精微電加工法開發內皮層陣列腦波探針研究

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(1)國立臺灣師範大學機電工程學系碩士論文指導教授：陳順同博士. 精微電加工法開發內皮層陣列腦波探針研究 Development of a penetrating intra-cortical probe array by using micro electro-machining. 研究生：朱麒宇中. 華. 民. 國. 1. 0. 3. 年. 7. 月.

(2) 摘要本研究旨在針對擷取腦波訊號的內皮層陣列探針，提出一種複合式精微電加工(Hybrid micro electro-machining)的製程技術，此項技術包含兩部分：螺旋式放電加工(Spiral EDM)及鍍銀技術(Silver plating)。研究之初，以外徑 ψ300μm碳化鎢棒材，對鉻銅(Cu-Cr)棒材進行螺旋式微孔放電，製成具陣列式微孔電極。再令鉻銅電極倒置夾持，對黃銅(Brass)電極(腦波探針素材) 進行螺旋式放電，透由電極搖動、啄鑽運動與一系列精微放電加工參數的實驗，以獲得精確的內皮層陣列腦波探針，探針之尺寸規劃為：5×5陣列針數、探針高度350μm、探針尖端外徑50μm、探針錐率1:7。由實驗得知，採用兩段式電容放電加工，可獲得一適當的表面粗糙度Ra2.9μm，此表面粗糙度恰能提供針體對腦部皮層組織足夠的摩擦力，使探針不易脫落。完成的陣列探針，再輔以銀電法快速覆層，以便提高探針表面的電導度。實驗也證實，以批量式放電製作內皮層腦波陣列探針，可獲得最快的成形時間： 3.1分/顆，比起單顆探針製作(5.8分/顆)，約僅一半的加工時間。完成的內皮層陣列腦波探針進行腦波擷取實驗，所獲得的腦波訊號(α波, β波, θ波, δ波)，包括波形強度及波形重現性，皆證實優於市售的腦波電極；而探針使用壽命經1000次插拔及50次的側向搖動測試後，發現探針仍能維持其原有的形狀精度，證實本研究所開發的內皮層陣列探針能精確應用於腦波訊號的量測，並且，所提複合式精微電加工法著實能應用於生醫領域。關鍵字：內皮層陣列腦波探針、複合式精微電加工、螺旋式放電加工、鍍銀技術、腦波波形. i.

(3) Abstract This study presents the development of hybrid micro electro-machining technique in which spiral electrical discharge machining (EDM) and silver plating are employed to fabricate a penetrating intra-cortical probe array for detecting human brain activity. The probe owns a design of 5×5 array micro pillar. The height, tip diameter, taper rate of each micro pillar and the inter-pillar spacing are 350µm, 50µm, 1:7 and 550µm, respectively. A micro-holes array is first formed on a small rod-shaped copper-chromium (Cu-Cr) workpiece by using spiral EDM and micro tungsten carbide electrode with a 300μm diameter. Spiral EDM operation is again employed to machine the penetrating intra-cortical probe array on a rod-shaped brass workpiece by applying the finished Cu-Cr electrode. After a series of spiral EDM experiments, it is found that two-step capacity discharge can achieve a surface roughness of Ra2.9μm on the pillar surface, which provides sufficient friction between the contact interfaces. Also, experimental results confirmed that batch spiral EDM can speed the fabrication of probe array up to 3.1 minutes each piece. This time is approaching half of the machining time for single probe array (5.8 minutes). To increase the conductivity of the probe array, silver plating process with 1μm in coating thickness is implemented. Experiment in human brain activity detection is conducted and obtained as α, β, θ and δ activities via the finished penetrating intra-cortical probe array. It was verified that the developed probe array used in the intensity and repeatability of the signal activity is superior to that of the existing commercial probe. After life tests with inserting/pulling out of 1000 times and waggling of 50 times, the form accuracy of the probe can still be kept demonstrated that the developed probe can really be used in measurement of human brain activity. Also, the proposed micro electro-machining technique can contribute significantly to the bio-medical field. penetrating intra-cortical probe array, hybrid electro-machining technique, spiral EDM, silver plating, brain activity Keywords:. ii. micro.

(4) 誌謝本論文的完成，首要感謝的是指導教授陳順同博士，從大學專題到研究所碩論，在這三年的指導，不僅在專業知識及待人處事的道理收穫良多，跟著老師學習，使學生更加了解，對研究方面的嚴謹度與解決問題的能力，於未來職場生涯，必能承接此精神，不枉老師的諄諄教誨，謹此獻上學生誠摯的感謝。感謝淡江大學趙崇禮教授、華梵大學顏木田教授、國立臺灣師範大學葉榮木教授及蔡俊毅教授百忙之中來指導學生論文口試與寶貴建議，使學生論文能夠更加完整充實。在此也特別感謝葉榮木教授實驗室，在生醫技術方面的指導，使研究得以順利完成；鄭慶民主任實驗室與張天立教授實驗室，協助提供各種量測設備，在此致上最高謝意。另外，感謝台灣蘇比克股份有限公司朱村治經理、及葉勇志大學長在實驗設備及業界相關知識上的協助，在此特別致上最大的謝意。從大學到研究所，待在微製造實驗室的三年期間，要感謝學長士緯、祈宏、暐仁、宗翰、育儒、宗銘，同學琪鈺、勝禹、凱傑、彥霖的指導，從你們身上讓我學到許多知識，也特別感謝學弟妹家顥、永宏、景呈、威宇、柏聰、佾哲、櫻丹、存瀅、建達、簡超、冠賢，有你們的協助，讓我能專心地完成實驗，在此由衷的表達謝意。最後非常感謝我的爸爸、媽媽及妹妹，有你們的辛苦栽培與支持陪伴，讓我無後顧之憂，完成碩士學位，謝謝你們。也特別感謝女友 Nikki，沒有妳的種種包容、持續鼓勵與愛戴扶持，我無法這麼順利地完成論文。也感謝其他許多幫助過我的朋友們。麒宇謹誌於臺師大精微製造實驗室 2014/07/31 iii.

(5) 目錄摘要 ...................................................................................................................... i Abstract ............................................................................................................... ii 誌謝 .................................................................................................................... iii 目錄 .................................................................................................................... iv 表目錄 ............................................................................................................... vii 圖目錄 ................................................................................................................ ix 符號說明 .......................................................................................................... xiv 第一章緒論 ...................................................................................................... 1 1.1 前言 ...................................................................................................... 1 1.2 文獻回顧............................................................................................... 3 1.2.1 常用陣列式腦波探針製法回顧 ................................................ 5 1.2.2 放電加工技術成形精微探針及應用....................................... 14 1.2.3 腦波探針覆層之製法回顧 ...................................................... 20 1.3 研究動機............................................................................................. 24 1.4 研究目的............................................................................................. 26 1.5 研究方法............................................................................................. 26 第二章實驗原理 ............................................................................................. 28 2.1 精微放電加工原理 ............................................................................. 28 2.1.1 精微雕模放電加工機電源迴路 .............................................. 31 2.2 精微線切割放電加工原理 ................................................................. 33 2.3 電鍍原理............................................................................................. 33 2.4 腦電波圖概論 ..................................................................................... 37 2.4.1 人體腦部構造 .......................................................................... 37 iv.

