TWI549653B

TWI549653B - 一種探針陣列與其製造方法

Info

Publication number: TWI549653B
Application number: TW104102820A
Authority: TW
Inventors: 陳順同; 朱麒宇; 陳元裕
Original assignee: 國立臺灣師範大學
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201626948A

Description

一種探針陣列與其製造方法

本發明提供一種探針陣列與其製造方法，更明確的說，是關於一種可用於人體訊號探測的一種探針陣列與其製造方法。

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。針對人體訊號的量測與訊號取得，習知技術多以體外量測及侵入式(Invasive)或植入式(Implantable)方法進行探討。體外量測係在量測用的電極上，塗佈一層導電膠再貼附於皮膚上以形成一種濕式探針。雖然導電膠可以提升介面導電性，但是待導電膠乾掉之後反而會傷害皮膚，且無法進行長時間量測。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。

習知技術中已有利用微機電技術，製作倒鉤狀乾式腦電波電極。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。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。習知技術另有以光纖雷射(Fiber laser)加工法製作陣列微細紅銅(Red copper)探針，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。雷射加工的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。此外，利用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。而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。

但上述所列習知技術，仍具有需耗昂貴設備費用、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等亟需改進之缺點。

因應上述問題，本發明透由精微放電加工方式的螺旋式放電加工提供一種探針陣列，其包含一基材以及至少一探針。基材具有一上表面，而探針具有一尖端部，且一體成型地形成於基材之上表面。其中，探針之尖端部之外徑係介於30至50μm之間，以及探針之長度係介於110μm至350μm之間。其中探針之側表面之算術平均粗糙度得為Ra 2.9μm。

本發明另基於精微放電加工方式的螺旋式放電加工提供一種探針陣列的製造方法，包含以下步驟：(S1)準備一第一基材與一第二基材；(S2)在該第一基材之一上表面上加工以形成一陣列微孔；(S3)以具有該陣列微孔之該第一基材做為一電極對該第二基材進行放電加工；以及(S4)切割經放電加工後之該第二基材，以形成一具有複數個探針之探針陣列。其中每一探針具有一尖端部，該尖端部之外徑係介於30至50μm之間，以及每一探針之長度係介於110μm至350μm之間。

相較於習知技術，本發明基於精微放電加工方式的螺旋式放電加工提供一種探針陣列與其製造方法，進行探針的快速製作。透由精微放電加工，可獲致精確的金屬移除量，可快速製作探針陣列。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，也無需塗佈導電膠。如此，便可獲得清晰的人體訊號。

1‧‧‧探針陣列

12‧‧‧探針

14‧‧‧基材

20‧‧‧第一基材

22‧‧‧陣列微孔

30‧‧‧第二基材

A‧‧‧第一運動方向

B‧‧‧第二運動方向

C‧‧‧第三運動方向

D‧‧‧底部外徑

E‧‧‧加工電極

G‧‧‧放電間隙

L‧‧‧長度

P‧‧‧減吋量(總成形量)

R‧‧‧底部圓角

S‧‧‧搖動量

T1‧‧‧基材上表面

T2‧‧‧第一基材上表面

d‧‧‧尖端部外徑

r‧‧‧尖端部圓角

圖一與圖二係為本發明之探針陣列的電子顯微鏡照片。

圖三係繪製了本發明之探針陣列之一探針結構示意圖。

圖四與圖五係分別繪製了本發明之探針陣列製造方法之一加工動作示意圖。

圖六A與圖六B係繪製了本發明之探針陣列製造方法之加工參數示意圖。

本說明書僅對本發明之必要元件作出陳述，且僅係用於說明本發明其中之可能之實施例，然而說明書之記述應不侷限本發明所主張之技術本質的權利範圍。除非於說明書有明確地排除其可能，否則本發明並不侷限於特定方法、流程、功能或手段。

此外亦應瞭解的是，目前所述僅係本發明可能之實施例，在本發明之實施或測試中，可使用與本說明書所述裝置或系統相類似或等效之任何方法、流程、功能或手段。除非有另外定義，否則本說明書所用之所有技術及科學術語，皆具有與熟習本發明所屬技術領域者通常所瞭解的意義相同之意義。本說明書目前所述者僅係實例方法、流程及其相關資料。然而在本發明之實際使用時，其可使用與本說明書所述方法及材料相類似或等效之任何方法及手段。

