常用陣列式腦波探針製法回顧

微細探針廣被用於工業，作為電極工具、電性或作用力的量測。在生 醫方面，如細胞或訊號偵測等用途。圖 1-5 為腦波探針的技術發展歷程與 應用[9]，從最初濕式電極量測，如圖 1-5(a)所示，到具撓性探針的應用，

如圖 1-5(b)所示，撓性探針可依據不同頭形變化，而提高量測時的接觸面積，

但若採用此方式，還是需要導電凝膠的輔助，前置過程極為繁複。因此，

乾式電極的概念，如圖 1-5(c)所示，逐漸為近年國內外學術界紛紛探討的議 題，而侵入式探針的技術及應用，更成為許多學者深入研究的領域。此外，

為使探針與腦頭皮接觸更牢固，使生理訊號更趨清楚穩定，近期也開發出 腦波帽的量測輔助器材，如圖 1-5(d)所示。回顧過去 20 年，對腦波探針的 製作，已有多人提出相關的技術如下。

圖 1-5 腦波探針的技術發展歷程與應用[9]

於 1996 年，Nordhausen 等人[9]以矽晶圓為基材，利用微機電技術，製 作高深寬比 10×10 為陣列電極，用於偵測生物及人體腦波訊號，探針尖端 寬度為50μm；底部寬度為 80μm；探針高度為 1500μm，如圖 1-6 所示，但 此探針高度設計過長，易使受測者感到疼痛。

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(a) 10×10 微陣列探針 (b) 微陣列探針實體 圖 1-6 微機電技術製作微陣列探針[9]

Fofonoff(2002)等人[10]以鈦合金為基材，利用微線切割放電加工法 (Micro Wire Electrical Discharge Machining, W-EDM)製作高深寬比微陣列 探針，用於腦波訊號量測或晶圓檢測，探針寬度為 80μm；高度 3mm。切 割完成後以化學蝕刻法將陣列探針進行修整及清潔，最終探針尺寸縮減至 寬度40μm，高度 1mm，如圖 1-7(a)所示，此技術亦可製作形狀複雜的陣列 探針，如圖 1-7(b)所示，但利用線切割方式製作探針，加工時間會過長。

(a) 8×8 微陣列探針 (b) 複雜形狀的微陣列探針 圖 1-7 微線切割放電加工法製作微陣列電極[10]

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(a) 微陣列探針 (b) 腦波訊號強度比較 圖 1-8 微機電技術製作微陣列探針[11]

Lin(2006)等人[11]，利用微機電技術，製作20×20陣列式腦波探針，探 針高度為250 um，如圖1-8(a)所示，先以黃光微影蝕刻技術，塗上光阻，於 矽晶圓進行等向性蝕刻(形成圓角)及非等向性蝕刻(形成直角)，後續於表面 覆層鈦/鉑(Ti/Pt)，提高導電度。等向性蝕刻的蝕刻速率是相同的；而非等 項性蝕刻，蝕刻速率為某部分會較快或慢，所以具良好的方向性，探針較 筆直且易成形直角。其量測結果證實，可有效量測腦波訊號，並具與市售 濕式探針相似的波形，如圖1-8(b)所示。利用此方法，雖可大面積製作陣列 探針，但矽本身為脆性材料，於腦波訊號偵測時探針易發生脆裂。

Jung(2008)等人[12]開發腦波訊號銜接端之感測器，目的為提高腦電圖 設備的便利性及可移動性。於腦波量測時，不需於頭皮塗上導電凝膠，係 直接將感測器接觸受測者。感測器包含放大器，濾波器及類比數位轉換器，

其迴路設置如圖1-9(a)所示，中頻端增益為1000，濾波器可濾掉音頻低於1Hz 及100Hz以上。研究證實，使用此傳感器，成功偵測睜眼及閉眼時的腦訊號，

如圖1-9(b)所示。

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(a) 感測器迴路設計 (b) 睜閉眼腦波訊號 圖 1-9 腦波訊號銜接端之感測器製作與波形驗證[12]

Myllymaa(2009)等人[13]製作一植入式感測元件，用於老鼠生理訊號的 探測，此感測電極為八通道設置，將此八通道電極植入老鼠體內，透由ZIF 晶片連接器及SMT晶片插槽，將生理訊號擷取並判讀，如圖1-10所示，但 此製程須先對老鼠進形手術，過程相對較繁複且耗時。其感測電極材質為 聚醯亞胺基(Polyimide-based)，利用光刻技術，先於基材上覆上一層光刻膠，

在曝光後被顯影液溶解，之後對電極表面進行磁控濺射沉積(Magnetron sputter deposition)，將鈦/鉑(Ti/Pt)離子覆層。

(a) 電極植入於老鼠示意圖 (b) 八通道設置之微電極 圖 1-10 光刻技術製作植入式腦波微電極[13]

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Bhandari(2010)等人[14]先以晶圓切割法將矽晶圓切成陣列狀，如圖 1-11(a)所示，再利用化學蝕刻陣列電極，以達高深寬比的腦波探針。研究 中調整加工溫度、蝕刻時間，如圖1-11(b)及1-12所示，及混合硝酸及氫氟 酸蝕刻液的攪拌速度，這些參數將影響蝕刻率及蝕刻矽柱的均勻度。利用 此方式製作陣列探針，雖可高效率製作多陣列探針，但前置切割晶圓的時 間也因此過長，且後續蝕刻液的處理程序亦較繁瑣。

