CN110200627B - 一种有源高密度电极阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种有源高密度电极阵列及其制备方法，涉及电极阵列技术领域，该有源高密度电极阵列包括多个有源电极单元，且有源电极单元是采用金属氧化物薄膜晶体管的光刻技术，将电极和有源放大电路集成在柔性有源电极基底上形成的；所有有源电极单元采用矩阵式纵横排布方式组成有源高密度电极阵列，且有源高密度电极阵列的行数和列数相同。本发明能够将信号进行初步放大后再进行传输，改善信号传输过程中噪声的问题，提高信号质量。同时，该有源高密度电极阵列采用阵列排布方式，实现多通道的采集。

Description

一种有源高密度电极阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及电极阵列技术领域，特别是涉及一种有源高密度电极阵列及其制备方法。

背景技术

现有电极基本都是无源湿电极，其电极通道少(呈现为单个通道或者线性通道)，使用过程中处理麻烦、寿命短。

另外，无源湿电极在采集的过程中，由于人体的表面肌电信号十分的微弱，容易引入电噪声(主要来源有运动伪迹、空间电磁波干扰等)。如果电极是刚性的，会导致电极与表面皮肤的相对移动很大，测量不准确。如果电极是无源的，采集到的小信号在传输过程中会受空间电磁波干扰进而导致信号质量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种有源高密度电极阵列及其制备方法，能够实现多通道采集，且改善信号传输过程中噪声的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种有源高密度电极阵列，包括多个有源电极单元，且每个所述有源电极单元上均包含一个有源放大电路和一个电极；所有所述有源电极单元采用矩阵式纵横排布方式组成有源高密度电极阵列，且所述有源高密度电极阵列的行数和列数相同。

可选的，所述有源电极单元为一体结构，所述有源电极单元是采用金属氧化物薄膜晶体管的光刻技术，将电极和有源放大电路集成在柔性有源电极基底上形成的；其中，所述电极位于所述有源放大电路之上。

可选的，所述有源电极单元中的电极的形状为圆形，所述电极的直径为2mm，相邻所述电极的间距为3mm至5mm。

可选的，所述电极的表面为半圆形突出结构。

可选的，所述柔性有源电极基底为柔性聚酰亚胺薄膜基底；所述柔性有源电极基底从下至上依次包括聚酰亚胺薄膜层和缓冲层；其中，所述缓冲层包括300nm的氮化硅层和200nm的二氧化硅层。

可选的，所述有源高密度电极阵列为8*8电极阵列，其中，所述有源放大电路的个数为64个，所述电极的个数为64个。

可选的，所述有源放大电路包括放大器件、负载器件、交直流整合电容、交直流整合电阻以及截止电容；其中，所述放大器件和所述负载器件均为薄膜晶体管；所述交直流整合电容和所述交直流整合电阻并联组成交直流耦合电路；所述交直流整合电容与所述电极连接；

所述放大器件的漏极与所述负载器件的源极连接，所述放大器件的漏极作为所述有源放大电路的输出端，所述放大器件的栅极与所述直流耦合电路连接；所述放大器件的源极与所述截止电容并联接地；所述负载器件的栅极、漏极均与外界电源连接。

可选的，所述放大器件和所述负载器件均是由栅极层、绝缘层、有源层、刻蚀保护层以及源漏电极SD层从下往上依次堆叠组成；其中，所述放大器件为采用底栅结构的铟镓锌氧化物薄膜晶体管；所述负载器件为二极管连接形式的铟镓锌氧化物薄膜晶体管。

可选的，所述交直流整合电容的一端与所述电极连接，所述交直流整合电容的另一端与所述交直流整合电阻的一端连接，所述交直流整合电阻的另一端与外界电源连接。

一种有源高密度电极阵列的制备方法，包括：

第一步，柔性有源电极基底的制备；具体包括：

首先，在玻璃基底上旋涂聚酰亚胺试剂；其次，根据设定的退火温度对旋涂有聚酰亚胺试剂的玻璃基底进行处理；然后，采用等离子体增强化学的气相沉积工艺，在退火处理后的基底上制备由氮化硅和二氧化硅组成的缓冲层，得到柔性有源电极基底；

