游奕欣、李思儒、鄭椿霖／工研院材化所
隨著物聯網科技的發展，穿戴式裝置成了其中一門重要的應用開發領域。顧名思義，穿戴式裝置是穿戴在人體身上的一種配件，為了穿戴舒適與屏除異物感，其所接觸人體皮膚部分之穿戴式裝置電極（傳感器）的材料需求已朝向軟性、可撓、可水洗、具生物相容性等多方面發展。然而人體的膚電訊號，如腦波訊號(EEG)、心電圖(ECG)、肌電訊號(EMG)等多屬於弱電訊號，因此量測皮膚電訊號之電極皆有低阻抗特性之要求。
傳統與皮膚接觸的電極為了維持良好的低阻抗與軟式、服貼之特性，大部分應用了導電膠技術來貼合皮膚，形成所謂的濕式電極，如氯化銀貼片電極、腦波打膠式電極等。這些濕電極的效果雖然不錯，但皮膚沾上膠水，使用後必須花費洗淨、擦拭處理等功夫，對於日常使用的穿戴式裝置便利性而言是嚴重不足的，且對於裝置之推廣也相當的不利。因此，開發具彈性、低阻抗之乾式電極之需求也就應運而生，許多乾式電極之研究開發案也如雨後春筍般蓬勃發展。然而其中關鍵性的電極材料，才是決定電極好壞的重要因素。本文對市面上常見之量測膚電的電極進行電性測試比較，也針對工研院材化所開發之軟性電極，進行量測拉伸狀態時的電性測試。
【內文精選】
穿戴式裝置電極簡介與乾濕式電極比較
就目前穿戴式裝置的電極（傳感器）(Electrodes/Sensors)演進而言，可分為非量測膚電式與量測膚電式電極兩類。如Apple Watch是以手錶為標的的穿戴式裝置，其所使用的是非量測膚電式電極，整體電極構造是使用綠色LED照射皮膚血管，搭配感光的光電二極體偵測特定時間流經手腕的血液量。心臟跳動時，手腕血流量（和綠光吸收量）會增加，而在心跳之間的空檔，手腕血流量會減少；其LED每秒會閃爍數百次，藉此計算每分鐘的心跳次數，甚至可推演出心電圖(ECG)。除此之外，量測運動時配置在人體四肢的穿戴式加速度計、陀螺儀等，也是屬於非量測膚電式電極。人體四肢運動資訊，可藉由加速度計與陀螺儀數據轉化成科學化運動數據，進一步提供訓練參考。而近期崛起之智慧衣，主要功能為量測人體心電訊號，其電極屬於量測膚電式電極。置放於胸部的心電訊號量測已是一項非常準確的技術，然智慧衣因為是環繞胸部的緊迫衣物設計，穿戴起來並不十分舒服，因此有些心電穿戴式裝置傾向於採用胸部貼片電極(Patch)的方式來量測訊號，目前已經有多家製造商投入智慧型貼片電極的設計，以監測各種重要的參數。
由於人體的膚電訊號微小，量測膚電式電極需要低阻抗材料，才能有比較低雜訊的數據。因此乾式量測膚電式電極在開發初期，會使用多為硬件且無法彎折形變的金屬材料（阻抗低）。但硬件電極長期接觸皮膚會有嚴重的異物感，因此用於長時間接觸人體皮膚的膚電式電極目前仍然以濕式的電極貼片為主。濕式的電極貼片除了廣泛被應用在醫療儀器上，也被用於復健之電刺激裝置上。此種電極表面摻雜導電凝膠，雖然目前的電極貼片已是廣泛使用的市售產品，但是它存在相當多待改進的爭議，許多研究單位都積極想要開發新的電極材料(Electrode Material)與貼片來克服問題。
表一為目前乾式與濕式膚電電極的優缺點比較表。乾式膚電電極與濕式膚電電極都有其優缺點。考量長時間與重複性使用，對於穿戴式裝置而言，選用…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表一、乾式與濕式膚電電極的優缺點比較表
三種膚電電極之電性評估
許多膚電式量測電極，通常處於開發階段，取得不易。因此我們找了市面上兩種常見販售之電極，與工研院材料與化工研究所開發之銀矽膠電極做電性比較。藉此得知新開發的電極若量產後是否有競爭性。電極之片電阻、訊號衰減等電性比對測試說明如下…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、量測訊號強度與訊號衰減
★本文節錄自《工業材料雜誌》412期，更多資料請見下方附檔。