再者，本說明書中所提及之一數目以上或以下，係包含數目本身。且應瞭解的是，本說明書揭示執行所揭示功能之某些方法、流程，存在多種可執行相同功能之與所揭示結構有關之結構，且上述之結構通常可達成相同結果。

請參閱圖一至圖三，圖一至圖二係為本發明之探針陣列的電子顯微鏡照片。圖三係繪製了本發明之探針陣列之一探針結構示意圖。本發明提供一種探針陣列1，其包含一基材10以及至少一探針12。基材10具有一上表面T1，而探針12具有一尖端部，且一體成型地形成於基材10之上表面T1。

其中，探針之尖端部之外徑d係介於30至50μm之間，以及探針之長度L係介於110μm至350μm之間。於本發明之一實施例，作為人體訊號探測用探針時，針對探針10高度的定義，須考量人體皮膚組織形態而設計。人體皮膚由外至內分為厚度5~10μm的角質層；50~100μm的下表皮層以及真皮層，因此，探針12高度必須大於100μm，使探針12能夠穿過阻抗極高的角質層，並碰觸擁有神經的真皮層，故設計上至少要有110μm 的高度，但由於人體頭髮亦具相對厚度，會造成探針12不容易侵入至皮膚內，因此本發明的探針12之高度選擇介於110μm至350μm之間。

另外，本發明探針陣列1之探針12，其量測方式為侵入皮膚組織進行，因此，探針12尖端外徑必須微小化，以降低侵入時的疼痛感。一般用於人體訊號探測的探針尖端外徑介於30~100μm之間，而於本發明中透由測試，若探針12外徑小於30μm，探針因過於微細，易發生斷裂；若探針12外徑於100μm以上的情況下，易使受測者感到疼痛，不利量測，故本發明選用探針12尖端外徑介於30至50μm之間作為探針12的設計，且最佳實施例為探針12尖端外徑為50μm。

其中探針12之側表面之算術平均粗糙度得為Ra 2.9μm。於本發明之一實施例，作為人體訊號探測用探針時，為了避免在探針陣列上塗佈導電膠，且希望能進行長時間量測人體訊號時，如何使探針能夠妥當的固定在受測體的表面，例如人類皮膚，就成為一大問題。而本發明提供的探針陣列1則利用探針12的側表面，讓探針12的側表面具有一粗糙度，使之在侵入受測體時能夠穩固的嵌住皮下組織而不易脫落。經過實驗探討，本發明將探針12之側表面之算術平均粗糙度之最佳實施例為Ra 2.9μm。

由於人體電訊號強度隨探針尖端與神經間的距離而變化，因此探針12必須接近待測神經細胞，利於獲致較大的人體訊號，而為了降低侵入時對皮膚組織造成傷害，本發明製作尖形錐狀探針12以利於侵入皮下組織量測。此外，錐狀探針的設計方式，能增強探針12本身的強度，於訊號量測時，不易發生斷裂情形，而為考量探針12侵入皮膚時的疼痛感，探針12外徑須小於100μm，因此，本發明探針陣列1之探針12的底部外徑選擇為100μm，搭配最佳實施例的針尖外徑為50μm，得使本發明之探針12的錐率為1/7。

本發明探針陣列1之探針12除了尖端部之外，另具有一底部。而本發明探針陣列1之探針12的圓角設計分為兩部分，分別為探針12尖端部圓角r及底部圓角R，分別為r=2μm，及R=50μm。尖端圓角r設計的目的為減少侵入皮膚時的阻力，避免受測者感到不適；而底部圓角R設計的目的為增強探針強度，防止彎曲或斷裂。本發明擷取人體訊號的方式，係透由一感測器收集單顆探針12的神經訊號，再由一控制器傳遞至一後級處理系統，進行波形辨識。因此，本發明將探針12設計為陣列式，並等距離排列，避免探針12間距不同，影響訊號偵測強度。而本發明設計探針12間距介於500μm至600μm之間，而探針12間距的最佳實施例係為550μm。