(6) 2.4.2 腦電波圖定義 .......................................................................... 37 第三章實驗設備 ............................................................................................. 41 3.1 精微雕模放電加工機 ......................................................................... 41 3.2 CNC 線切割放電加工機..................................................................... 42 3.3 CNC 立式綜合加工機 ........................................................................ 43 3.4 量測儀器設備 ..................................................................................... 43 3.4.1 光學工具顯微鏡 ...................................................................... 44 3.4.2 掃描式電子顯微鏡 .................................................................. 44 3.4.3 3D 雷射共軛焦顯微鏡 ............................................................. 45 3.4.4 腦波訊號判讀設備 .................................................................. 46 3.5 實驗材料............................................................................................. 47 3.5.1 碳化鎢電極 .............................................................................. 47 3.5.2 鉻銅電極與黃銅材料 .............................................................. 48 3.5.3 探針覆層材料 .......................................................................... 49 第四章內皮層陣列腦波探針素材放電成形 ................................................. 50 4.1 內皮層陣列腦波探針設計 ................................................................. 52 4.2 螺旋式放電加工製作陣列微孔電極 ................................................. 54 4.2.1 螺旋式放電加工軌跡路徑規劃 .............................................. 54 4.2.2 放電工作電容對微孔成形的影響 .......................................... 55 4.2.3 電極搖動對陣列微孔尺寸精度的影響 ................................... 58 4.2.4 碳化鎢電極磨耗探討 .............................................................. 60 4.3 螺旋式放電加工製作內皮層陣列腦波探針 ..................................... 63 4.3.1 螺旋式放電加工軌跡路徑規劃 .............................................. 63 4.3.2 探針陣列針數對探針成形時間的影響 ................................... 64 4.3.3 電極搖動量對陣列探針成形的影響....................................... 67 v.

(7) 4.3.4 探針陣列針數對牢固力的影響 .............................................. 69 4.3.5 放電脈衝時間(Pulse duration, on)對探針表面粗糙度的影響 71 4.3.6 間隙電壓與電極滯留及離開時間對探針成形效率的影響 ... 76 4.3.7 放電工作電容對探針外徑一致性的影響 ............................... 82 4.3.8 鉻銅電極磨耗探討 .................................................................. 86 4.4 批量內皮層陣列腦波探針製作 ......................................................... 88 4.4.1 批量內皮層陣列腦波探針之夾治具設計 ............................... 88 4.4.2 探針顆數與電流大小對製程時間及表面粗糙度的影響 ....... 89 第五章內皮層陣列腦波探針覆層與腦波訊號偵測 ..................................... 95 5.1 探針受力形變分析討論 ..................................................................... 95 5.2 探針鍍層厚度控制 ............................................................................. 97 5.3 腦波訊號偵測 ................................................................................... 100 5.4 腦波訊號比較 ................................................................................... 102 5.4.1 探針鍍層厚度與腦波訊號強度比較..................................... 102 5.4.2 探針陣列針數與腦波訊號強度比較..................................... 103 5.4.3 市售電極與內皮層探針的腦波訊號比較 ............................. 105 5.4.4 市售電極與內皮層探針的使用次數比較 ............................. 106 5.4.5 市售電極與內皮層探針的製作成本及生產效能比較 ......... 109 5.4.6 腦波波形(α 波, β 波, θ 波, δ 波)驗證 .................................... 110 第六章結論與未來展望 ............................................................................... 117 6.1 結論 .................................................................................................. 117 6.2 未來展望........................................................................................... 120 參考文獻 ......................................................................................................... 122. vi.

(8) 表目錄表 2-1 精微放電加工與一般雕模放電加工的特性比較 ............................. 30 表 3-1 精微雕模放電加工機規格 .................................................................. 41 表 3-2 CNC 線切割放電加工機規 .................................................................. 42 表 3-3 CNC 立式綜合加工機規格 .................................................................. 43 表 3-4 光學工具顯微鏡規格表....................................................................... 44 表 3-5 掃描式電子顯微鏡規格 ....................................................................... 45 表 3-6 3D 雷射共軛焦顯微鏡規格.................................................................. 45 表 3-7 碳化鎢機械性質 ................................................................................... 48 表 3-8 鉻銅機械性質 ....................................................................................... 48 表 3-9 黃銅機械性質 ....................................................................................... 49 表 3-10 銀材料特性 ......................................................................................... 49 表 4-1 不同工作電容之放電實驗參數 .......................................................... 57 表 4-2 不同工作電容之微孔尺度、加工時間與表面粗糙度關係 (碳化鎢電極加工鉻銅電極) ............................................................................ 57 表 4-3 不同電極搖動量之放電實驗參數 ...................................................... 59 表 4-4 電極搖動之微孔孔徑、孔深與加工時間關係…………………….58 表 4-5 不同工作電容成形微孔之電極磨耗探討(電極行星搖動 30µm).... 61 表 4-6 內皮層陣列腦波探針成形時間探討之放電參數(保守條件) .......... 64 表 4-7 不同探針針數之探針外徑、高度與加工時間關係 ......................... 65 表 4-8 內皮層陣列腦波探針搖動量探討之放電參數(保守條件) .............. 67 表 4-9 不同針數之電極搖動量比較 .............................................................. 69 表 4-10 內皮層陣列腦波探針牢固力測試之放電實驗參數(保守條件) .... 70 表 4-11 牢固力測試所用材料 ......................................................................... 70 表 4-12 不同放電脈衝時間之放電實驗參數 ................................................ 73 vii.

(9) 表 4-13 不同放電脈衝時間之探針表面粗糙度 ............................................ 75 表 4-14 不同伺服間隙電壓與電極放電滯留時間之放電實驗參數 ........... 77 表 4-15 不同電極離開時間之放電實驗參數 ................................................ 81 表 4-16 內皮層陣列腦波探針之完整放電參數 ............................................ 83 表 4-17 不同放電工作電容之探針加工時間 ................................................ 84 表 4-18 內皮層陣列腦波探針之兩段式電容放電參數 ............................... 85 表 4-19 單顆腦波探針之製作成果 ................................................................ 86 表 4-20 單顆鉻銅電極成形探針次數與電極磨耗量、孔內積屑量關係及電極剩餘孔深關係 ........................................................... 87 表 4-21 批量製作內皮層陣列腦波探針之放電參數 .................................... 90 表 4-22 批量探針製作之不同放電電流及其加工時間關係 ....................... 91 表 4-23 不同放電電流與加工時間及表面粗糙度關係 ............................... 92 表 4-24 批量腦波探針之製作成果彙整 ........................................................ 94 表 5-1 黃銅材料機械性質 ............................................................................... 96 表 5-2 不同接觸力與側向力之最大形變量及角度偏移量 ......................... 96 表 5-3 銀材料特性 ........................................................................................... 98 表 5-4 銀電鍍液組成分 ................................................................................... 98 表 5-5 銀電鍍條件 ........................................................................................... 99 表 5-6 銀電鍍結果 ........................................................................................... 99 表 5-7 矽膠及人體皮膚機械性質比較 ........................................................ 106 表 5-8 不同插拔次數與側向搖動之探針形狀精度探討 ........................... 107 表 5-9 不同側向搖動次數之探針形狀精度探討 ........................................ 108 表 5-10 不同插拔次數與側向搖動之探針形狀精度探討(單根探針) ...... 108 表 5-11 不同側向搖動次數之探針形狀精度探討(單根探針) ................... 108 表 5-12 市售腦波電極與內皮層陣列腦波探針的量測特性比較 ............. 110 viii.

