MEMS微针阵列干电极及其在生理电信号采集中的应用

蒋小梅 张俊然 张 坤 周 博 陈富琴

(四川大学电气信息学院，成都 610065)



MEMS微针阵列干电极及其在生理电信号采集中的应用

蒋小梅 张俊然*张 坤 周 博 陈富琴

(四川大学电气信息学院，成都 610065)

生理电信号能直接反映人们的身体状况，且随着各种便携式设备、穿戴式设备的出现，生理电信号的采集得到越来越多的重视。近年来，许多研究人员致力于生理电信号采集电极的研究，因此基于MEMS技术的微针阵列干电极逐渐成熟。微针阵列干电极通过微针刺入被测者的皮肤，实现连续、长期、高效的生理电信号采集，由于其成本低、操作简单、不会使被测者感到不适、采集质量高等优点，逐渐取代传统湿电极而得到越来越广泛的应用。通过将微针阵列干电极与湿电极进行对比，突出微针阵列干电极的研究价值；结合国内外最新研究，综述微针阵列干电极的制作工艺、微针阵列干电极的改进技术、在生理电信号采集中的应用现状；讨论目前微针阵列干电极存在的不足，并对以后的发展趋势进行展望。

MEMS；微针阵列；干电极；生理电信号

引言

微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)，是指将微电子技术与机械工程融合到一起的操作范围在微米内的工业技术。MEMS具有可批量生产、可集成化、微型化、机械性能好、生物相容性好等优点[1]，在医疗、生物工程、环境、农业、信息等领域产生了重大影响。

生理电信号主要包括脑电、心电、肌电等信号，在人体生理信号中占有重要地位，能直接反映人的身体状况和健康水平，医院的临床监测设备、便携式设备、穿戴式设备、植入式设备等都离不开生理电信号的检测，且生理电信号的采集方式直接影响了采集设备的输出以及采集系统最终得到的信号质量，因此选择一种好的采集材料和采集方式至关重要。

生理电信号采集电极分为湿电极和干电极。湿电极一般使用Ag/AgCl电极，干电极分为非接触式干电极[2]和接触式干电极。虽然非接触式干电极在采集生理电信号时不与被测者直接接触，较为安全，但有很高的输入阻抗，对运动失真、摩擦、热噪声非常敏感，因此未得到广泛应用。接触式干电极分为微针阵列干电极、超高输入阻抗干电极、光电传感器干电极，超高输入阻抗干电极在皮肤-干电极之间形成非常大的阻抗，要求采集装置后级前置放大器必须有很高的输入阻抗来匹配，这就阻碍了超高输入阻抗干电极在生理电信号采集中的应用；光电传感器干电极采用特殊有机材料，感知光照射在材料上时材料物理特性随生理电信号的变化，再换算为生理电信号的大小，这种干电极虽常用于脑电信号的采集，但不适用于心电信号和肌电信号的采集；微针阵列干电极基于MEMS技术，具有良好的生物相容性、适度的机械强度、制作成本低等优点，随着MEMS技术的不断发展与逐渐成熟，MEMS微针阵列干电极在生理电信号采集中得到日益广泛的应用[3]。

1 湿电极与微针阵列干电极的比较

传统湿电极采集生理电信号前需要在被测者皮肤表面涂抹导电膏，通过导电膏降低电极与皮肤之间的阻抗。但是，使用导电膏存在以下缺点：

1)在使用之前需要对皮肤做除毛等预处理；

2)涂抹导电膏费时可能会耽误病人的最佳治疗时间；

3)导电膏不适合皮肤烧伤或过敏的病人使用[4]；

4)导电膏会随着时间而风干，其降低皮肤与电极间阻抗的作用也逐渐减小；

5)导电膏会残留在皮肤上；

6)导电膏涂抹过多可能会导致电极间发生短路，从而影响采集。

图1为湿电极与微针阵列干电极工作原理的比较[5]。可以看出，微针阵列干电极采集生理电信号的电路模型要比湿电极的电路模型简单得多。微针阵列干电极不使用导电膏，利用微针直接穿过被测者的皮肤角质层到生发层，克服了皮肤角质层的影响[6-7]，只产生电极与生发层间的阻抗Rd和接触电容Cd，而湿电极则在电极-导电膏界面、导电膏、角质层都产生一定的电容和阻抗。所以，微针阵列干电极引入的电化学噪声更小，采集到的生理电信号质量更高。

