表面肌电图采集用柔性无创电极镀膜技术研究进展

一、引言

表面肌电图（surface Electromyography, sEMG）作为一种无创的肌肉电活动检测手段，在康复医学、运动科学、人机交互及神经工程等领域发挥着日益重要的作用。随着可穿戴医疗设备和柔性电子技术的快速发展，对sEMG采集电极的性能要求不断提高——不仅需要良好的导电性和信号保真度，更要求电极具备柔韧性、生物相容性以及长期佩戴的舒适性。

电极镀膜技术作为提升柔性电极性能的关键环节，直接决定着电极的导电性、接触阻抗、信噪比及使用寿命。近年来，围绕柔性sEMG电极的镀膜材料与工艺创新取得了显著进展，为高性能无创肌电信号采集提供了坚实的技术支撑。

二、柔性sEMG电极镀膜的技术要求

柔性sEMG电极的镀膜层需满足以下核心要求：

• 低接触阻抗。 电极-皮肤界面阻抗是影响信号质量的关键参数。低阻抗意味着更高的信号传输效率和更好的信噪比。研究表明，通过合理的镀膜材料选择和工艺优化，可有效降低界面阻抗。
• 高导电性与稳定性。 镀膜层需具备优异的导电性能，并在反复弯曲、拉伸等机械形变条件下保持电性能稳定。
• 良好的生物相容性。 作为与皮肤直接接触的器件，镀膜材料需无毒、无刺激，满足长期佩戴的生物安全性要求。
• 柔韧性与附着力。 镀膜层需与柔性基底牢固结合，在弯折、扭曲等动态使用场景中不脱落、不开裂。

三、主流镀膜材料及其特性

3.1 金属镀膜材料

金（Au）。 金因其优异的导电性、化学稳定性和生物相容性，成为柔性sEMG电极镀膜的优选材料之一。研究显示，在聚酰亚胺（PI）柔性基底上镀金（厚度约2μm）的电极具有较低的阻抗，能够获得稳定的基线和良好的sEMG信号。采用化学镀方法制备的金膜电极工艺简单、成本效益高，在常规实验条件下即可实现。

银（Ag）与银/氯化银（Ag/AgCl）。 银/氯化银是生物电位电极中最常见的材料体系，通常通过在银电极上电化学沉积一层薄薄的氯化银来实现。近年来，可拉伸的3D打印Ag/AgCl干电极墨水为柔性电极制造提供了新思路。此外，银包覆纤维电极通过构建三维多通道结构，在保证导电性的同时提升了柔韧性。

铜（Cu）。 铜具有良好的导电性和成本优势，常与金等材料复合使用。通过化学镀铜结合无损伤改性技术，可在PET等柔性基底上实现高效金属化。

3.2 碳基镀膜材料

碳纳米管（CNT）、石墨烯等碳基材料因其优异的导电性、机械柔性和轻质特性，在柔性sEMG电极领域备受关注。

东京工业大学开发了一种超薄导电性生物体电极，通过在弹性体薄膜上涂覆单层碳纳米管（SWCNT）纤维状导电材料形成纤维网状结构，其信噪比与市售凝胶电极相当。

石墨烯柔性电极可通过化学气相沉积（CVD）方法在铜箔表面沉积单层石墨烯，再经涂覆柔性高分子聚合物和刻蚀铜箔等步骤制备。单层石墨烯薄膜具有优秀的导电性和机械性能，可有效减少表面肌电信号的损耗和干扰。激光诱导多孔石墨烯电极的接触阻抗可低至约17kΩ（100Hz）。

3.3 导电聚合物镀膜材料

PEDOT:PSS。 聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）是目前研究最为广泛的导电聚合物之一。PEDOT:PSS涂层可将纺织电极的接触阻抗降低85%以上，同时抑制金属氧化。在三维微锥电极结构中，PEDOT:PSS涂层可将电极阻抗改善高达99.3%。PEDOT:PSS与MXene纳米复合涂层更是在可拉伸电子皮肤中展现出优异性能。

3.4 MXene等新兴二维材料

MXene（如Ti₃C₂Tₓ）是一类新兴的二维过渡金属碳/氮化物，兼具金属级导电性（可高达2000 S/m）和优异的溶液加工性能。基于MXene的柔性电极可实现无凝胶、高密度、高分辨率的表面肌电信号采集，在下一代柔性生物电极领域展现出巨大潜力。

四、典型镀膜工艺技术

4.1 柔性印刷工艺

柔性印刷工艺是制备sEMG电极阵列的成熟技术路线。该工艺以聚酰亚胺（PI）等柔性材料为载体，通过印刷方式在指定区域形成导电镀层。采用该工艺制备的电极阵列具有体积小、成本低、可批量生产等优势。电极载体材料厚度可薄至50μm，具有较高的机械柔性，能够适应各种弯曲的皮肤表面。

4.2 喷墨打印技术

喷墨打印作为一种增材制造技术，为柔性电极的快速原型制作和定制化设计提供了极大便利。研究人员通过在柔性Kapton®基材上喷墨打印银基油墨，成功制备了高密度sEMG电极矩阵，在分辨率、电阻和电极-皮肤接触阻抗方面均取得了良好的电学性能。

