladas autoensambladas con diámetros de hasta 50 μm para microscopía de RMN. ^{[ 11 ]}