(10) 圖目錄圖 1-1 醫療電子市場評估與應用 ..................................................................... 1 圖 1-2 大眾運輸事故例 ..................................................................................... 3 圖 1-3 現階段乾式腦波探針製作方法 ............................................................. 4 圖 1-4 侵入式乾式電極與濕式電極量測之等效電路比較圖 ......................... 4 圖 1-5 腦波探針的技術發展歷程與應用 ......................................................... 5 圖 1-6 微機電技術製作微陣列探針 ................................................................. 6 圖 1-7 微線切割放電加工法製作微陣列電極 ................................................. 6 圖 1-8 微機電技術製作微陣列探針 ................................................................. 7 圖 1-9 腦波訊號銜接端之感測器製作與波形驗證 ......................................... 8 圖 1-10 光刻技術製作植入式腦波微電極 ....................................................... 8 圖 1-11 陣列電極製作流程 ............................................................................... 9 圖 1-12 陣列電極製作成果 ............................................................................... 9 圖 1-13 以無線感測器偵測動物腦波 ............................................................. 10 圖 1-14 以塑膠聚合物刷毛進行腦波訊號量測 ............................................. 11 圖 1-15 撓性乾燥腦波探針製作例 ................................................................. 11 圖 1-16 3D 列印技術製作之微陣列探針 ........................................................ 12 圖 1-17 微機電技術製作倒鉤狀探針 ............................................................. 13 圖 1-18 雷射加工技術製作微陣列探針 ......................................................... 13 圖 1-19 精微放電加工技術製作陣列式造形微孔 ......................................... 14 圖 1-20 精微放電加工技術製作陣列探針 ..................................................... 15 圖 1-21 以微線切割放電加工技術製作 10×10 微陣列電極 ......................... 16 圖 1-22 放電加工之工具電極磨耗及改善方法 ............................................. 17 圖 1-23 覆層二氧化鋯後之工具電極 ............................................................. 17 ix.

(11) 圖 1-24 放電加工之工具電極磨耗 ................................................................. 18 圖 1-25 放電加工之電極磨耗量與材料移除率探討 ..................................... 18 圖 1-26 壓電陶瓷振動方向與放電殘渣排除機制 ......................................... 19 圖 1-27 高細長比精微探針 ............................................................................. 19 圖 1-28 微機電技術製作微陣列探針 ............................................................. 20 圖 1-29 真空壓鑄技術製作微陣列探針 ......................................................... 21 圖 1-30 微機電技術製作 PEDOT 鍍層微陣列電極 ...................................... 22 圖 1-31 探針覆層 PEDOT 及 Au/Ti 之腦波訊號比較 ................................... 22 圖 1-32 微機電技術製作撓性微陣列探針 ..................................................... 23 圖 1-33 一般腦波探針量測方式 ..................................................................... 24 圖 1-34 腦波探針量測方式(乾式電極應用) .................................................. 25 圖 1-35 本研究提出之「複合式精微電加工法」製作腦波探針流程 ......... 27 圖 2-1 放電加工原理 ....................................................................................... 29 圖 2-2 雕模放電加工原理 ............................................................................... 30 圖 2-3 SVC 放電迴路之放電波形 ................................................................... 32 圖 2-4 雕模放電加工機採用之 SVC 放電迴路探討 ..................................... 32 圖 2-5 精微線切割放電加工原理 ................................................................... 33 圖 2-6 電鍍原理與電鍍後之腦波訊號效能比較 ........................................... 34 圖 2-7 人體腦部構造 ....................................................................................... 37 圖 2-8 腦波(α 波, β 波, θ 波, δ 波)波形定義比較 .......................................... 39 圖 2-9 國際 10-20 標準電極位置系統 ............................................................ 40 圖 3-1 精微雕模放電加工機 ........................................................................... 41 圖 3-2 CNC 線切割放電加工機 ....................................................................... 42 圖 3-3 CNC 立式綜合加工機 ........................................................................... 43 圖 3-4 光學工具顯微鏡 ................................................................................... 44 x.

(12) 圖 3-5 掃描式電子顯微鏡 ............................................................................... 45 圖 3-6 3D 雷射共軛焦顯微鏡 .......................................................................... 45 圖 3-7 True-Sense Exploration Kit (人體生理信號採集)套件......................... 47 圖 3-8 碳化鎢電極(用於加工鉻銅電極) ........................................................ 48 圖 3-9 鉻銅電極(用於加工黃銅探針) ............................................................ 48 圖 3-10 黃銅電極(腦波探針素材) .................................................................. 49 圖 3-11 銀板材料(置陽極之電鍍材) .............................................................. 49 圖 4-1 本研究製作內皮層陣列腦波探針之流程 ........................................... 51 圖 4-2 內皮層陣列腦波探針之偵測示意圖 ................................................... 52 圖 4-3 內皮層陣列腦波探針尺度設計 ........................................................... 54 圖 4-4 複合式軌跡路徑規劃製作陣列微孔電極 ........................................... 55 圖 4-5 放電加工之電晶體迴路 ....................................................................... 56 圖 4-6 放電加工之電晶體控制 RC 迴路 ........................................................ 56 圖 4-7 放電能量對微孔成形的影響(電極：碳化鎢，孔工件：鉻銅) ......... 58 圖 4-8 電極搖動對陣列微孔尺寸精度的影響 ............................................... 59 圖 4-9 雕模放電加工之電極磨耗形式 ........................................................... 60 圖 4-10 碳化鎢電極加工鉻銅電極(工作電容：22nF) .................................. 61 圖 4-11 碳化鎢電極加工鉻銅電極(工作電容：2.2nF) ................................. 62 圖 4-12 碳化鎢電極製作鉻銅電極之磨耗探討 ............................................. 62 圖 4-13 複合式軌跡路徑規劃製作內皮層陣列腦波探針 ............................. 63 圖 4-14 內皮層陣列腦波探針之陣列針數對探針成形時間的影響 ............. 66 圖 4-15 探針針數對加工時間及表面粗度的影響 ......................................... 66 圖 4-16 探針放電電極搖動對探針尖端外徑成形的影響 ............................. 68 圖 4-17 陣列探針搖動量之趨勢線 ................................................................. 69 圖 4-18 探針陣列針數對牢固力的影響 ......................................................... 70 xi.

(13) 圖 4-19 探針外徑尺寸修正 ............................................................................. 71 圖 4-20 放電坑與加工表面粗糙度關係 ......................................................... 72 圖 4-21 放電加工之表面粗糙度經驗公式計算例 ......................................... 72 圖 4-22 放電脈衝時間(on)對腦波探針表面粗糙度的影響 .......................... 75 圖 4-23 放電脈衝時間對探針表面粗. 糙度與牢固力的影響 ..................... 75. 圖 4-24 伺服間隙電壓示意圖 ......................................................................... 76 圖 4-25 電極放電滯留/離開時間示意圖 ........................................................ 76 圖 4-26 電極滯留時間與伺服間隙電壓(100V)對探針成形效率的影響 ...... 78 圖 4-27 電極滯留時間與伺服間隙電壓(80V)對探針成形效率的影響 ........ 79 圖 4-28 電極滯留時間與伺服間隙電壓(60V)對探針成形效率的影響 ........ 79 圖 4-29 電極滯留時間與伺服間隙電壓(40V)對探針成形效率的影響 ........ 80 圖 4-30 電極離開時間對腦波探針成形效率的影響 ..................................... 81 圖 4-31 電極滯留時間與伺服間隙電壓對腦波探針成形效率的影響 ......... 82 圖 4-32 電極離開時間對腦波探針成形效率的影響 ..................................... 82 圖 4-33 放電電容對探針外徑一致性的影響 ................................................. 83 圖 4-34 外徑一致性比較(22nF) ...................................................................... 84 圖 4-35 外徑一致性比較(22nF/2.2 nF) ........................................................... 84 圖 4-36 兩段式電容放電製作內皮層陣列腦波探針 ..................................... 85 圖 4-37 鉻銅陣列微孔電極加工黃銅腦波探針後之孔內情形 ..................... 87 圖 4-38 單顆鉻銅電極成形探針次數與電極磨耗量、孔內積屑量關係及電極剩餘孔深的關係曲線 ....................................................................................... 88 圖 4-39 批量製作內皮層陣列腦波探針之夾治具設置 ................................. 89 圖 4-40 批量內皮層陣列腦波探針之夾治具設計 ......................................... 89 圖 4-41 不同探針顆數製作之放電電流對探針幾何精度的影響 ................. 91 圖 4-42 探針顆數與電流大小對製程時間的影響 ......................................... 91 xii.