4.3 磁控溅射镀膜

磁控溅射是在真空环境下通过高能粒子轰击靶材，使靶材原子沉积在基底表面形成薄膜的技术。该方法可用于在柔性基底上制备均匀、致密的金属导电膜。通过在柔性微针电极阵列表面真空溅镀金属层，可获得质地均匀的电极镀层，工艺简单、成本低、易于批量生产。磁控溅射技术还可用于织物电极的金属化处理。

4.4 化学镀与电化学沉积

化学镀（无电沉积）和电化学沉积是制备金属镀膜的重要补充手段。化学镀金可在常规实验条件下实现金膜电极的制备，工艺简单且成本效益高。银/氯化银电极则通常通过电化学沉积方式在银电极表面形成氯化银薄层。

4.5 喷涂与涂覆工艺

喷涂工艺可将导电材料以薄膜形式直接沉积于柔性基底或甚至直接喷涂于皮肤表面。通过喷涂生物相容性二维纳米片墨水，可在体表形成共形范德华薄膜，实现低阻抗的生物电信号采集。导电聚合物PEDOT:PSS也可通过喷雾涂覆方式应用于三维多孔石墨烯电极。

五、镀膜技术的性能优化

5.1 降低接触阻抗

柔性sEMG电极的核心挑战在于降低电极-皮肤界面阻抗。研究表明，采用镀金工艺可将电极阻抗降至较低水平。通过PEDOT:PSS涂层修饰，纺织电极的接触阻抗可降低超过85%。基于化学镀铜和镀金工艺的3D打印干电极，在50Hz频率下的平均电极-皮肤阻抗可达66.7kΩ，与商用湿电极相当。

5.2 提升信噪比

信噪比（SNR）是衡量电极信号质量的核心指标。碳基材料在该方面表现突出——激光诱导石墨烯电极的信噪比可达48.659dB，还原氧化石墨烯（rGO）电极的信噪比可达16.8dB。

5.3 增强机械稳定性

柔性电极在反复形变条件下的性能稳定性至关重要。三层结构的柔性表面肌电电极（PDMS/银浆/纤维骨架）在1000次弯曲后电阻变化率小于3%，展现了优异的机械稳定性。

六、应用前景与展望

随着柔性电子、纳米材料和先进制造技术的交叉融合，sEMG柔性无创电极镀膜技术正朝着更高性能、更低成本、更舒适佩戴的方向快速发展。

• 高密度sEMG阵列。 镀膜技术的进步使得高密度电极阵列的制备成为可能，为肌肉活动的高清时空信息采集提供了硬件基础。
• 长期可穿戴监测。 柔性干电极无需导电凝胶，避免了传统湿电极脱水、皮肤刺激等问题，适用于长期连续监测场景。
• 智能化人机交互。 基于共形干电极阵列的可穿戴sEMG系统已实现手势识别的实时分类，识别准确率可达97%以上。

未来，随着新型镀膜材料（如MXene、导电聚合物复合材料）的不断涌现以及镀膜工艺（如卷对卷印刷、大面积喷涂）的持续优化，柔性无创sEMG电极有望在智慧医疗、运动康复、虚拟现实交互等领域发挥更加重要的作用。

七、先进院（深圳）科技有限公司：引领柔性电极镀膜技术创新

先进院（深圳）科技有限公司（以下简称“先进院科技”）成立于2016年，是一家专注于屏蔽材料、绝缘材料、导热材料及贵金属镀膜的高新技术企业。公司拥有自主注册商标“研铂”，在深圳及东莞设有生产基地，已通过ISO9001质量管理体系认证，产品符合GJB 773A相关军用标准及RoHS环保要求。

在柔性电极镀膜领域，先进院科技以金属镀层技术为核心，开发出镀银、镀金、镀铂三类柔性基材镀膜解决方案。公司自主建成了磁控溅射与真空蒸镀卷对卷生产线，可在PI（聚酰亚胺）、PET、FEP等多种柔性高分子薄膜表面连续沉积金属层，具备镀层均匀、附着力强、支持规模化供货等工艺优势。针对金属与高分子基材结合力不足的难题，公司开发了等离子体预处理工艺，有效改善基材与金属层之间的结合强度；在镀金工艺中采用无氰镀金技术，兼顾环保与安全性。

先进院科技推出的皮表可拉伸柔性电极产品系列，采用弹性体基底与高导电功能层的复合结构，能够紧密贴合人体曲线，在运动、肌肉收缩等动态环境中持续采集高质量的sEMG信号。公司掌握碳纳米管、石墨烯、PEDOT:PSS、银纳米线、MXene等多元导电功能层材料体系，可根据不同应用场景灵活定制电极方案。此外，公司研发的研铂牌系列铂电极浆料以卓越的导电性能、超凡的生物相容性和稳定的长期工作能力，为生物电极应用提供了高性能材料支撑。

从柔性基材贵金属镀膜到生物电极浆料，从皮表可拉伸电极到神经探针镀层解决方案，先进院科技持续推动柔性无创电极镀膜技术的创新与产业化。未来，公司将继续深耕柔性电子材料领域，为表面肌电采集、可穿戴健康监测、脑机接口等前沿应用提供高性能、高可靠性的核心元件与解决方案。

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