图1 传统湿电极与微针阵列干电极采集生理电信号等效图Fig.1 The equivalent figure of physiological signals acquired by conventional wet electrodes and microneedle array of dry electrodes

研究表明，微针阵列干电极在时域、频域都能得到与湿电极同样效果的生理电信号[8-12]。甚至还有研究表明[13]，微针阵列干电极采集到的生理电信号比湿电极采集的信噪比高。如图2所示，可以看出微针阵列干电极与皮肤之间阻抗值的波动幅度比湿电极的波动幅度更小[14]，采集到的生理电信号更稳定。因此，微针阵列干电极正逐渐取代湿电极，在生理电信号采集中得到越来越广泛的使用。

图2 湿电极与微针阵列干电极阻抗值随时间波动的比较[14]Fig.2 The comparison of electrical impedance fluctuating with time between wet electrodes and microneedle array of dry electrodes[14]

2 微针阵列干电极的研究进展

MEMS最早是在20世纪50年代由R.Feynman提出，经过几十年的发展，在汽车、电子、医疗、通信等领域都得到了广泛应用[15-18]，在生理电信号的采集中更是得到了前所未有的发展。

2.1 微针阵列干电极的设计

为了在准确采集生理电信号的同时不让被测者感到不适，微针阵列干电极应满足以下要求：

1)微针长度要适中，太短则会穿过角质层，无法准确采集生理电信号，太长则会损伤生发层，让被测者感到不适且易断裂；

2)微针的针尖要尽量尖锐但表面尽量平滑，尖锐的针尖有利于快速、准确地刺入皮肤，平滑的表面能减少刺入皮肤时针尖对皮肤的损伤；

3)不会引发被测者的过敏等不良反应；

4)容易固定，不易脱落，不易断裂，能长时间使用；

5)电极的阻抗随着电极体积减小而增大，体积太小则测量阻抗太大，体积太大则会让被测者感到不适，所以电极的大小要适宜。

2.2 微针阵列干电极的制作工艺

微针阵列干电极的制作工艺有很多种，硅加工技术已非常成熟，所以微针阵列干电极的制作以硅为主。以硅为材料的微针阵列干电极的制作方法主要分为3类[19-21]：第一类是利用掺杂硅的刻蚀自停止，如Utah电极、Michigan电极；第二类是深反应离子刻蚀；第三类是利用同向性及各异性刻蚀制备微针。其中，前两类制作方法形成的微针阵列干电极形状相似，但微针的根部的大小不同，主要适用于脑电信号的采集；第三类制作方法形成的微针阵列干电极长宽比较小，微针分布较分散，主要适用于脑电、心电、肌电等多种生理电信号的检测。

虽然硅的制作工艺较成熟，但是硅材质较脆，在刺入皮肤时易发生断裂，且生物相容性较差，也不易于大批量生产，使得硅微针阵列干电极的发展和应用受限，所以研究人员逐渐将研究重点向金属材料和聚合物材料转移。

2.2.1 金属微针阵列干电极

金属微针阵列干电极大多采用钛、镍、不锈钢等生物相容性较好的金属材料，具有较强的机械强度，容易刺入皮肤；与聚合物微针阵列干电极相比，导电性较好，使用寿命更长。

金属微针阵列干电极的制作方法主要包括电镀法和激光法，前者较复杂，而后者的制作成本较高。Yan等通过机械切割和电化学腐蚀制作出了不锈钢微针，这种微针有很好的机械性能和较高的安全性，能轻易地刺入皮肤[22]；如图3所示，Zhu 等利用金属镍制作了一种锥形微针[23]，能减少微针阵列干电极高密度使用时对被测者皮肤的伤害。镍锥形微针的制作过程主要包括倾斜旋转掩膜、晶圆曝光、PDMS转移、电镀等，这种制作方法可用于微针阵列干电极的大批量生产。

