本文作者：陈敏兰（飞秒激光从业者）

脑机接口，brain-computer interface，英文缩写BCI。

从词语结构，可以看出有两个主体：大脑、计算机。而接口，可以理解为大脑和计算机技术的交互。比如，瘫痪的病人利用该项技术，可以通过意念去操控机械手臂，从而实现倒水、打字等本身无法完成的动作。

脑机接口技术是一项前沿、热门的研究领域，在生物医疗、脑科学研究、航空航天等领域具有重要的价值。

而电极是脑机接口的重要组成，是脑机接口技术实现的关键部件，是连接电子设备和生物神经系统的传感器，是沟通大脑和电脑的桥梁与纽带。因此，破解微纳尺度的脑电极加工奥秘，是打开脑机接口技术的月光宝盒。

1、脑机接口电极有哪些？

（1）从接触方式或程度来看，可以分为：非侵入式、半侵入式和侵入式。

非侵式，是指通过头皮穿戴设备记录大脑的神经活动。常见的有脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）等。其优点是成本较低，没有创伤风险，缺点是所能采集的信息量有限，有点类似于单机操作。

半侵入式，是指通过将电极植入头皮下、贴合硬脑膜，但不仅如此大脑皮层的技术。如皮层脑电图（ECoG）。

侵入式，是指通过外科手术将微电极阵列植入大脑内部，如皮层或皮层下方，实时记录大脑神经群体活动信号。这是脑机接口技术中最能直接获取大脑内部信息的方式，其信号质量高、精度佳。

从这一分类方式可以推断，脑机接口所使用的电极，其制造尺寸较小、厚度较薄，此外，这一微型电极的加工端面需平整光滑，否则很容易在植入后让身体产生排异反应。而小尺寸，薄料的减材加工，正是飞秒激光所擅长的，它利用高峰值功率和短脉冲宽度特点，可实现高精度、无毛刺的精密加工。飞秒激光，是当前微纳加工的一项重要加工技术。

（2）从电极材料和特性来看，可以分为：刚性电极、柔性电极。

刚性电极：在过去的脑机接口电极的制造中，主要是以钨、金、合金等刚性材料和半导体材料为主。刚性电极存在一定的局限性，比如容易增加生物排异性，此外，组装过程复杂，难以精确控制刚性电极对准，这也会对生物组织与电极之间信号传输的质量和效率产生影响。

柔性电极：柔性有机材料，不仅可以保证电气性能，还可以避免刚性材料的不足，如柔性材料可以增强电极的生物相容性和机械柔顺性，扩大了神经电极界面材料的选择范围。柔性电极主要有薄膜电极、微丝电极等。

从这一角度可以看到，脑机接口电极对于材料的拓展性是比较强的，其中可能会涉及很多传统加工工艺较难实现的精细加工，如高分子薄膜等热敏性材料。飞秒激光的核心优势，是对材料的无限制性，同时具有极小的热影响，因此可以很好解决未来柔性电极更多材料的探索。

2、微电极的制造技术有哪些？

据说目前主流的有两种，一种是微丝电极，一种是半导体衬底的硅电极。

那么他们是怎么制造得到的呢？

微机电系统（MEMS）技术，可用于高密度电极阵列加工，其原理是在硅晶圆或柔性聚合物基底上，旋涂光刻胶，通过掩膜版进行紫外曝光，将电极的微观图形转移到基片上。该技术目前已被部分医疗企业应用，如阶梯医疗将启动建设医疗级MEMS（微机电系统）电极加工平台，重点解决瘫痪、失语等疾病患者的临床难题。

虽然MEMS工艺加工的电极精度极高，但也存在局限性，如需配合掩膜板，整套工艺步骤较多、产线初期投入成本大，此外，产线所需的工作环境要求也比较高，运营维护成本大。

飞秒激光作为一种无材料限制性，且精度远高于传统加工工艺的柔性制造技术，为脑机电极的精密加工带来更多的“解题思路”。

飞秒激光的减材加工，主要是三大方向：微孔、刻蚀、切割，均有可能应用于脑机电极的制造。如：

（1）微孔：飞秒激光对于材料具有无限制的特点，因此对于脑电极材料的多层叠加结构，也可以加工微米级微孔，深径比10:1内，可匹配电气互连设计的需求。

（2）刻蚀：飞秒激光可以加工金属薄膜，而不损伤底部的柔性聚合物基材，线条刻蚀宽度最小可达5μm，精度最高可达±1μm。这完美符合各类电极导线和焊盘图案的加工要求。

（3）切割：飞秒激光在切割方面，可以保证切割断面光滑无毛刺，因此可以完成晶圆片上局部柔性电极阵列的切割，且做到较高的精度、良好的切割质量。

3、飞秒激光有哪些优势？

与MEMS相比，飞秒激光加工似乎更适合脑机接口电极的设计和研发工作，因为其具有如下特点：

（1）飞秒激光可以直接刻蚀图案，利用激光瞬时能量使得材料气化去除，形成精密图形，无需掩模版，因此设计、验证的周期更短，成本更低。

（2）飞秒激光可加工任意固体材料，无材料限制性，如传统的刚性电极材料金、钨等，还有半导体材料硅，以及各种柔性聚合物，均可以加工。

4、结语

脑机接口技术为何可以引起大家的关注？

一方面是其发展和我们的医疗健康息息相关，另一方面是其应用范围很广，将来或许可以应用于国防军事、娱乐、教育等生活的方方面面。

因此，了解电极的加工技术，做好电极的研发工作，才能稳扎稳打，不断推动脑机接口技术的落地。