精密低功耗：生物電勢信號鏈中的干電極挑戰(zhàn)

在上一篇博文中，我談到了在偏置測量輸入和管理CMRR性能時，雙電極和三電極解決方案之間的差異?，F(xiàn)在我想更多地關(guān)注電極本身。關(guān)于生物電勢測量，我多次聽到的一個問題是“傳感器是什么？我在我的第一篇博客中討論了生物電勢信號是如何產(chǎn)生的，以及可以用電極在皮膚上測量它們。這些電極充當體內(nèi)離子電流的換能器，可以像將金屬等導電材料放置在皮膚上一樣簡單。

事實上，我用過的第一個“電極”是兩把金屬剪刀！那是十多年前，我正在測試AD8232的第一個原型，這是第三篇博客中討論的AD8233的前身。有什么比在示波器上查看您自己的ECG信號更好的方法來檢查信號調(diào)理性能（當然，為了安全起見，隔離和電池供電）。我將兩根電線連接到評估板上，然后將這些電線短接到剪刀上。這使得在測量手部心電圖時更容易進行良好的接觸。最終，我升級到了一組用于運動器材的電極。您可以看到，在這種情況下，有 4 個電極（每只手 2 個）。頂部金屬片用于進行差分生物電位測量。底部的另外兩個用于偏置身體和/或右腿驅(qū)動，證明您可以在多個點執(zhí)行此操作。從電極返回的導線經(jīng)過屏蔽，以最大程度地減少干擾。

電極型號

那么我們?nèi)绾螌@些電極進行電建模呢？圖 2 顯示了一個示例模型，其中“E慧聰“是材料依賴的半電池電位，它是不同電解界面的結(jié)果。這與阻抗（Rd與Cd并聯(lián)）串聯(lián)，阻抗表示該位置的電極-皮膚界面和極化。這也與另一個電阻器（Rs）串聯(lián)，該電阻器考慮了其他因素，例如電極材料的電阻。

圖 2 – 生物電勢電極模型和測量溶液中的位置

當提到極化時，完全“不可極化”的電極的行為更像電阻器“Rd”。一個接近的例子是通常用于可能應用電解凝膠的醫(yī)療應用中的氯化銀（Ag/AgCl）電極。它們更適合測量，因為它們具有較低的接觸阻抗、更低的噪聲和更少的運動偽影。與其他材料相比，Ag/AgCl電極也具有較低的半電池電位，如下圖3所示。

完全“可極化”的電極表現(xiàn)得更像電容器“Cd”。一個很好的例子是鉑金。這些電極更適合刺激，通常具有更高的噪聲和更差的運動偽影。實際上，很難制造出純極化或不可極化的電極，因此總會有一些Rd與Cd并聯(lián)。

關(guān)于半電池電位的一個澄清是，這不是您在電極上差分測量的直流偏移。每個電極都有一個半電池電位，所以你測量的是它們之間的不匹配或差異。對于完美匹配的電極，半電池電位是共模電壓的一部分。此外，由于極化，當電流流過電極時，這種半電池電位會發(fā)生變化。這種變化量稱為過電位。

圖 3 – 各種材料的半電池電位表

管理干電極

在調(diào)試生物電勢信號鏈時，客戶最常遇到的問題之一通常又回到難以與干電極良好接觸。有時這只是辦公室里的一個人測試了它，似乎無法發(fā)出信號。干電極看起來更像是可極化的電極，可能需要一些時間才能穩(wěn)定下來，同時開始積聚非常少量的汗液。當信號輸出時遇到困難時，一個簡單的檢查是首先潤濕電極和/或皮膚（水或洗手液效果很好）。如果信號出現(xiàn)，則表明您正在處理聯(lián)系人問題。

許多因素可能導致接觸問題，應將其作為設計的一部分加以考慮：

電極的位置，包括任何頭發(fā)或干燥的皮膚（因人而異）

電極材料和與皮膚接觸的表面積（運動電極與尺寸較小的尺寸（如圖4所示的ADI VSM手表）之間存在巨大差異）

施加的壓力（如手腕上表帶的松緊度）

接觸電極的走線上的泄漏路徑（PCB上的助焊劑）

測量電路以及接觸電極的任何其他電路的輸入阻抗，例如導聯(lián)脫落檢測（例如，增加上拉/下拉電阻將改變輸入阻抗）

圖4 – 帶頂部和底部電極的ADI公司生命體征監(jiān)測（VSM）手表

審核編輯：郭婷