图3 微针阵列[23]。(a)SU-8模型；(b)Ni锥形微针阵列Fig.3 The microneedle array[23]. (a)The SU-8 model; (b)The Ni cone microneedle array

2.2.2 聚合物微针阵列干电极

金属微针阵列干电极的制作复杂费时，且制作工艺相对落后；而聚合物微针阵列干电极虽然机械强度相对较差，但具有良好的生物性能、生物可降解、材料选择范围广等优点，因此得到了推广。聚合物材料主要有聚乙醇酸(PGA)、聚酰亚胺(polyimide)、聚对二甲苯(Parylene C)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。PGA具有良好的生物可降解性和生物相容性，使用一定时间后可降解为无害的水和二氧化碳；polyimide的介电性能好，机械性能强；Parylene C的致密性好，与硅工艺兼容；PDMS的微针阵列干电极制作成本低，加工周期短。可根据微针阵列干电极实现的功能不同，选择不同的聚合物材料。

Mansoor等研究了一种快速、低成本生产聚合物微针阵列干电极的方法，能在可重复使用的模板上浇铸溶剂来形成聚合物微针结构[24]；Kyoung 等提供了一种简单、低成本、生物可降解、纵横比可调的PDMS聚合物微针阵列的制作方法[25]，如图4所示。首先将能有效刺入的微针固定在有孔的塑料模板上，再将PDMS材料与主模板结合，最后就可以利用PDMS模板大批量复制生产聚合物微针阵列，微针长度可通过微针固定在塑料模板上的深度或微针浸入PDMS材料的高度进行调整。

随着研究的不断深入，具有金属材料的机械强度与聚合物的生物性能优点的材料将会出现，并将应用在生理电信号的采集或其他领域(如药物传输)中。

图4 纵横比可调的聚合物微针阵列的制作工艺[25]。(a)高度相同的微针阵列；(b)高度不同的微针阵列Fig.4 The fabrication of polymer microneedle array with adjustable aspect ratio[25].(a)The microneedle array with the same height;(b)The microneedle array with varying height

2.3 改进的微针阵列干电极

虽然微针阵列干电极克服了湿电极因使用导电膏而产生的缺点，但仍存在易脱落、使用不够舒适、制作成本高、生产工艺复杂等不足。国内外研究人员经过不断探索，研究出了倒钩型微针阵列干电极、斜插式微针阵列干电极、柔性衬底微针阵列干电极、植入式柔性微针阵列干电极等改进电极，下面分别进行介绍。

2.3.1 倒钩型微针阵列干电极

一般的微针阵列干电极在使用过程中很易发生脱落,从而中断生理电信号的采集。倒钩型微针阵列干电极的上端为金字塔型微针，中间有一个上宽下窄的倒钩，倒钩将干电极固定在皮肤中，防止在使用过程中发生脱落，这种阵列干电极的制作工艺如图5(a)所示。研究人员还设计出了山峰型、锥型等结构的微针阵列干电极，这些结构都可以有效防止电极脱落，且能大大降低生产成本。

2.3.2 斜插式微针阵列干电极

皮肤厚度因人而异，但一般微针阵列干电极微针的长度却是一定的。对于皮肤较厚的人，微针尖端可能无法刺入角质层；而对于皮肤较薄的人，微针尖端可能会损伤生发层。裴为华等设计了一种斜插式微针阵列干电极[26]，如图5(b)所示。斜插式微针阵列干电极以旋进的方式斜插入皮肤，增大了干电极与皮肤的接触面积，降低了与皮肤的接触阻抗；还可以控制插入皮肤的深度,使电极准确地插入到生发层；针尖与皮肤有一定的角度，还可以防止电极脱落。虽然这种电极还处于理论阶段，电极与皮肤之间的角度大小、材料选择等问题还未得到真正解决，但随着制作工艺的不断成熟，斜插式微针阵列干电极将会很快投入实际生产与应用中。