第二步，有源放大电路的制备；具体包括：

首先，通过溅射工艺在柔性有源电极基底上制备栅极层、截止电容下极板，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺在所述栅极层上制备绝缘层，通过溅射工艺在所述绝缘层制备有源层，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺在所述有源层上制备刻蚀保护层，通过溅射工艺在所述刻蚀保护层上制备源漏电极SD层、交直流整合电阻、交直流整合电容下极板、截止电容上极板；通过掩模板设计与干刻穿孔技术，将放大器件的漏极与负载器件的源极相接，将放大器件的栅极与由交直流整合电容下极板和交直流整合电阻并联组成的直流耦合电路连接，将放大器件的源极与截止电容并联接地，将负载器件的栅极、漏极均与外界电源连接，形成有源放大电路；

第三步，制备有源电极单元，具体包括：

首先，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺在有源放大电路覆盖水氧隔离保护层以防止有源放大电路受外界环境的影响；其次，在所述水氧隔离保护层进行干刻工艺，将所有有源放大电路单元的源极、漏极、栅极及输出端打孔；然后，通过溅射工艺在所述水氧隔离保护层上制备铜膜，并通过钼铝刻蚀液在所述铜膜上刻蚀出所需电极、电线、交直流整合电容上极板，最终得到完整的有源电极阵列；

第四步，再次通过等离子体增强化学的气相沉积工艺将刚刚刻蚀完的铜膜图案覆盖以防止电极受外界环境的影响；最后，通过干刻工艺，将所有电极与输出端打孔露出，并将有源电极从玻璃剥离，至此柔性有源高密度电极阵列完成。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明引入制备金属氧化物薄膜晶体管工艺的光刻技术，在柔性有源电极基底上制备有源放大电路及电极，且一个电极对应一个有源放大电路，将信号进行初步放大后再进行传输，改善信号传输过程中噪声的问题，提高信号质量。同时，整个有源电极厚度在2～3微米，轻薄透明柔性的同时功耗也低(微瓦量级)。另外，在设计工艺掩模板的时候采用阵列方案，实现多通道的采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例有源高密度电极阵列制备工艺所用掩模示意图；

图2为本发明实施例有源高密度电极阵列的截面示意图；

图3为本发明实施例有源放大电路原理图；

图4为本发明实施例柔性有源电极基底的结构示意图；

图5为本发明实施例有源放大电路的结构示意图；

图6为本发明实施例有源电极单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种有源高密度电极阵列及其制备方法，能够实现多通道采集，且改善信号传输过程中噪声的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

sEMG：表面肌电信号，是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要信息。

实施例一

本实施例提供的有源高密度电极阵列采用矩阵式纵横排布方式，将64个有源放大电路及64个电极排列成如图1所示的结构。后期，通过后续处理软件实现不同的空间滤波方式，比如常见的纵向单/双差分，横向单/双差分，双差分等等。同时，本实施例提供的有源高密度电极阵列采用8*8的电极阵列，由于采集通道的增加，对于分析不同复杂程度肌肉的表面肌电信号提供有利帮助。其中，8*8排列的圆形图案是采集肌电信号的电极。

如图2所示，本实施例提供的有源电极单元是将电极与有源放大电路集成在柔性有源电极基底上形成的。优选地，柔性有源电极基底为柔性聚酰亚胺薄膜(PI)基底。所有有源电极单元的制备工艺均采用的是金属氧化物薄膜晶体管(TFT)的光刻技术，经过溅射、旋涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀等基础工艺制备完成，且制备的有源放大电路尺寸精度高。同时，由于有源电极单元是基于柔性聚酰亚胺薄膜基底，其具有优良的耐高低温性、电气绝缘性、粘结性、耐辐射性、优异的机械性能，能在很大的温度范围内长期使用，所以最终得到的有源高密度电极阵列柔性好、轻薄、便于贴附弯曲的肌体表面，在柔性电子方面具有十分广阔的应用前景。

在本实施例中，电极的形状为圆形，直径为2mm。其主要是因为在垂直于肌纤维方向上电极尺寸的增加可以降低阻抗；在沿肌纤维方向，电极尺寸的增加对sEMG信号有积分效应，可以降低其高频成份。优选地，该电极的表面可以为半圆形突出结构，有利降低了接触阻抗。

在本实施例中，电极的间距为3mm至4mm。当采用两个电极的差分值时，由于每一个电极都是肌肉产生电位的叠加，因此具有不同的幅值与相位。两个电极间的距离决定了差值大小，即决定了所采集的肌电信号，为了获取合适的MUAP空间分辨率，也就是在平行肌纤维与垂直肌纤维两个方向上电极的密度都必需足够高，以满足奈奎斯特采样定理，其最大间距为5mm。为了使用的广泛性，考虑到小块肌肉的电极间距不能过大，通常间距为3mm至4mm。