(14) 圖 4-43 批量(4 顆)探針製作之放電電流對探針幾何精度的影響 ................ 93 圖 4-44 批量(4 顆)探針製作之表面粗糙度量測 ........................................... 93 圖 5-1 探針受力形變分析討論 ....................................................................... 97 圖 5-2 銀電鍍之硬體設置 ............................................................................... 99 圖 5-3 內皮層陣列腦波探針之電鍍覆層 ..................................................... 100 圖 5-4 腦波訊號偵測及探針擺放位置 ......................................................... 101 圖 5-5 市售腦波電極與內皮層陣列探針銜接與實際量測腦電波圖 ......... 101 圖 5-6 探針銀鍍層厚度與腦波訊號強度比較(眨眼訊號)........................... 103 圖 5-7 探針陣列針數與腦波訊號強度比較(眨眼訊號)............................... 104 圖 5-8 市售電極與內皮層探針之腦波訊號強度比較(眨眼訊號) ............... 105 圖 5-9 市售電極與內皮層探針之腦波訊號重現性比較(眨眼訊號) ........... 105 圖 5-10 內皮層陣列腦波探針之插拔次數測試示意圖 ............................... 107 圖 5-11 內皮層陣列腦波探針插拔次數測試 ............................................... 107 圖 5-12 腦波(α 波, β 波, θ 波, δ 波)波形定義比較(引用圖 2-8) ...................111 圖 5-13 內皮層陣列腦波探針測得之波形(為本論文作者自身測試結果) . 112 圖 5-14 腦波訊號偵測及探針擺放位置 ....................................................... 113 圖 5-15 內皮層陣列腦波探針測得之波形(為本論文作者自身測試結果) . 113 圖 5-16 內皮層陣列腦波探針測得之腦電波形圖與頻率-振幅圖…………114. xiii.

(15) 符號說明 A. 原子量. L. 導線電感(H). a. 電鍍面積(dm2). LS. 電極側邊磨耗量(µm). C. 放電工作電容(nF). LE. 電極高度磨耗量(µm). D. 鉻銅微孔成形深度(µm). M. 電化學當量(g/Ah). 𝑫𝒌. 電流密度(A/dm2). P. 放電加工減吋量(µm). d. 兩極間的距離(m). q. 電荷(Q). d1. 單發放電坑寬度(µm). 𝒅𝒘. 電極間距(mm). E. 電場強度(V/mm). S. 放電加工搖動量(µm). F. 法拉第電量 (9.6485×104 Coul/mole). T. 電鍍時間(分鐘). Fn. 力(N). G. 放電間隙(µm). h1. 單發放電坑深度(µm). t. 電鍍沉積厚度(μm). h2. 單發放電坑隆起高度(µm). V. 放電電壓(V). Ip. 放電電流(A). VG. 放電伺服間隙電壓(V). i. 電流(安培). We. 電極高度磨耗率(%). K. 電鍍厚度係數(cm3/Ah). Ra Rmax. Tdown Tup. Z. xiv. 中心線平均粗糙度(µm) 最大粗糙度(µm). 電極放電滯留時間(S) 電極離開時間(S). 電荷數(個).

(16)  on. 放電脈衝時間(µs). . 介電質相對誘電率(F/m). 0. 真空誘導率(F/m). η. 電鍍電流效率(%). . 金屬密度(g/cm3). xv.

(17) 第一章緒論. 1.1 前言近年來，社會邁向高齡化趨勢，高年齡層的健康問題逐漸浮現，因此突顯生醫技術的重要性。人民對於醫療需求持續上升，並開始建立起保健概念。從歐美地區醫療照護費用持續增加，尋求提高照護效率與降低醫療支出的解決方案，以及新興市場湧現的基礎醫療與自我健康照護需求來看，皆是驅動此波產業發展的動力所在。依據工研院產業經濟與趨勢研究中心 (Industrial Economics & Knowledge Center, IEK)預估[1]，2011 年全球醫療電子市場達 1,560 億美元，預估 2012 年全球醫療電子市場約 1,680 億美元，推估 2016 年將可達 2,432 億美元，如圖 1-1 所示，2011~2016 年複合成長率達 9%，由此再次驗證，生醫產業的蓬勃發展。. (a) 醫療電子市場預估[1]. (b) 可植入式無線生醫設備[2]. 圖 1-1 醫療電子市場評估與應用於生醫檢測(Bioanalytical)方面，腦波訊號的應用，亦為不斷被探討的一項技術，其中，腦波訊號的擷取與監測尤為重要，不同波形所衍生的意 1.

(18) 義與人類行為息息相關，相關文獻指出[2]，藉由專注力控制教學影片的播放及互動遊戲與互動的腦波教學軟體，證實可提升專注力。透過即時的腦波量測讓受測者知道當下的專注狀況，可揣摩進入專注的心境感覺，從而掌握隨時自主的進入最佳狀況。以植物人為例，可對患者進行刺激性感官行為測試，同時透由偵測腦波，判斷患者的腦部作動情形。此外，腦波偵測亦可對人體身心狀態進行及時監控，以大眾運輸操作人員為例，於2005 年 8月 14日由賽普勒斯經希臘雅典轉飛捷克布拉格的太陽神航空波音 737-31S客機[3]，如圖1-2(a)所示，於飛行途中墜毀，據調查為機上空調系統因人為因素，導致管線開關處於手動狀態，造成飛機飛行中，機艙內加壓系統未能自動加壓，致使氧氣不足，造成包括6名機組及115名乘客因此昏迷，最後因燃料不足而墜毀，無人生還。鑑此，腦波偵測的應用極為重要，塔台人員如能事先由飛行員腦部波形的訊號得知其生理狀況，或可切換飛行模式，導引降落，避免意外發生。此外，依據內政部警政署分析民國九十年道路交通事故受傷致死率數據調查[4]，因駕駛不當而導致的交通事故，佔所有肇事原因，如機械故障、酒醉駕駛、超速等等，比例高達 96.55%，其中，三成歸因於精神不濟導致的車禍，以及近一成的死亡率，事故比例如圖1-2(b)所示。另外，據美國高速公路安全局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)調查 [5]，造成交通事故的各種因素中，疲勞駕駛所造成的致命事故比例亦近17%，其中，「瞌睡駕駛(Drowsy driving)」是頭號的道路殺手。因此，腦波訊號的即時偵測與應用，於交通事故的防範上，日顯重要。. 2.

(19) (a) 太陽神波音 737-31S 客機[3]. (b) 台灣道路交通事故率[4]. 圖 1-2 大眾運輸事故例. 1.2 文獻回顧腦波訊號量測的概念最早於 1875 年，由英國利物浦的生理學教授 Richard Canton[6]，以兔子的大腦皮質(Cerebral cortex)，透由感測晶片植入至其神經內，再將此腦波的電荷訊號記錄下來。爾後，人類腦電波圖於 1929 年才由德國精神科醫師 Hans Berger[7]首度發表。針對人類腦波訊號的量測與訊號取得，國內外不論生醫界及學術界，多以體外量測及侵入式(Invasive)或植入式(Implantable)方法進行探討。侵入式或植入式的量測方式，不論訊號強度及波型重現性，皆優於體外量測的探針，但此方式所用探針之尺寸，需有縝密規劃，因探針係直接侵入人體皮膚內，故設計須參考國際相關規範。以下是近年學界與業界於內皮層陣列探針製作及腦波訊號量測之相關文獻探討。圖 1-3 是目前乾式腦波探針製作可行的技術，其中，為使探針在接觸腦頭皮的介面，能夠有很好的量測性能，所以探針的表面會經由一些製程技術，覆層一導電材料，使探針導電能力提高，以利於測得較為清晰的腦波訊號。圖 1-4 為侵入式乾式電極與濕式電極量測等效電路比較圖[8]，其中 SC 為皮膚角質層；SG 為下表皮層；Dermis 為真皮層，等效電路中，Cd 與 Rd 3.