图5 倒钩型微针阵列干电极制作工艺和斜插式微针。(a)倒钩型微针阵列干电极制作工艺；(b)斜插式微针[26]Fig.5 Fabrication process of implantable microneedle array of dry electrodes and oblique inserted microneedles. (a)The fabrication process of implantable microneedle array of dry electrodes;(b)The oblique inserted microneedles[26]

2.3.3 柔性衬底微针阵列干电极

微针阵列干电极的衬底一般采用硅等较硬材料制成，在使用时很容易与皮肤发生摩擦，导致微针断裂、被测者的皮肤受伤。硬衬底不能使电极与皮肤紧密贴合，一方面会使被测者感到不适，另一方面会影响微针插入皮肤的深度，易引入噪声，影响采集质量。如图6(a)所示，通过在柔性导电衬底上制备出机械强度高、稳定性高的柔性微针阵列干电极，柔性材料可以根据皮肤的形变产生相应弹性的形变，从而防止干电极发生断裂和脱落；同时使干电极与皮肤紧密贴合，增加了皮肤与干电极的接触面积，降低了干电极与皮肤之间的接触阻抗，提高了采集质量。

柔性衬底分为聚合物材料、金属及陶瓷材料，聚合物柔性材料具有良好的柔性，物理、化学性能稳定；金属及陶瓷类材料主要包括不锈钢和氧化铝，虽然金属及陶瓷材料柔性较差，但是机械强度和导电性能较好。Baek等用PDMS材料制作了用于心电信号采集的柔性干电极，但是这种干电极在PDMS材料和导线之间使用了导电膏，易导致数据传输不稳定[27]；Chen等采用插塞接头代替导电膏，这种方法可以为心电信号采集长期提供稳定可靠的数据传输[28]。

目前，研究人员正在尝试开发新材料，将有机聚合物材料与金属及陶瓷材料的优点结合起来，优化衬底性能，促进柔性微针阵列干电极的应用，间接推动了人造皮肤、柔性电路板、柔性显示屏、柔性电池、微型飞行器等柔性产品的发展。

2.3.4 植入式柔性微针阵列干电极

植入式电极在神经科学研究中发挥着重要作用，主要用于采集大脑神经细胞的电信号，还可以用于对神经元进行刺激。传统植入式微针阵列干电极一般采用硅材料，由于这种材料较硬，在大脑移动时易对组织造成损伤，且其电极性不足，不适用于植入式微针阵列干电极的长期使用。为了克服上述缺点，研究人员开始将柔性材料应用于植入式微针阵列干电极中[29]，李璟文等设计了一种基于Parylene C柔性材料的植入式柔性微针阵列干电极，制作工艺流程如图6(b)所示[30]。

随着新型材料的不断出现以及MEMS加工技术的持续创新，植入式柔性微针阵列干电极密度较小、阻抗较大、导电性不够好、生物相容性较差等问题也会逐渐得到解决，其他植入式柔性微器件(如人工肺、植入式胃传感器、人造肾、人造关节等)也会随着增加。

图6 柔性微针及植入式柔性微针阵列干电极制作流程。(a)柔性微针；(b)植入式微针阵列干电极工艺流程Fig.6 Flexible microneedle and fabrication process of implantable flexible microneedle array of dry electrodes.(a)The flexible microneedle;(b)The fabrication process of implantable flexible microneedle array of dry electrodes

3 微针阵列干电极在生理电信号采集中的应用

3.1 微针阵列干电极用于脑电信号的采集

脑电信号是脑神经细胞在大脑皮层电信号的反映，可以映射出人的身体状况以及心理活动，对脑电信号进行监测可以诊断并预防精神性疾病、癫痫、脑肿瘤、病毒性脑炎等疾病[31-32]。微针阵列干电极脑电信号采集系统主要由4部分组成：微针阵列干电极、放大器、信号传输部分、电源[33-34]。将微针阵列干电极置于被测者头皮上采集脑电信号，将采集到的脑电信号传输给放大器，放大器对脑电信号进行放大、滤波等处理，由信号传输部分进行A/D转换等处理，再进行后续处理。脑电信号采集导联方式分为单极导联和双极导联，单极导联将作用电极放置在被测者的头皮上，参考电极放在被测者的耳垂处，耳垂处的电位接近于零，作用电极的电位即脑电信号的大小；双极导联则将两个电极放置在被测者的头皮上，两个电极的电位差即脑电信号。

