專利名稱：制作基于微針陣列皮膚干電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于體表提取生物電勢(shì)的基于硅的皮膚表面干電極，尤其涉及一種利用砂輪劃片機(jī)劃片和濕法腐蝕技術(shù)低成本制作皮膚干電極的方法。
背景技術(shù)：
生物電勢(shì)信號(hào)是最主要的生理參數(shù)之一，可用于臨床診斷、病人監(jiān)護(hù)和生物醫(yī)學(xué)研究等。因此，有效地進(jìn)行生理電信號(hào)的探測(cè)與研究有重要的意義。絕大多數(shù)生理電信號(hào)都是通過電極與人體(體表或介入)接觸的條件下獲得的，電極的性能將直接影響到信號(hào)采集的成功與失敗。
皮膚最外層的角質(zhì)層是不導(dǎo)電的，只有通過角質(zhì)層下的真皮層才能提取有效的生理電信號(hào)。傳統(tǒng)的皮膚濕電極使用含有高濃度導(dǎo)電離子的導(dǎo)電膏涂覆于角質(zhì)層之上，導(dǎo)電膏能夠擴(kuò)散進(jìn)角質(zhì)層內(nèi)，使其導(dǎo)電能力得以提高。涂覆導(dǎo)電膏不能長(zhǎng)期記錄，否則會(huì)使被試者產(chǎn)生皮膚潰爛或過敏等副作用。由于難以靠?jī)x器設(shè)計(jì)保證電極、導(dǎo)電膏、皮膚的接觸界面保持穩(wěn)定，所以很容易產(chǎn)生基線漂移或運(yùn)動(dòng)偽跡的干擾，影響檢測(cè)結(jié)果。皮膚干電極可以克服以上缺點(diǎn)用于長(zhǎng)期記錄。目前這種皮膚干電極有兩種，一種是非侵入式的，采用電容耦合的原理測(cè)定信號(hào)。另一種是侵入式的，由二維微針陣列構(gòu)成，可以直接刺透角質(zhì)層到達(dá)可以導(dǎo)電的生發(fā)層但不觸及真皮層，避免了高阻抗特性的角質(zhì)層所帶來的問題。生發(fā)層并無血管和神經(jīng)的排布，所以被試者不會(huì)有疼痛感。
目前國(guó)內(nèi)外一般采用下述工藝步驟來制作這種基于二維硅微針陣列的侵入式干電極
硅片準(zhǔn)備及熱氧化二氧化硅；
使用光刻方法和lift-off方法制作微針陣列圖形；
使用硅深刻蝕的方法形成針柱陣列；
使用化學(xué)腐蝕方法腐蝕針柱形成尖銳的電極頭部；
在電極表面覆蓋金屬導(dǎo)電層；
但是，采用上述方法制作皮膚干電極涉及到深刻蝕等昂貴的設(shè)備，因而增加了制作成本，而且工藝相對(duì)較為復(fù)雜。
國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)也提出了劃片的制作方案，為了制作出上細(xì)下粗的針尖結(jié)構(gòu)， 其在劃片時(shí)采用劃片刀具與硅片表面呈45度的方式，制作工藝過程需要經(jīng)過四次調(diào)整刀具與硅片的夾角；劃出的金字塔結(jié)構(gòu)的硅柱與硅柱之間的距離至少是兩個(gè)刀口的寬度，因此成本高，密度低。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，采用該方法制作的電極，可以用于生理信號(hào)的提取與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，具有制作成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該電極是侵入式無痛皮膚干電極。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，該方法利用通用的砂輪劃片設(shè)備，在單晶硅片上劃槽，形成根部仍與硅片相連的二維硅方柱陣列，繼而利用各向同性腐蝕的方法，將方柱陣列腐蝕成尖端細(xì)，根部粗的四棱微錐陣列，該方法包括如下步驟
A、選擇一娃片；
B、將硅片的兩面熱氧化一 層二氧化硅層；
C、對(duì)硅片在X方向和Y方向分別形成周期性的一預(yù)定深度的垂直的劃槽，形成二維方柱陣列；
D、用硅的各向同性腐蝕液對(duì)劃片后的硅片進(jìn)行靜態(tài)腐蝕，將二維方柱陣列變細(xì)變尖;
E、用氫氟酸或HF緩沖液將硅片表面的二氧化硅層腐蝕干凈，形成電極柱陣列；
F、采用磁控濺射的方法，在電極柱陣列表面及背面濺射金屬，完成制作。
