采用便捷的微纳工艺制造的高度均匀、非侵入式的脑机接口（BCI）微针阵列电极，用于高质量脑电图（EEG）信号的采集

《Materials Today Nano》：Highly uniform non-invasive BCI microneedle array electrodes using a facile micro-nano process for high-quality EEG signal acquisition

微针阵列电极通过光刻与蚀刻工艺制备，实现低阻抗（2.6kΩ@10Hz）和高信噪比，在EEG/EOG信号采集中优于商业湿电极及干电极，为脑机接口提供低成本高可靠性解决方案。

　　

吴和平|杨一鸣|张杰|任欣|安瑞华|权毅|李志康|赵立波|任伟|牛刚

中国西安交通大学电子科学与工程学院电子材料研究实验室，制造系统工程国家重点实验室，邮编710049

摘要

微针阵列电极（MNAE）是一种非侵入性的干式电极，具有易于使用和低阻抗的特点，在脑机接口（BCI）相关科学研究、医疗、健康和娱乐领域具有广泛的应用前景。微机电系统工艺已被广泛证明可以高效地制造MNAE。目前大多数研究使用机械切割方法，但这种方法较为复杂，并且缺乏对微针电极多通道的研究。本研究采用光刻和蚀刻工艺制备了MNAE，该方法简单且成本低廉。制备的微针阵列结构规整、一致性高。MNAE表现出优异的耐用性，接触阻抗低至2.6 kΩ@10 Hz，显著优于商用爪形干式和湿式电极。脑电图（EEG，包括视觉诱发电位和认知参与度测量）和眼电图的结果表明，MNAE在灵敏度、信噪比和稳定性方面优于商用电极。与商用湿式电极相比，信号幅度提高了39%至44%。所制备的电极在阻抗特性、佩戴舒适性和耐用性方面表现出领先性能。本研究为高性能、低成本的BCI干式电极的开发及其在人机交互中的实际应用奠定了基础。

引言

脑机接口（BCI）建立了大脑与外部设备之间的直接通信路径，使大脑信号能够直接控制计算机、机械臂、假肢等，或者相反，使外部信息能够直接输入大脑。它在治疗神经系统疾病、基础脑科学研究以及未来人机交互模型的创新方面具有巨大价值[1]、[2]、[3]。脑电图（EEG）是由大脑神经元产生的生物电信号，直接反映了大脑的功能状态[4]、[5]、[6]。EEG信号采集是BCI系统的关键部分，BCI系统的整体性能在很大程度上取决于采集到的脑信号的质量。作为BCI的一部分，电极是获取脑信号的最关键组件之一。根据植入方式，BCI电极可以分为三种类型：侵入式、半侵入式和非侵入式[7]。半侵入式和侵入式电极可以穿透颅骨的阻碍甚至直接接触脑组织，从而能够获取高质量、高分辨率的EEG信号，这使得半侵入式和侵入式EEG技术在评估复杂的脑疾病、恢复严重的神经缺陷以及进行前沿的神经科学研究方面具有特别的优势[8]、[9]。非侵入式BCI电极因其便携性、用户友好性、生物相容性和低干扰性而具有广泛的应用可能性，不仅适用于科学研究和医疗应用，也适用于日常娱乐和健康管理，如注意力训练、个性化学习、玩具和游戏控制、脑疾病的初步诊断、康复训练和简单通信等[10]、[11]。

高性能的非侵入式BCI电极的特点是低阻抗、出色的佩戴舒适性和耐用性。低接触阻抗是获取高质量EEG信号的前提。非侵入式BCI电极通常以湿式电极的形式开发，通过在电极和皮肤之间涂抹导电膏来降低接触阻抗。它们可以获得质量更高、信噪比更好的EEG信号，并广泛应用于临床诊断和科学研究[12]、[13]。商用EEG产品要求湿式电极的电极-皮肤阻抗小于10 kΩ[14]。然而，由于使用前需要复杂的预处理、可能引起的皮肤刺激和损伤以及长期使用后的信号稳定性差等问题，湿式电极的应用受到很大限制[15]、[16]。

干式电极通过直接接触头皮来收集EEG信号，避免了导电膏带来的各种问题，大大提高了佩戴舒适性和安全性[17]、[18]。已经报道了多种形式的干式电极，如毫米级的爪形和刷形电极[19]、[20]，这些电极可以有效避免头发的影响。由微米级结构组成的电极，如通过3D打印制备的微柱电极，以及基于光刻和微机电系统（MEMS）技术制造的多种微针电极，适用于长期EEG测量[21]、[22]、[23]。干式电极的接触阻抗通常较高，大约在10-80 kΩ@10 Hz范围内[19]、[24]，因为电极仅与皮肤发生物理接触。