(20) 分別代表電極與導電膠之間的等效電容與電阻，因在角質層上施加導電膠，導電膠會些微地滲入角質層之中，造成電容效應；RS 為導電膠阻抗；而 Ce 與 Re 則代表角質層的等效電容與電阻；真皮層的電阻則以 Ru 表示。利用侵入式乾式電極偵測，為探針直接碰觸下表皮層，因此僅有電極與下表皮層之間的電容 Cd 與電阻 Rd，因此於訊號量測時，侵入式乾式電極擁有較佳的訊號。. (a) Micro w-EDM (A) Electromachining. (b). Fiber laser Electroplanting. (c) UV-LIGA EEG probe. Coating. Evaporation. (a) MEMS. (B) Indirect Electromachining. (b). Sputtering 3D printing. (c) Vacuum casting. 圖 1-3 現階段乾式腦波探針製作方法. 圖 1-4 侵入式乾式電極與濕式電極量測之等效電路比較圖[8] 4.

(21) 1.2.1 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。. 5.

(22) (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]. 6.

(23) (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。. 7.

(24) (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]. 8.

(25) 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 9.

(26) 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。. 10.

(27) (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]. 11.

(28) Salvo(2012) 等人 [18] 利用 3D 列印 (3D-printing) 技術，採 RP(Rapid 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。. 12.

(29) (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]. 13.

(30) 1.2.2 放電加工技術成形精微探針及應用如第 1.2.1 節所述，現今生醫用途的探針，在製程方面，多以微機電技術、雷射加工技術、矽晶圓切割技術或 3D 快速原形技術等製作而成。回顧過去，在學術界及工業界，對精微探針的製作，除上述加工技術及腦波量測用途之外，亦有多人提出相關的技術及應用，如下所述。 Hu(2009)等人[21]以微光刻電鑄模造製程(Lithographie Galvanoformung Abformung, LIGA)結合精微放電加工技術成形微陣列探針，應用於晶圓偵測。其製程先於矽晶圓塗上一層較厚的 SU-8 光阻後，進行蝕刻顯影，再利用銅電鑄製程形成造型陣列微孔，製作流程如圖 1-19(a)所示；陣列造型微孔如圖 1-19(b)所示，後續將此造型微孔作為放電加工用電極，以鋼料為基材，以放電加工技術製作深寬比(Aspect-ratio)為 17.65 的陣列探針，如圖 1-20 所示。LIGA 製程雖可任意製作複雜造型微孔，但於此文獻中，需塗上大量厚度 SU-8 光阻及銅鑄層，以成形深孔造型，故製程時間較長。. (b) 陣列式造形微孔. (a) LIGA結合Micro-EDM製作流程. 圖 1-19 精微放電加工技術製作陣列式造形微孔[21]. 14.

(31) (a) 陣列微孔電極. (b) 陣列探針製作. 圖 1-20 精微放電加工技術製作陣列探針[21]. Zeng(2012)等人[22]，先以精微線切割放電加工技術製作 10×10 微陣列探針，如圖 1-21(a)所示，探針寬度 30µm；高度為 600µm，探針之間距離為 70µm，後續，將此陣列探針倒置，作為工具電極，以雕模放電加工技術製作陣列微孔，如圖 1-21(b)所示，可應用於汽車柴油引擎噴嘴。因放電加工會產生放電間隙，故單孔洞寬度約為 50µm，如圖 1-21(c)所示。利用此項製程技術，雖能快速製作陣列微孔，但製作微孔所需的電極，係採用線切割放電加工，因此，其製備過程耗時。. 15.

(32) (a) 10×10 微陣列電極. (b) 微陣列孔洞. (c) 微陣列孔洞放大圖. 圖 1-21 以微線切割放電加工技術製作 10×10 微陣列電極[22]. Yuangang(2009)等人[23]於精微雕模放電加工中，進行電極磨耗的探討。研究中，係採工具電極為陽極的設置，故可視為精修製程，因此，電極的磨損情形極為嚴重，如圖 1-22(a)所示。為改善磨耗情形，Yuangang 等人於銅電極(基材)外，鍍上一層二氧化鋯，並以銅作為結合劑，因二氧化鋯與銅 16.

(33) 的導電性相同，透過鍍層到基材的放電能促使熱能改變，也能提升電極硬度，使銅基材不易磨損，如圖 1-22(b)所示，後續進行放電加工後，驗證覆層二氧化鋯之電極具有較少的磨耗，如圖 1-23 所示。. (a) 工具電極磨耗情形. (b) 工具電極覆層二氧化鋯. 圖 1-22 放電加工之工具電極磨耗及改善方法[23]. (a) 放電加工後之電極磨耗比較. (b) 覆層二氧化鋯之實體電極. 圖 1-23 覆層二氧化鋯後之工具電極[23]. Maradia(2012)等人[24]將雕模放電加工的技術應用於中精微尺度工件的加工(Meso-micro machining)，係為工件面積介於10mm2~1mm2之加工，研究中提到，為改善電極磨耗，一般係採用多支電極將工件加工完成，如圖1-24(a)所示。而Maradia等人於放電加工前，係將電極先進行火花放電腐蝕(Spark erosion)，使電極表面因腐蝕而形成一氧化膜層，進而增加電極強 17.

(34) 度，研究結果，利用腐蝕後直徑0.8mm，長度18mm之工具電極，進行放電後，電極直徑磨耗量僅為20μm；長度磨耗量僅為30μm，如圖1-24(b)所示。. (a) 多支工具電極成形產品. (b) 放電腐蝕後之電極磨耗情形. 圖 1-24 放電加工之工具電極磨耗[24]. Klocke(2013)等人[25]利用不同種類的石墨電極，進行材料移除率及電極磨耗的探討，於放電加工中，Klocke等人發現放電電流顯著影響材料移除率，如圖1-25(a)所示，是因電流增強，使放電能量及材料移除率增加，因此，短時間內進行高頻的放電會增加材料移除率；此外，放電時間(Pulse duration)則顯著影響電極磨耗，如圖1-28(a)所示，但電極磨耗竟出現負值，則是因為在放電過程中，放電殘渣沉積於電極表面，而形成一層氧化膜，如圖1-25(b)所示。. (a) 放電電流與放電時間探討. (b) 放電殘渣沉積於電極上. 圖 1-25 放電加工之電極磨耗量與材料移除率探討[25] 18.

(35) 楊士緯(2013)等人[26]以精微線切割放電加工技術，於碳化鎢材料切割高深寬比微細探針，用於高深寬比的微細結構探測，如3D-IC電路的檢測。製作過程中搭配壓電陶瓷材料(Piezoelectric ceramic material)，以高頻振動 (High-frequency vibration)輔助精微線切割放電的加工方法，可幫助排渣並減少加工中二次放電的發生造成短路現象，壓電陶瓷的振動方向及放電殘渣排除機制如圖1-26所示，製作完成的10×10陣列探針如圖1-27(a)所示，尺寸為23×23×2,500μm的細長比高達104的精微陣列式探針，因此探針可應用於3D-IC電路的檢測，故後續亦將探針作造形設計，如圖1-27(b)所示，以提升探測時探針的撓性。. (a) 壓電材料振動方向示意圖. (b) 放電殘渣排除機制. 圖 1-26 壓電陶瓷振動方向與放電殘渣排除機制[26]. (a) 高細長比精微陣列探針製作. (b) 高細長比精微探針造型製作. 圖 1-27 高細長比精微探針[26] 19.