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明采用的是劃片方式形成200 μ m高二維針柱陣列，并用硅的各向同性腐蝕液靜態(tài)腐蝕直接將針柱變尖。這樣的制作方法具有成本低，工藝步驟簡(jiǎn)單，尤其適合大批量生產(chǎn)。制作出的皮膚干電極可以用于腦電、心電、肌電等生理信號(hào)檢測(cè)，滿足科研和臨床需求，并且有助于擴(kuò)大干電極的市場(chǎng)應(yīng)用。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中
圖1為本發(fā)明的制作方法流程圖2為本發(fā)明制作過程中劃片后的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明制作過程中二維方柱陣列變細(xì)變尖的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1，配合參閱圖2、3所示，本發(fā)明提供一種制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，該方法利用通用的砂輪劃片設(shè)備，在單晶硅片上劃槽，形成根部仍與硅片相連的二維硅方柱陣列，繼而利用各向同性腐蝕的方法，將方柱陣列腐蝕成尖端細(xì)，根部粗的四棱微錐陣列，該方法包括如下步驟
步驟101 :選擇一娃片，該娃片為雙面拋光的娃片，娃片的厚度決定著皮膚干電極的整體厚度。
步驟102 :將硅片的兩面熱氧化一層二氧化硅層10，該二氧化硅層10的厚度為 100-500nm，該二氧化硅層10作為步驟104中將二維方柱陣列30 (參閱圖2)腐蝕變尖變細(xì)的保護(hù)層，保護(hù)二維方柱陣列30的頂部端面和硅片20背面的硅不被腐蝕腐蝕。二氧化硅層10的厚度在100-500nm范圍內(nèi)均可以達(dá)到保護(hù)效果。
步驟103 :對(duì)硅片在X方向和Y方向分別形成周期性的一預(yù)定深度的垂直的劃槽， 形成二維方柱陣列30 (參閱圖2)，該硅片在X方向和Y方向劃槽的深度為150-300 μ m，寬度為O. 1-0. 2mm，該硅片在X方向和Y方向劃槽的周期為150-500 μ m。二維方柱陣列30中方柱的邊長(zhǎng)尺寸大小由劃槽寬度和劃槽周期決定，方柱的邊長(zhǎng)=劃槽周期-劃槽寬度。劃槽的深度決定最后形成的二維方柱陣列30的高度，這個(gè)高度要扎進(jìn)皮膚表面，但不能扎到真皮層引起疼痛。所以具體高度要根據(jù)在皮膚表面使用位置上表面皮層厚度來決定。
步驟104 :用硅的各向同性腐蝕液對(duì)劃片后的硅片進(jìn)行靜態(tài)腐蝕，將二維方柱陣 30列變細(xì)變尖(參閱圖3)，所述的硅的各向同性腐蝕液為氫氟酸硝酸=3 25的腐蝕液。靜態(tài)腐蝕可以使二維方柱陣列30中的方柱上部腐蝕快，而下部腐蝕慢，從而形成帶尖端的方柱陣列31。
步驟105 :用氫氟酸或HF緩沖液將硅片20背面的二氧化硅層10腐蝕干凈，形成電極柱陣列。腐蝕的時(shí)間與步驟102中熱氧化形成的二氧化硅層的厚度直接相關(guān)，二氧化硅層10越厚腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)。
步驟106 :采用磁控濺射的方法，在帶尖端的方柱陣列31表面及背面濺射金屬。磁控濺射的方式可以保證帶尖端的方柱陣列31側(cè)壁濺射上金屬。帶尖端的方柱陣列31表面和硅片20背面的電導(dǎo)通是通過電極四周側(cè)壁的金屬實(shí)現(xiàn)的。其中步驟F所述的濺射的金屬包括，一鈦層，在該鈦層的表面濺射一層金，該濺射的鈦層厚度為50-100nm，該濺射的金層的厚度為200-500nm，完成制作。
實(shí)施例
請(qǐng)參閱圖1，配合參閱圖2、3所示，本發(fā)明提供一種制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，包括如下步驟
該方法利用通用的砂輪劃片設(shè)備，在單晶硅片上劃槽，形成根部仍與硅片相連的二維硅方柱陣列，繼而利用各向同性腐蝕的方法，將方柱陣列腐蝕成尖端細(xì)，根部粗的四棱微錐陣列。
步驟101 :選擇一 4寸500 μ m厚的娃片，該娃片為雙面拋光的娃片；
步驟102 :將硅片的兩面熱氧化一層二氧化硅層10，該二氧化硅層10的厚度為 200nm ；
