一种柔性高密度微针尖电极阵列装置的加工工艺

本技术涉及神经接口，具体而言，涉及一种柔性高密度微针尖电极阵列装置的加工工艺。

背景技术：

1、人体体表电生理信号能够反映多种生理、心理和病理信息，具有重要的临床意义。非植入式体表电极以其安全、便捷的特性，是绝大多数临床和研究场景的最佳选择。以脑电波(eeg)为代表的体表电生理信号通常幅度较微弱，因此电极-皮肤间需维持较低的接触阻抗以获得较高的信噪比。目前，受到广泛使用的体表电极主要为湿电极，借助金属电极与皮肤之间涂抹的导电胶层来实现可靠、低阻的接触。神经接口和人工智能技术的迅速发展，对人体体表电生理信号(尤其是脑电和肌电信号)采集的空间分辨率提出了越来越高的要求，以期从更多通道的信号中解码出更精密的指令或意图。湿电极中所使用的导电胶在长时间使用中性能会逐渐退化而丧失导电性，对于高密度采集系统而言，在使用过程中多次为大量电极重复添加导电胶是不切实际的。同时，高密度采集电极具有毫米级的空间分辨率，导电膏在过于接近的电极间易导致“桥接”短路。

2、因此，高密度体表电生理信号采集系统的更优解是使用干电极，即金属电极不通过导电胶而直接与皮肤接触。在当前的消费级体表电生理信号采集设备中，通常只采用刚性的平面电极，接触阻抗高，且与皮肤接触性能较差，严重影响信号质量。

3、随着微纳加工技术的进步，表面带有微针尖结构的干电极被科学家研制出来，微针尖可穿透皮肤最外层高阻的角质层，在很小的接触面积下就可实现优于湿电极的接触阻抗特性。制作在柔性衬底上的微针尖干电极能够弯曲的皮肤表面紧密贴合，尤其适合较大的采集范围，避免了刚性电极到来的异物感和相对滑动风险，可以有效提升高密度体表电生理信号采集系统性能。

4、现有的多通道微针电极通常为植入式，尺寸较小且电极密度高，由于微针结构的存在，需要在微针背部平面进行光刻，采用两面布线实现金属化，加工步骤繁琐。而对于体表电生理信号采集，无需进行植入，对电极尺寸限制小，预留尺寸足够，亟需一种针对预留尺寸足够、无需双面布线的微针电极的生产工艺流程。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种柔性高密度微针尖电极阵列装置的加工工艺。

2、本技术的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本技术的实践而习得。

3、根据本技术的第一方面，提供一种柔性高密度微针尖电极阵列装置的加工工艺，包括以下步骤：

4、s1、加工刚性模具，通过机加工或3d打印加工出刚性模具，所述刚性模具包括刚性衬底及刚性微针尖单元阵列；

5、s2、制作pdms模具，将步骤s1中的刚性模具放置在容器中，浇筑pdms并加热固化，形成pdms模具；

6、s3、制作基底，将步骤s2中的pdms模具从刚性模具上剥离下来，完成第一次保形微模塑；将柔性聚合物前驱体溶液覆盖在pdms模具表面并加热固化，形成一体式基底，所述一体式基底包括柔性衬底及微针尖单元阵列；

7、s4、加工导电引线，将步骤s3中的基底从pdms模具上剥离下来，完成第二次保形微模塑；

8、将金属掩膜版紧密贴合一体式基底，在一体式基底表面沉积金属，并加工出导电引线，导电引线包括电极点阵列、电极点引出线和输出端口阵列；

9、s5、沉积绝缘层，在一体式基底表面沉积绝缘聚合物；

10、s6、绝缘层刻蚀，将金属掩膜版紧密贴合一体式基底，并将电极点阵列和输出端口阵列暴露出来，采用刻蚀工艺去除电极点阵列和输出端口阵列表面的绝缘聚合物。

11、根据本技术的第二方面，提供一种柔性高密度微针尖电极阵列装置的加工工艺，包括以下步骤：

12、s1、加工刚性模具，通过机加工或3d打印加工出刚性模具，所述刚性模具包括刚性衬底及刚性微针尖单元；

13、s2、制作pdms模具，将步骤s1中的刚性模具放置在容器中，浇筑pdms并加热固化，形成pdms模具；

14、s3、制作微针尖单元，将步骤s2中的pdms模具从刚性模具上剥离下来，完成第一次保形微模塑；将柔性聚合物前驱体溶液覆盖在pdms模具表面并加热固化，形成微针尖单元基底；

15、s4、加工导电层，将微针尖单元从pdms模具上剥离下来，完成第二次保形微模塑；

16、将微针尖单元正反两面沉积金属，形成微针尖单元导电层，微针尖单元包括微针尖单元基底和微针尖单元导电层；

17、s5、加工电路板，加工出柔性电路板，柔性电路板包括柔性衬底、导电引线、绝缘层，导电引线包括电极点阵列，将导电胶粘贴在电极点阵列上，形成导电胶阵列；

18、s6、组装成品，将微针尖单元粘贴在导电胶阵列上，形成微针尖单元阵列。

19、在本技术的一种示例性实施例中，在步骤s1之前，还包括通过体表肌电信号和/或脑电信号计算微针尖单元阵列中微针尖单元之间的距离及微针尖单元的尺寸。

20、在本技术的一种示例性实施例中，通过体表肌电信号计算微针尖单元之间的中心距：

21、对于体表肌电信号，肌肉纤维的动作电位从神经-肌肉接头到肌肉-肌腱接头的传播速度v，对于每个肌电信号谐波，其满足方程(1.1)；

22、v＝λ/t     (1.1)