(36) 上述所列技術，某些需耗昂貴設備費用、或具腐蝕汙染的環保問題、或加工效率低，或局限於矽基材料使用。為快速且精密製作用於生醫檢測人類腦波訊號的「內皮層陣列腦波探針」，本研究提出一種複合式精微電加工法，以螺旋放電加工(火花腐蝕)與鍍銀技術，進行腦波探針的快速製作。透由精微放電加工的電極搖動與啄鑽運動，可獲致精確的金屬移除量，可快速製作內皮層腦波陣列探針。以微放電加工法製作腦波陣列探針，針體表面雖形成連續的粗糙放電坑，造成凹凸不平的表面，但此表面性狀恰能提供針體對腦部皮層組織足夠的摩擦力，使探針不易從檢測的皮層組織體中脫落，如此，便可獲得清晰的腦波訊號。. 1.2.3 腦波探針覆層之製法回顧 Matteucci(2007)等人[27]以微機電技術，製作中空式腦波探針，如圖 1-28(a)所示，探針高度約 400μm，製作後的中空及實體兩種微探針，於表面以蒸鍍法(Evaporation)鍍上厚度 50nm 金-鉑層增加導電度。中空探針目的為，量測過程中，可由中空處倒入食鹽水進行保濕，亦可降低量測阻抗，增加導電度，但相較於實體電極，此中空電極強度較差，插入體內量測時，探針容易斷裂，因此尺度採低深寬比(Low-aspect-ratio)，以防止電極發生斷裂。後續量測研究證實，為有效訊號，如圖 1-28(b)所示。. (a) 微陣列探針. (b) 腦波訊號波形比較. 圖 1-28 微機電技術製作微陣列探針[27] 20.

(37) Ng(2009)等人[28]，利用鑄造的方式大量生產陣列探針電極。實驗以矽橡膠模具對氨酯(PU)及環氧樹脂(Epoxy)進行真空澆鑄，因此電極用於醫學偵測腦電波圖，故於表面覆層 1μm 厚度的銀(Ag)及 0.2μm 厚度的金(Au)，如圖 1-29 所示，增加導電性，且此材質具生物相容性，覆層方式則利用濺鍍法(Sputtering)。透由電極尖端穿透人體皮膚的角質層，進行訊號量測。為獲得較硬的聚合物材料，實驗將不同量的碳添加到環氧樹脂，與原本的環氧樹脂進行測量和比較，實驗發現，添加高濃度的碳，雖可增加強度，但含碳量如過高會影響到材料多孔性之特性，影響澆鑄。最後選用混合固定碳量的環氧樹脂做為量測訊號端子。. (a) 微陣列探針. (b) 濺鍍銀與金之微陣列探針. 圖 1-29 真空壓鑄技術製作微陣列探針[28]. Chen(2013)等人[29]以微機電技術，製作侵入式微陣列電極，應用於腦波偵測，先使用刃寬150um鑽石刀於4吋矽晶圓上切割出高度200um及寬度 50um的陣列電極，再採用蝕刻方式成形，如圖1-30(a)所示，後續於電極表面覆層不同鍍層材質，進行量測訊號的比較，如圖1-30(b)所示，為金/鈦 (Au/Ti)及3,4-乙撐二氧噻吩單體(PEDOT)，其中，PEDOT為一導電聚合物，導電率極高，如利用旋塗或澆鑄成膜所得的PEDOT其電導率可達550S/cm；利用氣相聚合法所得的聚合物更高達1000S/cm以上，因此，最後實驗證實，覆層PEDOT導電聚合物的量測阻抗及頻率相位皆優於Au/Ti層，如圖1-31所 21.

(38) 示，但此材料礙於成本，因而不易獲得。. (a) 6×6mm2 微陣列電極. (b) 不同鍍層材質. 圖 1-30 微機電技術製作 PEDOT 鍍層微陣列電極[29]. (a) 量測阻抗比較. (b) 頻率相位比較. 圖 1-31 探針覆層 PEDOT 及 Au/Ti 之腦波訊號比較[29]. Yuan(2013)等人[30]使用聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS) 為彈性層，以微機電技術，製作具撓性之陣列腦波探針，如圖1-32(a)所示，每支探針末端分別銜接導電線，穿過PDMS層，連接至受測者皮膚。其中，為減少探針及皮膚之間阻抗，探針尖端設計為針狀；為使探針擁有較佳機械強度，探針材質選擇鎳(Ni)；為使探針與人體組織具生物相容性，將探針表面採電鍍方式，覆層厚度0.05μm的金(Au)，作為皮膚保護層。實驗證實，具撓性腦波探針，其波形訊號與市售濕式腦波探針相似，如圖1-32(b)所示。 22.

(39) (a) 具撓性微陣列探針. (b) 腦波訊號比較(波形近重疊). 圖 1-32 微機電技術製作撓性微陣列探針[30]. 綜觀第1.2.1及1.2.2節，文獻所提腦波探針的加工方法中，如精微線切割放電加工技術，雖可切割出形狀複雜及陣列探針，但製程效率較差；微機電及光刻技術模造製程技術，雖可大量製作陣列探針，且加工後表面極為平滑，但周邊化學藥劑繁雜，處理不易，且礙於光阻塗佈及電鑄厚度，故加工時間較長；雷射加工，其加工速度快、加工熱影響小，工件不易變形，但其周邊裝置成本過高；真空澆鑄亦可大量製作陣列探針，但尺寸精度不易控制；3D列印快速成形技術，可利用塑膠粉末進行堆疊，可成形任意造型，但製程效率極差。鑑此，本研究提出以複合電加工法高效率製作內皮層陣列腦波探針，以雕模放電加工製程與電鍍技術進行快速製作，其前置程序相對簡單，並有效提高導電度，利於腦波訊號偵測。綜觀第1.2.3節，文獻所提腦波探針之覆層材質，如厚度50nm金-鉑鍍層、 1μm厚度的銀混合0.2μm厚度的金鍍層及150nm的鈦鍍層等，其鍍層厚度皆較薄，可能是考量其加工成本，因不論是金、鉑或鈦，其材料成本都較高。而本研究則選用於所有金屬中，具最高傳熱及導電性的銀作為覆層內皮層陣列腦波探針的材料，並參考文獻中，以1μm作為內皮層陣列腦波探針的鍍層厚度。於腦波訊號量測時，可使探針表面的電導度有效提升。. 23.

(40) 1.3 研究動機人體腦波係為人體於活動時，腦部神經所產生的電磁訊號，研究者將此電磁訊號紀錄下來，則被稱作腦電波圖(Electroencephalography, EEG)。偵測人體腦電波圖的方式大致分為濕式電極(Ag-AgCl electrode)量測及乾式電極(Dry electrode)量測，濕式電極的概念在進行腦波量測前，須於頭皮塗上一層導電膠，如圖1-33(a)[31]及圖1-33(b)[32]所示，藉此增加頭皮及電極間的導電度，進而增強腦波訊號，但利用此方式，容易因導電膠蒸發硬化而為頭皮帶來損傷，也無法進行長時間的量測[33]。所以，乾式電極的應用，儼然成為被探討的新穎技術，如圖1-34所示[34-37]，因此種方式不需預先於頭皮塗上一層導電膠，利用此方式係將精微探針直接侵入至體內。而欲發展乾式電極首要面臨的課題，即是必須降低過大的皮膚-電極界面阻抗 (Skin-Electrode Impedance, SEI)，人體皮膚組織可分為表皮、真皮與皮下組織等三層，其中表皮層又可細分成角質層(Stratum Corneum, SC)與下表皮層 (Stratum Germinativum, SG)[38]，探針侵入體內量測時，會先碰觸到阻抗極高的角質層，所以探針高度必須能夠穿越皮膚中的角質層，進而到達下表皮層，並輕微碰觸真皮層組織(Dermis)，避免造成流血情況，使微細探針能夠刺穿皮膚，而受測者並不因此感到疼痛，且能夠有效量測到腦波訊號。. (a) 濕式電極[31]. (b) 導電膠於探針進行腦波量測[32]. 圖 1-33 一般腦波探針量測方式 24.