步驟103 :對(duì)硅片在X方向和Y方向分別形成周期性的一預(yù)定深度的垂直的劃槽， 形成二維方柱陣列30 (參閱圖2)，該硅片在X方向和Y方向劃槽的深度為200 μ m，寬度為 O. 15_，該硅片在X方向和Y方向劃槽的周期為200 μ m。二維方柱陣列30中的方柱邊長(zhǎng)為 50 μ m ；
步驟104 :用硅的各向同性腐蝕液對(duì)劃片后的硅片進(jìn)行靜態(tài)腐蝕，將二維方柱陣列30變細(xì)變尖(參閱圖3)，所述的硅的各向同性腐蝕液為氫氟酸硝酸=3 25的腐蝕液；
步驟105 :用氫氟酸或HF緩沖液將硅片20背面的二氧化硅層10腐蝕干凈，腐蝕5 分鐘，形成帶尖端的方柱陣列31 ；
步驟106 :采用磁控濺射的方法，在帶尖端的方柱陣列31表面及硅片20背面濺射金屬，其中步驟F所述的濺射的金屬包括，一鈦層，在該鈦層的表面濺射一層金，該濺射的鈦層厚度為lOOnm，該濺射的金層的厚度為500nm，完成制作。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，該方法利用通用的砂輪劃片設(shè)備，在單晶硅片上劃槽，形成根部仍與硅片相連的二維硅方柱陣列，繼而利用各向同性腐蝕的方法， 將方柱陣列腐蝕成尖端細(xì)，根部粗的四棱微錐陣列，該方法包括如下步驟A、選擇一娃片；B、將硅片的兩面熱氧化一層二氧化硅層；C、對(duì)硅片在X方向和Y方向分別形成周期性的一預(yù)定深度的垂直的劃槽，形成二維方柱陣列；D、用硅的各向同性腐蝕液對(duì)劃片后的硅片進(jìn)行靜態(tài)腐蝕，將二維方柱陣列變細(xì)變尖；E、用氫氟酸或HF緩沖液將硅片表面的二氧化硅層腐蝕干凈，形成電極柱陣列；F、采用磁控濺射的方法，在電極柱陣列表面及背面濺射金屬，完成制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中該硅片為雙面拋光的娃片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中二氧化硅層的厚度為 100_500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中步驟F所述的濺射的金屬包括，一鈦層，在該鈦層的表面派射一層金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中濺射的鈦層厚度為 50_100nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中濺射的金層的厚度為 200_500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中該娃片在X方向和Y方向劃槽的深度為150-300 μ m,寬度為O. 1-0. 2_。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法,其中該娃片在X方向和Y方向劃槽的周期為150-500 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，其中硅的各向同性腐蝕液為氫氟酸硝酸=3 25的腐蝕液。
全文摘要
一種制作基于微針陣列皮膚干電極的方法，該方法包括如下步驟A、選擇一硅片；B、將硅片的兩面熱氧化一層二氧化硅層；C、對(duì)硅片在X方向和Y方向分別形成周期性的一預(yù)定深度的垂直的劃槽，形成二維方柱陣列；D、用硅的各向同性腐蝕液對(duì)劃片后的硅片進(jìn)行靜態(tài)腐蝕，將二維方柱陣列變細(xì)變尖；E、用氫氟酸或HF緩沖液將硅片表面的二氧化硅層腐蝕干凈，形成電極柱陣列；F、采用磁控濺射的方法，在電極柱陣列表面及背面濺射金屬，完成制作。本發(fā)明可以批量的低成本的制作基于微針陣列的皮膚干電極陣列，用于腦電、心電、肌電等生理信號(hào)檢測(cè)，滿足科研和臨床需求。
文檔編號(hào)A61B5/04GK102988039SQ20121054979
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者裴為華, 陳遠(yuǎn)方, 歸強(qiáng), 陳弘達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所