应用干式电极的挑战在于有效降低接触阻抗，其中主要影响因素是头皮角质层（厚度约为15–20 μm）[25]。微针电极提供了一种有效的解决方案，能够穿透角质层并深入表皮甚至真皮，显著降低接触阻抗[26]。已经报道了多种使用MEMS技术制造的微针阵列电极（MNAE）[27]、[28]、[29]、[30]。Wang等人基于MEMS工艺制备了用于长期脑电图（EEG）测量的金字塔形微针电极，该工艺包括两次机械切割和湿法蚀刻[23]。Wang等人使用机械切割方法结合两次湿法蚀刻步骤制备了高密度柔性微针电极，实现了贴合性和稳健的接触[31]。Kim等人通过两步机械切割和各向同性蚀刻的MEMS工艺制备了可拉伸的微针贴片电极，能够进行长期可靠的电生理信号监测[32]。这些报告描述了典型的MNAE制备工艺。微针前体通过一次或多次机械切割工艺制备，随后进行湿法蚀刻以获得最终的微针阵列。或者，也可以首先使用光刻-蚀刻工艺，然后进行机械切割和各向异性蚀刻。然而，机械切割在精度和操作便利性方面存在局限性，使得工艺较为复杂[33]。此外，由于工艺限制，关于MNAE多通道应用的研究较少。

本研究采用微纳工艺制备了MNAE，该工艺结合了光刻和蚀刻，不涉及机械切割。该方法具有工艺简单、成本低廉和精度高的优点。详细研究了影响微针形态的工艺参数并进行了优化。分析了制备电极的接触阻抗特性，并与商用干式和湿式电极进行了比较。详细研究了导电层厚度、佩戴压力和通道数量对电极阻抗的影响。这些结果对于正确使用MNAE具有指导意义。最终，使用开发的MNAE成功获得了高质量的EEG和眼电图（EOG）信号。本研究开发的低接触阻抗MNAE对于促进低成本、高质量干式电极在BCI中的应用具有重要意义。

微针电极的制备

所使用的阳极键合机为SB6 Gen2（Suss Microtec，德国）。使用的铝硼硅酸盐玻璃为SCHOTT AG（德国）生产的Borofloat 33（BF33）。光刻胶（PR）由KW-4A台式匀胶机旋涂，光刻使用URE-2000S/25双面对准紫外曝光机（中国科学院光学电子研究所，中国）完成。Si₃N₄通过DSE200S深硅蚀刻机进行图案化和蚀刻（NAURA）。

微针阵列电极的微纳制造

本研究中的MNAE是通过微纳加工制备的。图1a展示了制备过程。使用4英寸N型双面抛光硅片作为基底，首先在硅基底上通过低压化学气相沉积方法生长100纳米厚的Si₃N₄薄膜。从一侧去除Si₃N₄薄膜后，将样品键合到BF33玻璃上。随后对Si₃N₄一侧进行光刻，创建一个正方形阵列掩模。

结论

总之，我们展示了一种基于微纳工艺的微针阵列BCI电极的制备方法，该电极具有规则的八角锥形结构，并对其制备过程、电极接触阻抗、EEG和EOG采集性能进行了深入研究。主要发现表明，本研究开发的一次性光刻、干法蚀刻结合KOH湿法蚀刻方案具有工艺简单、可靠性高和微针优异等优点。

CRediT作者贡献声明

李志康：撰写 – 审稿与编辑，资源管理。权毅：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。安瑞华：数据管理。任欣：数据管理。张杰：数据管理。杨一鸣：撰写 – 审稿与编辑，可视化，调查，数据管理，概念化。吴和平：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资金获取，数据管理，概念化。牛刚：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金获取，概念化。

利益声明

作者声明没有竞争利益。

资金来源

作者感谢国家自然科学基金（82327810）、陕西省重点研发计划（2024PT-ZCK-06, 2024SF-GJHX-42）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20232096）、陕西省博士后研究项目（2023BSHEDZZ59）、国家集成电路与微系统重点实验室的开放项目（NICL2024KF2007）、中央高校的基本研究经费（xzd012020059, xpt012025030）、西安交通大学的研究支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢制造系统工程国家重点实验室的Manman Zhang女士以及西安交通大学仪器分析中心的协助。