经过大量测试，要获取高质量的脑电信号，微针阵列干电极大小在3 mm×3 mm、长度在170～200 μm之间、阻抗在0.65～16 kΩ之间较为合适[35]。虽然目前利用微针阵列干电极采集脑电信号的研究已有很大进展，但仍存在一些问题需要深入研究：微针刺入大脑皮层的深度与力度的关系还需做大量实验进行验证；由于脑电信号非常微弱(大小在5～150 μV之间)，所以干电极与头皮之间的阻抗大小是直接影响采集质量的重要因素。微针阵列干电极脑电信号的采集不仅应用于临床上大脑疾病的诊断、监测，还将向脑机接口方向发展，用于辅助正常人通过大脑直接控制外部设备(如游戏机、鼠标等)[36-37]。

Wang等设计了一种置于棒球帽上的金字塔型微针阵列干电极，这种干电极不易脱落,且电极与皮肤之间的接触阻抗很小，可用于户外脑电信号的长期采集,如图7(a)所示[14]；Liao等研究了一种用于游戏控制的植入式微针阵列干电极如图7(b)所示[27]。首先通过微针阵列干电极获取佩戴者的脑电信号，再将经过处理的脑电信号通过蓝牙发送给装有游戏的PC端，控制游戏的操作。

图7 微针阵列干电极在脑电信号采集中的应用。(a)位于棒球帽上的微针阵列干电极[14]；(b) 游戏控制植入式微针阵列干电极[27]Fig.7 Microneedle array of dry electrodes used in EEG acquisition. (a) The microneedle array of dry electrodes mounted on the baseball cap[14];(b) Gaming control using the implantable microneedle array of dry electrodes[27]

3.2 微针阵列干电极用于心电信号的采集

心电信号是诊断心率失常、冠心病、心肌梗塞等心血管疾病的重要指标[38-40]。微针阵列干电极心电信号采集系统首先由微针阵列干电极获得原始心电信号，然后进行前置放大、滤波、陷波、电平抬升等预处理，经预处理后再进行后续处理。临床上对心电信号采集时电极的位置和引线有严格规定，通常使用12导联系统采集心电信号，分别为：、、、Avr、Avf、V1～V6导联，其中、、导联是双极导联，Avr～V6是单极导联。采集一个点相对于参考点的电位差时，使用单极导联；采集两个点之间的电位差时，使用双极导联。

Chang等设计了一种用于心电监测的菱形微针阵列干电极[41]。这种干电极与锥形微针阵列干电极相比，有较宽的颈部和较窄的底部，有良好的稳定性和导电性，能实现心电信号的长期测量，如图8(a)所示；Wang等设计了一种柔性微针阵列干电极[42]，如图8(b)所示。这种干电极很薄，可以任意弯曲以贴合不同被测者的躯干，能得到高质量的心电信号。

心脏一直在不停地跳动，这就增大了微针阵列干电极与心脏的相对运动以及与皮肤表面的摩擦，增加了电极与皮肤间的阻抗，易在采集到的心电信号中引入运动伪影。这些运动伪影不能完全消除，虽然能通过后期处理电路来减小[43]，但要采集高分辨率的心电信号，设计一种能够减少心脏跳动对心电信号采集影响的微针阵列干电极必不可少。

图8 微针阵列干电极在心电信号采集中的应用。(a)菱形微针阵列干电极[41]；(b)柔性微针阵列干电极[42]Fig.8 Microneedle array of dry electrodes used in ECG acquisition.(a) The diamond-shaped microneedle array of dry electrodes[41];(b) The flexible microneedle array of dry electrodes[42]

3.3 微针阵列干电极用于肌电信号的采集

通过对肌电信号进行检测，可以确定肌肉本身、周围神经、神经元、神经肌肉接头的功能状态[44-45]。将微针阵列干电极插入被测者的肌肉组织，然后将干电极采集到的肌电信号进行后续处理。采集时，测量电极和参考电极置于被测者的手臂曲肌处，接地电极置于手腕上侧，前臂自然平放。被测者做曲腕、展腕、握拳、伸掌等动作，当肌肉放松时，肌纤维无动作电位呈静息态；当肌肉收缩时，由于收缩程度不同，干电极就能检测到不同幅度和不同频率的肌电信号。