(a) 矽晶圓切割 (b) 進行化學蝕刻(4min) 圖 1-11 陣列電極製作流程[14]

(a) 進行化學蝕刻(8.3min) (b) 進行化學蝕刻(9min) 圖 1-12 陣列電極製作成果[14]

Etholm(2010)等人[15]開發一無線感測器，目的為探測老鼠腦電波與視 頻同步觀測活動老鼠的癲癬(Epilepsy)症狀，無線感測器為四通道頭戴式數

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據記錄，可以記錄不同位置，癲癇發作時的腦電活動。此成品為一植入式 的感測器，植入方式為，感測器PIN接腳連結到一小螺釘，再利用焊接將銅 線連接到老鼠皮膚內，如圖1-13(a)所示，偵測流程為，將老鼠放進一實驗 容器中，使日夜顛倒及化學藥劑的釋放等等，觸發老鼠發生癲癇症狀，同 時記錄腦電波，爾後再將環境轉換為正常狀態，整個流程，攝影機同步紀 錄老鼠情況，並利用特殊燈光於攝影機前降低攝影機電磁波的干擾，如圖 1-13(b)所示。雖利用將感測電極植入至生物體內進行訊號偵測，波形訊號 極為明顯，且完全不需顧慮量測電阻問題，但前置處理程序極為耗時。

(a) 動物偵測(實驗老鼠) (b) 動物偵測示意圖 圖 1-13 以無線感測器偵測動物腦波[15]

Grozea(2011)等人[16]提出低成本乾式電極，用於人體腦電圖的量測，

於塑膠聚合物刷毛表面覆層金屬材質，如圖1-14(a)所示，此刷毛具撓性，

可依據受測者不同頭形，進行全面接觸式量測。最後經實驗證實，此具撓 性腦波刷毛式探針，其波形訊號與市售濕式腦波探針相似，如圖1-14(b)所 示。但如採用此種具撓性刷毛進行訊號量測，過程會使受測者不適。

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(a) 塑膠聚合物刷毛進行量測 (b) 腦波訊號波形比較 圖 1-14 以塑膠聚合物刷毛進行腦波訊號量測[16]

Wang(2012)等人[17]開發具活動性的乾式腦波電極，文中提及一般市售 濕式電極(Ag-AgCl)雖被廣泛使用，但需於頭皮塗上導電膠，易造成受測者 的不適，且無法進行長時間量測腦電圖，為克服以上缺失。因此，Wang等 人提出一種新型撓性乾式電極， 聚二甲基矽氧烷(Polydimethyls-iloxane, PDMS)，除不需塗上導電凝膠外，這種具撓性的乾式電極可直接穿過頭髮，

對頭皮內部測量。最後，與一般市售濕式電極進行頻率及阻抗和時域的比 較測試，研究證實，能夠成功進行長時間量測，如圖1-15(a)所示，且此乾 式電極與市售濕式電極，其波形重合率高達92%，如圖1-15(b)所示。

(a) 訊號量測阻抗比較 (b) 腦波波形重合率比對 圖 1-15 撓性乾燥腦波探針製作例[17]

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Prototyping)快速成形製作陣列腦波探針，如圖 1-16(a)所示，探針高度約為 500μm，製作過程採用快速原型機將探針堆疊完成，材料為壓克力樹脂 (Acrylic)，後製程於表面以濺鍍方式鍍上厚度 150nm 的鈦(Ti)增加強度；以 及厚度 250nm 的金(Au)降低訊號阻抗，亦可提高導電性，並防止表面腐蝕 及氧化。後續，將此探針實際用於腦波訊號量測，並與市售之濕式電極式 探針作訊號比較，研究證實，兩種探針具相似的腦波形，如圖 1-16(b)所示。

(a) 微陣列探針(SEM) (b) 腦波訊號波形比較 圖 1-16 3D 列印技術製作之微陣列探針[18]

郭哲希(2013)等人[19]以微機電技術，製作倒鉤狀乾式腦電波電極，如 圖 1-17(a)所示。倒鉤狀目的為於量測腦電波時，探針能夠確實固定於皮膚 內，並避免探針刺及皮膚達真皮層，使受測者感到疼痛，因此將探針高度 設計為 81µm，寬度為 12-20µm，並製作陣列式的探針，如圖 1-17(b)所示。

但此腦波電極長度設計過短，較難用於腦波探測，且製作成本較高。

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(a) 陣列倒鉤狀探針 (b) 倒鉤狀探針 圖 1-17 微機電技術製作倒鉤狀探針[19]

Zhou(2013)等人[20]提出以光纖雷射(Fiber laser)加工法製作陣列微細 紅銅(Red copper)探針，如圖 1-18 所示，因雷射加工製程加工速度快、加工 熱影響小，工件不易變形，因此成品具較佳的尺寸精度，但所須設備的成 本相對增高。探針開發完成加工後，實際用於腦波量測，研究證實，對於 偵測腦波訊號，成功進行長時間量測，且此乾式電極與市售濕式電極，波 形重合率相當高。

(a) 雷射加工周邊配置 (b) 雷射加工製程 圖 1-18 雷射加工技術製作微陣列探針[20]

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