(41) 圖 1-34 腦波探針量測方式(乾式電極應用)[34-37]. 目前，乾式電極(針尖外徑100μm以內)之製造，多以「微機電系統技術 (Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)」製作之[38]。微機電系統技術侷限於矽基(Silicone)材料，並使用黃光微影(Photolithography)、蝕刻(Etching)、離子佈值(Doping)以及薄膜沈積(Deposition)等製程製成微細結構，對於形狀複雜的微結構，需複雜的製程及多種化學藥劑輔助，造成環境汙染且成本高，故微機電製程適於大量生產的製品，才能符合成本效益[39]。本研究聚焦於腦波訊號銜接端，即量測端子，針對腦波訊號的判讀，開發內皮層陣列腦波探針(Intra-cortical probe array)，進而強化量測端訊號。利用腦波訊號的擷取，透由不同的波形，進而判斷人體的生理訊號。一般此類生醫探針，多為濕式探針，係為體外接觸量測，量測前，為提高探針與頭皮間的導電度，需於頭皮塗上一層導電膠，此膠係為化學藥劑，易造成受測者的頭皮過敏，且前置處理程序較為繁瑣。鑑此，本研究提出以複合電加工法開發「內皮層陣列腦波探針」，其探針尖端為以極短的距離 (350µm)穿入高阻抗的頭皮角質層，而碰觸下表皮層，使腦波訊號能透由探針導出，故量測前不須於頭皮塗導電膠，程序相對簡便，因探針只插入頭皮的角質層，受測者不會有疼痛感覺，能使研究者能準確判讀此處訊號，利於各種監測。. 25.

(42) 1.4 研究目的雖乾式電極腦波探針概念早已被提出[40]，但至今仍卻無臨床或市面上流通販售，主要原因是無法克服過大的皮膚-電極界面阻抗[41]。本研究主要目的係規劃以精微電加工之製程技術，快速製作內皮層陣列腦波探針。並於製作前，設計出探針的大小直徑、高度、間距、幾何精度及表面粗糙度。開發完成的探針，並應用於腦波訊號的擷取與判讀實驗，再與市售之腦波電極作訊號強度、波形重現性、製成效率與成本效益比較。. 1.5 研究方法本研究為實現低成本及高效率製程，提出一種複合式精微電加工法 (Hybrid micro electro-machining)，以螺旋式(Spiral EDM)放電加工(火花腐蝕) 與鍍銀技術(Silver plating)，進行腦波探針製作，製作流程如圖 1-5 所示，實驗之初，將碳化鎢(Tungsten Carbide)電極，如圖 1-35 (a)，以複合式運動，包含電極自轉(Rotation)、啄鑽(Pecking)運動及行星搖動(Planetary motion) 的方式，如圖 1-35(b)。微細電極快速上下啄鑽運動，可迫使加工液因抽吸運動而獲得交換，並快速排渣；碳化鎢電極端部亦能獲致均勻放電，並減少錐孔發生，而於鉻銅(Cu-Cr)圓棒上製作出陣列式微孔，如圖 1-35(c)，再令此圓棒倒置作為加工電極，如圖 1-35(d)，並對黃銅(Brass)素材進行行星式的雕啄放電加工，如圖 1-35(e)及圖 1-35(f)，形成陣列式精微探針，如圖 1-35(g)及圖 1-35(h)。後續，將製作開發完成的探針，以電鍍技術將銀(Silver) 覆層於表面，以提升探針導電度，如圖 1-35(i)。最後，進行腦波訊號量測，如圖 1-35(j)[42]，以驗證此內皮層陣列腦波探針之可行性及其量測效能。. 26.

(43) 圖 1-35 本研究提出之「複合式精微電加工法」製作腦波探針流程. 27.

(44) 第二章實驗原理. 如第 1.2 節所述之各種製程特性，本研究為高效率成形內皮層陣列腦波探針，規劃先以精微雕模放電加工(Micro die sinking EDM)技術進行加工，再以電鍍法進行探針覆層，以提升腦波訊號強度。此外，因本研究所研製之內皮層陣列腦波探針，為侵入人體皮膚進行腦波量測，故此覆層材質需無害於人體皮膚組織，因此選用銀(Silver)作為探針的覆層材質。本研究所應用原理包含精微放電加工(Micro EDM)、精微線切割放電加工(Micro W-EDM)、電鍍(Electroplating)技術以及腦波電極圖(Electroencephalogram, EEG)相關概念。. 2.1 精微放電加工原理放電加工(Electrical Discharge Machining, EDM)係利用加工電極與工件間產生放電行為，精微放電加工亦是放電加工的應用，係指被加工物尺度小於 500µm 時，即為精微放電加工[43]，置於陰極的電極以常以銅為材料，陽極的工件置於絕緣加工液中，以煤油或去離子水當加工液，當電極與工件距離相互靠近達一臨界距離(Critical distance)時，形成放電電離通道，瞬間產生火花而得密度極高的電子流，陰極將電子射向陽極，並於流通處產生大量熱量，此時放電溫度高至 8,000°C 以上[44]，於短時間集中作用，導致陽極的工件熔融甚至汽化，材料得以去除。隨後，兩極間電壓下降、火花消失，用來產生放電小間隙內的介電液恢復極間絕緣，即可進行下一發的放電加工，放電機制如圖 2-1 所示。. 28.

(45) (a) 放電加工示意圖. (b) 放電加工之材料移除機制. 圖 2-1 放電加工原理[44]. 放電加工進行中，於兩極間產生電場，其電壓(𝑽)、電場強度(𝑬)與兩極間之距離(𝒅𝒘 )之關係如式 2-1 所示[45]： 𝑽 = 𝑬 ∙ 𝒅𝒘. (2-1). 由式 2-1 可得知，當兩極電壓固定時，兩極之間的距離愈靠近，則其電場強度逐漸增強，負極電子因電場的關係會受正極所吸引，而將電子射向陽極，其電子(q)所受之吸引力(Fn)與電場強度(E)之關係式如式 2-2 所示： 𝑭𝒏 = 𝒒 ∙ 𝑬. (2-2). 如圖 2-1(b)所示，由於當兩極間施加一電壓，加工液中陰極離子開始向電場聚集，由式 2-2 可知，當電場強度增加，則陰離子受正極吸引力愈強。精微雕模放電加工(Micro die-sinking electrical discharge machining)為放電加工之應用，放電原理如圖2-2所示[46]，一般應用於模仁及模穴加工，廣泛用於大量製造模具，以降低市場成本。本研究為製作高效率製作內皮層陣列探針，使用銅作為加工電極，利用精微雕模放電加工，進行複合式運動加工，以成形陣列探針。放電迴路常見為：(1)電晶體放電迴路(Transistor discharge circuit)；(2)電阻電容式放電迴路(Resistance-Capacitance discharge 29.

(46) circuit, RC circuit,)；(3)電晶體控制電阻電容式放電迴路(RC discharge circuit with transistor control)，表2-1為精微放電加工與一般雕模放電加工的特性比較[47]。電晶體放電迴路其放電能量較高，適合用於切除大量面積材料；電阻電容式放電迴路其迴路特性為，具高的電流峰值(Peak current)與短的放電脈衝時間(Pulse duration)，故放電能量較低，適用於加工微小工件；電晶體控制電阻電容式放電迴路則是以電晶體作為開關，用以控制電阻電容式迴路的電容充放電時間。. (a) 雕模放電加工示意圖[46]. (b) 雕模放電加工之材料移除機制. 圖 2-2 雕模放電加工原理. 表 2-1 精微放電加工與一般雕模放電加工的特性比較[47] 精微放電加工 (Micro EDM) 使用電阻-電容迴路迴路特性： 1. 小電源即可獲至高電流放電迴路峰值(Ip) 2. 脈衝寬度(τp)於 1µs 以下 3. 衝擊係數(D.F.)<0.05 4. 電流波形控制困難放電部位控制於電極底部放電加工型態創成加工電材料微細碳化鎢棒、銅放電比較. 30. 雕模放電加工 (Die sinking EDM) 使用電晶體迴路迴路特性： 1. 大電源方可獲致高電流峰值 2. 脈衝寬度約在 1µs 以上 3. 衝擊係數>0.5 4. 電流波型控制容易成形於電極側面或底部放電成形加工微細碳化鎢棒、銅、銅鎢.