目前，微针阵列干电极肌电信号的采集主要应用于手术(如腰椎手术)[46]、可穿戴式设备(如腕表、手环等)[47]等应用中，但在采集中伴随着肌肉的运动，因此运动伪影仍是一项需要克服的难题。Shota等研究用于多通道运动单元肌电信号记录的微针阵列干电极，这种干电极能在一定程度上克服运动伪影的影响，可获取高空间分辨率的肌电信号[13]。

图9 多通道运动单元肌电信号微针阵列干电极[13]Fig.9 The microneedle array of dry electrodes for multichannel motor unit EMG recording[13]

4 总结与展望

MEMS制作工艺的日益精湛，使得基于MEMS的微针阵列干电极在生理电信号采集中的应用也越来越成熟，但是仍然存在以下问题：

1)微针阵列干电极不适用于毛发较多的皮肤，如何克服毛发干扰是一个急需解决的问题；

2)便携式设备、穿戴式设备、智能化设备等正逐渐融入人们的生活，但微针阵列干电极在这些设备中的采集还不够稳定，随着这些设备的发展，增强微针阵列干电极在这些设备中的稳定性是亟待研究的问题；

3)目前，微针阵列干电极电源供电时间较短，无法满足长时间供电的需求；

4)生理电信号采集系统逐渐趋于小型化和微型化，设计一种体积更小的微针阵列干电极电池是值得进一步研究的课题；

5)随着人体局域网的不断发展，设计一种能够进行稳定的无线传输微针阵列干电极和能无线供电的电池也是值得研究的问题。

虽然MEMS微针阵列干电极的研究还存在一些需要攻克的难题，但随着MEMS加工技术的不断成熟、新型材料的不断出现、供电方式的不断创新、3D打印等新技术的不断融合，相信在近几年内会有低成本、低功耗、智能化、稳定且能长时间采集被测者生理电信号的微针阵列干电极出现，微针阵列干电极必将会在穿戴式设备、便携式设备、植入式设备等领域中发挥重要作用，推动医疗保健行业的发展。同时，微针阵列干电极也必将会在医学、神经科学、军事、计算机等其他重要领域得到广泛应用，促进我国高端制造行业的发展。

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The Microneedle Array of Dry Electrodes Based on MEMS and its Applications in the Electrophysiological Signals Acquisition

Jiang Xiaomei Zhang Junran*Zhang Kun Zhou Bo Chen Fuqin

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Electrophysiological signals directly reflect health status, and with the emergence of a variety of portable devices and wearable devices, electrophysiological signals acquisition is gaining more and more attention. In recent years, many researchers working on the acquisition electrodes of electrophysiological signals, so the microneedle array of dry electrodes based on microelectromechanical system (MEMS) technologies became mature gradually. The microneedle array of dry electrodes achieve electrophysiological signals acquisition continuously, chronically, effectively by using microneedles to penetrate into the examinee’s skin. Mironeedle array of dry electrodes gradually replace the traditional wet electrodes and get increasingly used because of its advantages of low cost, simple operation, not upset examinee, high quality of the acquisition. This article highlights the research value of microneedle array of dry electrodes by comparing with wet electrodes; combined with the latest research at home and abroad, reviews the processing technologies, improving technologies, and application status in the electrophysiological signals acquisition of microneedle array of dry electrodes; discusses the existing deficiencies of microneedle array of dry electrodes and makes a prospect for the future development trend.

microelectromechanical system (MEMS); microneedle array; dry electrodes; physiological signals

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.010

2015-00-00， 录用日期:2015-00-00

国家自然科学基金(81000605,81110108007);广东省自然科学基金重点(S20120200-10867);四川省科技计划项目(2015HH0036)

TP212.9

A

0258-8021(2015) 05-0589-09

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zhangjunran@126.com