在本实施例中，电极的材料为铜。铜具有高导电性、化学性质稳定等优点。在柔性方面，其电阻率随不同的弯曲角度增加率只在1％至5％，同时使用寿命也相对较长。

本实施例是将有源放大电路和电极通过光刻工艺集成起来。如图3所示。有源放大电路包括放大器件(即第一薄膜晶体管(TFT)，该第一薄膜晶体管(TFT)为采用底栅结构的铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管T1)、负载器件(即第二薄膜晶体管，该第二薄膜晶体管为二极管连接形式的铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管T2)、交直流整合电容C1、交直流整合电阻(氧化铟锡ITO)R1以及截止电容C2。交直流整合电容C1和交直流整合电阻R1并联组成交直流耦合电路，交直流整合电容C1与电极连接，即交直流整合电容C1的一端与电极连接，交直流整合电容C1的另一端与交直流整合电阻R1的一端连接，交直流整合电阻R1的另一端与外界电源连接。

放大器件的漏极与负载器件的源极连接，放大器件的栅极与直流耦合电路连接；放大器件的源极与截止电容C2并联接地；负载器件的栅极、漏极均与外界电源连接。

基于共源放大器原理，放大器件与负载器件串联，在放大器件的漏端可得放大的肌电信号，并在放大器件的栅端集成一个交直流耦合电路，以保证第一薄膜晶体管偏置在正确的静态工作点及能使采集的肌电信号作用在放大器件的栅端。具体为：

第一薄膜晶体管、第二薄膜晶体管由栅极层(Mo、ITO)、绝缘层(SiNx、SiO2)、有源层(IGZO)、刻蚀保护层(SiO2)、源漏电极SD层(Mo、ITO)由下往上依次堆叠完成。其中，通过干刻工艺将刻蚀保护层打通孔以保证源漏电极SD层与有源层的连接。截止电容C2能有效的阻隔高频信号，它的上下极板在第一薄膜晶体管的制备过程中制成，上下极板分别对应第一薄膜晶体管的栅极层和源漏电极SD层，并将绝缘层和刻蚀保护层作为截止电容C2的介电层。交直流整合电阻R1在制备源漏电极SD层的过程中完成，并通过干刻工艺将其与栅极层连接起来。在放大器件的上层再制备一层水氧隔离层(SiO2)将其保护起来，并在上面铺设铜线以完成电路的供电线及外设接口。在这过程中，交直流整合电容C1的上极板和铜电极完成。交直流整合电容C1的下极板在制备源漏电极SD层的过程中完成，其以水氧隔离层作为自己的介电层，最终完成整个交直流整合电容C1制备。最后，再铺设一层保护层(SiO2)将排线也保护起来，并通过干刻工艺将电极与相关焊盘露出。整个有源电极单元制备于柔性有源电极基底上，具有透明、稳定、低温制备、高电学性能等优点。电路中元件(电容、电阻)的制备融合于TFT工艺，大大的简化了制备过程。

本发明提供的有源高密度电极阵列使用寿命较长、使用方便，内置电路受弯曲影响小，能将肌电信号初步放大15至20dB。

实施例二

本实施例提供的有源高密度电极阵列的制备方法包括如下几个步骤：

第一步，柔性有源电极基底的制备。

如图4所示的柔性聚酰亚胺薄膜基底的结构示意图，工艺步骤大致如下：在洗净的玻璃基底1上旋涂PI试剂，设置转速500RPM(30s)。之后进行如下的退火步骤：80℃(30min)——100℃(60min)——200℃(60min)——300℃(30min)——400℃(10min)进行退火处理，再自然降温至室温。为了保证聚酰亚胺薄膜层2上其它薄膜的附着性，再通过等离子体增强化学的气相沉积制备由300nm的SiNx和200nm的SiO2组成的缓冲层3。至此，平整透明的柔性聚酰亚胺薄膜基底制备完成。

第二步，有源放大电路的制备。

如图5所示的有源放大电路的结构示意图，制备放大器件的电学性能约为：开关比10^8、迁移率10～25cm2/vs、亚阈值摆幅200～250mV/dec、阈值电压1～2V。第一薄膜晶体管的宽长比为18：1，第二薄膜晶体管的宽长比为1：3。交直流整合电容C1(315pf±8％)和交直流整合电阻R1(1kΩ±5％)将第一薄膜晶体管的静态工作电压与肌电电压耦合成一路信号加在第一薄膜晶体管的栅端，并在第一薄膜晶体管的漏端输出放大15至20dB左右的肌电信号。截止电容C2(20.9pf±5％)则将高于1kHz的信号截止，有效去除高频信号。放大后的信号受空间电磁波的影响会大大降低。基于此设计如下工艺流程，主要包括以下步骤：