(47) 表 2-1 精微放電加工與一般雕模放電加工的特性比較[47] 放電比較極形狀放電面積使用能量加工速度極間大小適用範圍. 精微放電加工 (Micro EDM) 單純化小低低數 µm 以下微小零件或微細模具製造. 雕模放電加工 (Die sinking EDM) 成型化大高高數 µm 以上一般大型雕模放電. 2.1.1 精微雕模放電加工機電源迴路本研究所使用的商用雕模放電加工機，其放電電源迴路 SVC 放電迴路，除本身電晶體迴路外，該放電迴路亦具 RC 放電的迴路特性，擁有高的電流峰值與窄的電流脈衝時間，因此能夠進行極微細加工，以提昇精加工的效率[48]。此外，與一般電源迴路不同的是，一般放電加工機於放電過程達一定時間後，容易發生集中放電的情況，此一現象會造成放電不穩定，使加工表面上之放電坑大小不一，影響表面粗糙度，如圖 2-3 所示[49]，然而， SVC 迴路能夠精準抑制此現象，因此，加工後成品具較佳的表面粗糙度，如圖 2-4(a)所示，並能提升加工效率，如圖 2-4(b)所示[50]，亦可減低電極磨耗。. 31.

(48) 圖 2-3 SVC 放電迴路之放電波形[49]. (a) 加工面積與表面粗糙度關係. (b) 表面粗糙度與加工速度關係. 圖 2-4 雕模放電加工機採用之 SVC 放電迴路探討[50]. 32.

(49) 2.2 精微線切割放電加工原理本研究為切割探針素材，因此採用精微線切割放電加工(Wire Electrical Discharge Machining, W-EDM)，不同於雕模放電加工，電極則以線電極呈現，常以銅線作為加工電極，一般用於難切削材料之外形切割，加工示意如圖 2-5(a)所示[51]，加工過程中，銅線以定速送線方式，由放線軸至收線軸持續汰換，以確保工件之加工精度。加工中須採用沖流機制，一般進行上下同時沖流或浸泡加沖流方式將放電殘渣排出，以防止放電殘渣沉積，使二次放電與短路機會的發生，造成尺寸精度誤差。. (a) 精微線切割放電加工示意[51]. (b) 精微線切割放電加工實況. 圖 2-5 精微線切割放電加工原理. 2.3 電鍍原理為提升內皮層陣列探針偵測訊號的導電度，以雕模放電加工開發完成的探針，本研究規劃於探針表面以電鍍方式，披覆一層導電材料，以便提高其電導度。電鍍(Electroplating)原理可以假設為陽極金屬溶解的獨特電解過程，主要是由陽極(Anode)、陰極(Cathode)、電源系統、電鍍液系統所組成，正極接於鍍物，負極接於被鍍物，是以電壓電流的方式使鍍物產生電解，而鍍於被鍍物的表面，其目的為改變金屬材料的表面特性或尺寸，其 33.

(50) 鍍厚一般可以達到數十 μm 至數 mm，電鍍過程中，兩極間保持一間距供電鍍液流動，使正極發生電解反應，如圖 2-6 所示[52]，。其中，鍍液種類、溫控管理、均勻流動性尤為重要，將影響鍍層厚度、被覆力、離子分佈均一性、硬度等。電鍍步驟依序分別為 (1)前處理(2)電鍍(3)後處理，其中，前處理製程一般包含脫脂、洗淨、酸鹼中和；後處理為洗淨及乾燥成品。. (a) 電鍍原理[52]. (b) 覆層前/後的腦波訊號強度比較. 圖 2-6 電鍍原理與電鍍後之腦波訊號效能比較. 以本研究銀電鍍系統為例，電鍍液中含氰化鉀(Kaliumsilbercyanid, KCN)，並存在帶有 2 價負電荷之金屬離子 Ag(CN)2-，在接受其兩等價數的電子 e+ 時，變成金屬原子 Ag，當金屬離子析出時，產生化學反應式[53]。陽極反應如下所示： Ag →Ag2+ + 2e-. (2-3). CN- + H2O →HCN + OH- (副反應). (2-4). 電鍍過程中，金屬原子在陰極析出，而陽極負責補充金屬離子。陰極會伴隨反應而產生氰化銀。陰極反應式如下所示： [Ag(CN)3]-2 →(AgCN) + 2CN34. (2-5).

(51) AgCN + e- →Ag + CN- (副反應). (2-6). 金屬離子自電鍍液中析出時，通入的電流量與析出的金屬量，須遵守法拉第電解定律(Faraday’s law)[54]。法拉第電解的定律為： (1) 第一定律：電解過程中，於電極所游離出之物質的質量與通過電解質之電量成正比。 (2) 第二定律：電解過程中，用相同之電量，其產生游離物質之質量與它們的化學當量成比例。本研究以電鍍製程對腦波探針進行覆層，根據電鍍公式如下[55]：. M. iTAη Z F. (2-7). 其中： F ：法拉第電量(9.6485×104 Coul/mole) M：電化學當量(g/Ah) I ：輸入的電流(安培) T ：電鍍時間(分鐘) η ：電流效率(%) A ：原子量 Z ：電荷數其電鍍析出的質量又等於下式： M  t a  . (2-8). 將公式(2-7)與(2-8)合併可得： 35.

(52) M. iTAη  t a ρ Z F. 令假設實驗參數數值：. K. A  Z F. 可得： M  t a    KiT. 經由移項可得：. (2-9). t K i    T ρ a. (2-10). 其中： t ：沉積厚度(μm) a ：電鍍面積(dm2) 𝝆 ：金屬密度(g/cm3) 𝒊 𝒂. = 𝑫𝒌 ：電流密度(A/dm2). * 1 dm = 10 cm = 100 mm. 36.

(53) 2.4 腦電波圖概論 2.4.1 人體腦部構造本研究測得之腦波訊號之前，為確定電極擺放位置，須認知人體腦部構造，以及各個部位與腦波訊號間的差異性。於文獻指出，人體大腦係由前額至後腦中，大致分為額葉(Frontal lobe)、頂葉(Parietal lobe)、枕葉 (Occipital lobe)及顳葉 (Temporal lobe)四個部分，如圖 2-7 所示[56]，其中額葉與推理、計畫、某些語言與運動，即運動皮質及情緒相關；頂葉與觸覺、壓力、溫度及疼痛相關；枕葉與視覺相關；而顳葉則與知覺、聽覺、刺激辨識及記憶相關[57]。. (a) 人體大腦示意. (b) 腦部區塊分佈. 圖 2-7 人體腦部構造[56]. 2.4.2 腦電波圖定義人體大腦皮質有垂直排列的錐體神經元(Pyramidal neurons)分布，神經元內的樹突和細胞體會於人體活動時產生局部的電位變化，即為人體生理電位，其中，由細胞本體及樹突之間去極化，所產生的電磁訊號[58]，此電波訊號能於腦部內皮層被紀錄到，即稱為腦電圖，根據文獻，人體細胞所產生電訊號約為數 mV，如以植入式電極於大腦皮層，所量測到的腦電波值 37.