23、其中，λ为谐波的波长，t为谐波的周期，空间和时间上的谐波频率分别满足方程(1.2)、(1.3)；

24、fs＝1/λ                         (1.2)

25、ft＝1/t                         (1.3)

26、高密度电极的空间采样率fsp需在肌电信号最高空间频率fsmax的两倍以上，即不等式(1.4)；

27、fsp>2fsmax     (1.4)

28、体表肌电信号的有效时间频率范围低于400hz，肌肉动作电位的平均传播速度为4m/s，将上述两个数值代入方程(1.1)、(1.2)，可以计算出式(1.5)；

29、fsmax＝100cycles/m      (1.5)

30、根据式(1.4)，空间采样频率fsp大于200samples/m，相邻微针尖单元之间的中心距e和空间采样频率的关系如式(1.6)

31、fsp＝1/e     (1.6)

32、通过上式计算得出相邻微针尖单元之间的中心距。

33、在本技术的一种示例性实施例中，还包括通过体表肌电信号计算微针单元的尺寸：

34、其中，微针尖单元为圆形时，其半径为r，电极表面的脉冲响应he1(x,f)如式(1.7)；

35、

36、在空间频域内，式(1.7)的傅里叶变换为圆形微针单元在笛卡尔坐标系下的传递函数，即式(1.8)

37、

38、其中，j1为一类和一阶的贝塞尔函数，fx和fy分别为沿x和y方向上的空间频率分量，通过上式计算得出圆形微针尖的半径尺寸。

39、在本技术的一种示例性实施例中，还包括通过体表肌电信号计算微针尖单元的尺寸：

40、其中，微针尖单元为矩形，其边长为a和b，电极表面的脉冲响应he2(x，y)如式(1.9)

41、

42、在空间频域内，式(1.9)的傅里叶变换为圆形微针单元在笛卡尔坐标系下的传递函数，即式(1.10)

43、he2(a,b,fx,fy)＝sinc(πafx)×sinc(πafy)    (1.10)

44、根据上述公式计算得出矩形微针尖单元的边长尺寸。

45、在本技术的一种示例性实施例中，还包括根据脑电信号计算微针尖单元之间的距离：

46、对eeg空间奈奎斯特定理的分析建立在四层人头部理想球体模型上，该模型将头部由内到外的大脑、脑脊液、颅骨和头皮简化为同心的正球体，并以球心为原点建立球坐标系，推导信号在各层间的空间传递函数；其中rs(s＝1,2,3,4)代表各层的半径，σs(s＝1,2,3,4)代表各层的电导率，θ和分别代表球坐标系中的极角和方位角；

47、对于分布在球面上的有理函数f，可分解为一系列球面谐波的线性组合：

48、

49、其中，球面谐波函数y是球坐标系中拉普拉斯方程分离变量后角度部分的偏微分方程：

50、

51、l和m分别为球面谐波的次数和阶数，，p为l次m阶球谐函数伴随的勒让德多项式；

52、计算第s层和第(s-1)层之间球环内电势：

53、

54、当r＝rs时，得到第s层球面上的电势为：

55、

56、a和b满足递归关系：

57、

58、

59、其中，

60、

61、

62、根据公式(2.4)和(2.5)，球面电势分解为球面谐波的系数为：

63、

64、当n＝1时，即对于最内层球面的电势分布，有

65、

66、计算最外层球面的电势，即为该模型下脑电信号传递函数，

67、

68、进一步地，根据球面谐波的帕斯瓦尔关系，可定义在任意两次数l1和l2的谐波间包含的能量：

69、

70、代入上述传递函数，可得eeg在头皮表面给定谐波次数l0以下的空间信号能量为：

71、

72、因此，经过空间采样的信号占理想信号的能量比例为：

73、

74、通过上述公式计算得出微针尖单元的电极个数及微针尖单元之间的间距。

75、在本技术的一种示例性的实施例中，所述基板一侧具有纽带形貌，其上铺设的电极点引出线沿纽带引向远端的输出端口阵列。

76、在本技术中一种示例性的实施例中，柔性衬底的厚度为10-500μm。

77、本技术示例性实施例可以具有以下部分或全部有益效果：

78、在本技术示例实施方式所提供的柔性高密度微针尖电极阵列装置的加工工艺，通过步骤：加工刚性模具、制作pdms模具、制作基底、加工导电引线、沉积绝缘层、绝缘层刻蚀或加工刚性模具、制作pdms模具、制作微针尖单元、加工导电层、加工电路板、组装成品等步骤对柔性高密度微针尖电极阵列装置进行加工，并且对于体表肌电生理信号采集，无需进行植入，预留尺寸足够，无需进行双面布线，加工步骤简便。

79、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。