(1)将柔性有源电极基底用等离子水进行清洗后进行溅射工艺。首先通过溅射工艺制备由150nmMo和50nm ITO组成的栅极层4、5作为第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管的栅极层。接着通过涂光刻胶、掩模板曝光、显影、铝腐蚀液与草酸分别刻蚀Mo、ITO来形成最终所需的电路图案。

(2)在栅极层上，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺制备由300nmSiNx与50nmSiO2组成的绝缘层6。

(3)在绝缘层6上，通过溅射工艺制备厚度为60nm有源层7。接着通过涂光刻胶、掩模板曝光、显影、草酸刻蚀来形成所需图案。

(4)在制备源漏电极SD层的过程前，为了防止有源层7被刻蚀液损坏。先通过等离子体增强化学的气相沉积工艺，在有源层7上制备由200nmSiO2组成的刻蚀保护层8。

(5)接着通过干刻工艺将所需穿孔位置打孔进行后续的电路连接。

(6)采用栅极制备工艺，在刻蚀保护层8上制备源漏电极SD层的两端9，即源端和漏端，并且通过掩模板的设计，在这一步将第二薄膜晶体管源端(在电路中等效于一个量级在兆欧的电阻)与第一薄膜晶体管的漏端相接以形成最基础的共源放大电路；图5中4块电极从左往右依次对应第二薄膜晶体管漏端，第二薄膜晶体管源端，第一薄膜晶体管源端(接地)，交直流整合电容C1的下极板。这里截止电容C2也制备完毕，但在图5中不便标出。制备及连接方法前文已述。

(7)最后在电路上面制备一层由200nmSiO2组成的水氧隔离保护层10，以防止器件受外界环境的影响。

第三步，在有源放大电路的基础上再制备电极。如图6所示，主要包括如下步骤：

(1)在水氧隔离保护层10进行干刻工艺，将每个有源放大电路的源极、漏极、栅极及输出端打孔。

(2)通过溅射工艺将厚度为200nm Cu薄膜11制备在水氧隔离保护层10之上。并通过钼铝刻蚀液刻蚀出所需电路形状。其中，交直流整合电容C1的上极板在此工序中完成。Cu薄膜11从左向右依次为Vdd供电线、信号输出线、地线、第一薄膜晶体管栅极驱动线和交直流整合电容C1的上极板及有源电极。

(3)同有源放大电路的水氧隔离保护层10一样的制备工艺，制备保护电路排线的保护层12。

(4)再经干刻工艺将电极与焊盘打孔露出。

第四步：将制备出的有源电极从玻璃基底上剥离，最终形成柔性有源高密度电极阵列。

通过四大步骤，有源高密度电极阵列制备完成。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1.采用不同的掩模板可以很方便的制备不同类型的电极片以适应不同部位肌肉的测试。

2.本发明所述的有源高密度电极阵列基于当前先进的柔性聚酰亚胺薄膜基底技术。基底平整、其上制备的器件性能优良、柔性高并且总厚度在三四微米，能完美贴合人体表面，大大减小电极与皮肤的阻抗。

3.电极基于薄膜晶体管技术。将薄膜晶体管技术应用于电路的设计，能将微小肌电信号初步放大10至20dB，再经过电线传播至下一单元，明显降低噪声，提升肌电信号质量。

4.有源高密度电极阵列采用光刻工艺，电路精度高至3微米，制备的薄膜晶体管的迁移率(10～25cm2/V.S)远高于其他类型薄膜晶体管，且各项电学性能良好。制备的电阻、电容误差范围不超过8％，同时制备环境友好；其中，制备环境为低温低压。

5.本发明所述的有源高密度电极阵列密度高，通道数大大增加。通过软件处理可以提高滤波的效果，同时合理的电极排布、大小、间距都显著增加了信号质量，提升了信号的可靠性。

6.铜电极材料阻抗低，噪声低，可以获得稳定的响应。通过溅射工艺制备完成并通过光刻工艺能实现任意形状及厚度，且制备出的铜薄膜性能优良，对信号的采集具有很大的帮助。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种有源高密度电极阵列，其特征在于，所述有源高密度电极阵列包括多个有源电极单元，且每个所述有源电极单元上均包含一个有源放大电路和一个电极；所有所述有源电极单元采用矩阵式纵横排布方式组成有源高密度电极阵列，且所述有源高密度电极阵列的行数和列数相同；