接著請參閱圖四至圖五，圖四與圖五係分別繪製了本發明之探針陣列製造方法之一加工動作示意圖。本發明基於一種精微放電加工方式提供一種探針陣列的製造方法，包含以下步驟：(S1)準備一第一基材與一第二基材；(S2)在該第一基材之一上表面上加工以形成一陣列微孔；(S3)以具有該陣列微孔之該第一基材做為一電極對該第二基材進行放電加工；以及(S4)切割經放電加工後之該第二基材，以形成一具有複數個探針之探針陣列。

請先參閱圖四。先進行步驟(S1)準備第一基材20與第二基材30；(S2)在第一基材20之上表面T2上加工以形成陣列微孔22。其中圖四與圖五皆僅用來輔助解釋加工動作，並未依照比例繪示實際加工情形。如圖四所示，一加工電極E在第一基材20之上表面T2上進行螺旋式放電加工 (Spiral EDM)，以加工出至少一陣列微孔22。其中第一基材20得為一鉻銅圓棒。螺旋式放電加工(Spiral EDM)包含了三種加工動作：加工電極E沿著一第一運動方向A進行的啄鑽(Pecking)加工程序；加工電極E沿著一第二運動方向B進行的行星運動(Planetary Motion)加工程序；以及加工電極E沿著一第三運動方向C進行的自轉(Rotation)加工程序。其中第一運動方向A係一上下運動，且藉由加工電極E的上下運動，可迫使一加工液因抽吸運動而獲得交換，並快速排渣；加工電極E沿著第三運動方向C進行的自轉使加工電極E的端部能獲致均勻放電，並減少陣列微孔22內發生有錐孔的產生，於第一基材20上製作陣列微孔。製作過程中，加工電極E沿著第二運動方向B進行行星式運動，此運動使加工電極E產生有一加工電極E搖動量。

請參閱圖六A與圖六B，圖六A與圖六B係繪製了本發明之探針陣列製造方法之加工參數示意圖。加工電極E搖動量得以式1與圖六A與圖六B表示，其中，S為搖動量；P為減吋量(總成形量)；G為放電間隙。藉由以上參數的設計，加工電極E沿著第二運動方向B進行行星式運動進行放電加工時，得以促使放電殘渣排出，減少二次放電的情形發生。相較於未加入行星式運動的放電加工，更因為促使放電殘渣排出而縮短加工時間。

S=P-G 式1

接著請參閱圖五，接著進行步驟(S3)以具有陣列微孔22之第一基材20做為一電極對第二基材30進行放電加工；以及(S4)切割經放電加工後之第二基材30，以形成具有複數個探針12之探針陣列1。如圖五所示，結束步驟(S1)、(S2)之後，第一基材20之上表面T2上以具有至少一個陣列微孔22，而陣列微孔22的排列方式則由使用者自行定義。接著，將第一基材20倒置，使上表面T2的陣列微孔22面對第二基材30，並沿著第一運動方向A進行啄鑽(Pecking)，與第二運動方向B進行行星運動(Planetary Motion)，來對第二基材30進行放電加工。其中，加工電極E藉由第一運動方向A的上下運動時，可迫使一加工液因抽吸運動而獲得交換，並快速排渣；加工電極E沿著第二運動方向B進行行星式運動時，得以促使放電殘渣排出，減少二次放電的情形發生。相較於未加入行星式運動的放電加工，更因為促使放電殘渣排出而縮短加工時間。

步驟(S3)完成後，可進行步驟(S4)從第二基材30中將形成有複數個探針12之探針陣列1的部分切下。再進一步進行步驟(S5)：電鍍一金屬層於該探針陣列。或是先進行步驟(S5)，在形成有複數個探針12之探針陣列1的第二基材30上先鍍上一層金屬層，再將探針陣列1切下。其中，可利用線切割放電加工的方式進行步驟(S4)，而步驟(S5)的目的在於提升探針陣列1的導電性。

綜上所述，本發明提供一種探針陣列與其製造方法。藉由螺旋式放電加工將一第一基材製造成一具有至少一個陣列微孔的電極，再利用該電及對一第二基材進行放電加工，以製備成具有一基材以及至少一探針的探針陣列。其中，探針具有一尖端部，尖端部之外徑係介於30至50μm之間，以及探針之長度係介於110μm至350μm之間。

以上較佳具體實施例之詳述，俾利清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露之較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，而本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。