所述有源放大电路包括放大器件、负载器件、交直流整合电容、交直流整合电阻以及截止电容；其中，所述放大器件和所述负载器件均为薄膜晶体管；所述交直流整合电容和所述交直流整合电阻并联组成交直流耦合电路；所述交直流整合电容与所述电极连接；

所述放大器件的漏极与所述负载器件的源极连接，所述放大器件的漏极作为所述有源放大电路的输出端，所述放大器件的栅极与所述直流耦合电路连接；所述放大器件的源极与所述截止电容并联接地；所述负载器件的栅极、漏极均与外界电源连接。

2.根据权利要求1所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述有源电极单元为一体结构，所述有源电极单元是采用金属氧化物薄膜晶体管的光刻技术，将电极和有源放大电路集成在柔性有源电极基底上形成的；其中，所述电极位于所述有源放大电路之上。

3.根据权利要求1所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述有源电极单元中的电极的形状为圆形，所述电极的直径为2mm，相邻所述电极的间距为3mm至5mm。

4.根据权利要求1所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述电极的表面为半圆形突出结构。

5.根据权利要求2所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述柔性有源电极基底为柔性聚酰亚胺薄膜基底；所述柔性有源电极基底从下至上依次包括聚酰亚胺薄膜层和缓冲层；其中，所述缓冲层包括300nm的氮化硅层和200nm的二氧化硅层。

6.根据权利要求1所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述有源高密度电极阵列为8*8电极阵列，其中，所述有源放大电路的个数为64个，所述电极的个数为64个。

7.根据权利要求1所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述放大器件和所述负载器件均是由栅极层、绝缘层、有源层、刻蚀保护层以及源漏电极SD层从下往上依次堆叠组成；其中，所述放大器件为采用底栅结构的铟镓锌氧化物薄膜晶体管；所述负载器件为二极管连接形式的铟镓锌氧化物薄膜晶体管。

8.根据权利要求1所述的有源高密度电极阵列，其特征在于，所述交直流整合电容的一端与所述电极连接，所述交直流整合电容的另一端与所述交直流整合电阻的一端连接，所述交直流整合电阻的另一端与外界电源连接。

9.一种有源高密度电极阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

第一步，柔性有源电极基底的制备；具体包括：

首先，在玻璃基底上旋涂聚酰亚胺试剂；其次，根据设定的退火温度对旋涂有聚酰亚胺试剂的玻璃基底进行处理；然后，采用等离子体增强化学的气相沉积工艺，在退火处理后的基底上制备由氮化硅和二氧化硅组成的缓冲层，得到柔性有源电极基底；

第二步，有源放大电路的制备；具体包括：

首先，通过溅射工艺在柔性有源电极基底上制备栅极层、截止电容下极板，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺在所述栅极层上制备绝缘层，通过溅射工艺在所述绝缘层制备有源层，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺在所述有源层上制备刻蚀保护层，通过溅射工艺在所述刻蚀保护层上制备源漏电极SD层、交直流整合电阻、交直流整合电容下极板、截止电容上极板；通过掩模板设计与干刻穿孔技术，将放大器件的漏极与负载器件的源极相接，将放大器件的栅极与由交直流整合电容下极板和交直流整合电阻并联组成的直流耦合电路连接，将放大器件的源极与截止电容并联接地，将负载器件的栅极、漏极均与外界电源连接，形成有源放大电路；

第三步，制备有源电极单元，具体包括：

首先，通过等离子体增强化学的气相沉积工艺在有源放大电路覆盖水氧隔离保护层以防止有源放大电路受外界环境的影响；其次，在所述水氧隔离保护层进行干刻工艺，将所有有源放大电路单元的源极、漏极、栅极及输出端打孔；然后，通过溅射工艺在所述水氧隔离保护层上制备铜膜，并通过钼铝刻蚀液在所述铜膜上刻蚀出所需电极、电线、交直流整合电容上极板，最终得到完整的有源电极阵列；

第四步，再次通过等离子体增强化学的气相沉积工艺将刚刚刻蚀完的铜膜图案覆盖以防止电极受外界环境的影响；最后，通过干刻工艺，将所有电极与输出端打孔露出，并将有源电极从玻璃剥离，至此柔性有源高密度电极阵列完成。

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