精密低功耗：生物电势信号链中的干电极挑战

在上一篇博文中，我谈到了在偏置测量输入和管理cmrr性能时，双电极和三电极解决方案之间的差异。现在我想更多地关注电极本身。关于生物电势测量，我多次听到的一个问题是“传感器是什么？我在我的第一篇博客中讨论了生物电势信号是如何产生的，以及可以用电极在皮肤上测量它们。这些电极充当体内离子电流的换能器，可以像将金属等导电材料放置在皮肤上一样简单。
事实上，我用过的第一个“电极”是两把金属剪刀！那是十多年前，我正在测试ad8232的第一个原型，这是第三篇博客中讨论的ad8233的前身。有什么比在示波器上查看您自己的ecg信号更好的方法来检查信号调理性能（当然，为了安全起见，隔离和电池供电）。我将两根电线连接到评估板上，然后将这些电线短接到剪刀上。这使得在测量手部心电图时更容易进行良好的接触。最终，我升级到了一组用于运动器材的电极。您可以看到，在这种情况下，有 4 个电极（每只手 2 个）。顶部金属片用于进行差分生物电位测量。底部的另外两个用于偏置身体和/或右腿驱动，证明您可以在多个点执行此操作。从电极返回的导线经过屏蔽，以最大程度地减少干扰。
电极型号
那么我们如何对这些电极进行电建模呢？图 2 显示了一个示例模型，其中“e慧聪“是材料依赖的半电池电位，它是不同电解界面的结果。这与阻抗（rd与cd并联）串联，阻抗表示该位置的电极-皮肤界面和极化。这也与另一个电阻器（rs）串联，该电阻器考虑了其他因素，例如电极材料的电阻。
图 2 – 生物电势电极模型和测量溶液中的位置
当提到极化时，完全“不可极化”的电极的行为更像电阻器“rd”。一个接近的例子是通常用于可能应用电解凝胶的医疗应用中的氯化银（ag/agcl）电极。它们更适合测量，因为它们具有较低的接触阻抗、更低的噪声和更少的运动伪影。与其他材料相比，ag/agcl电极也具有较低的半电池电位，如下图3所示。
完全“可极化”的电极表现得更像电容器“cd”。一个很好的例子是铂金。这些电极更适合刺激，通常具有更高的噪声和更差的运动伪影。实际上，很难制造出纯极化或不可极化的电极，因此总会有一些rd与cd并联。
关于半电池电位的一个澄清是，这不是您在电极上差分测量的直流偏移。每个电极都有一个半电池电位，所以你测量的是它们之间的不匹配或差异。对于完美匹配的电极，半电池电位是共模电压的一部分。此外，由于极化，当电流流过电极时，这种半电池电位会发生变化。这种变化量称为过电位。
图 3 – 各种材料的半电池电位表
管理干电极
在调试生物电势信号链时，客户最常遇到的问题之一通常又回到难以与干电极良好接触。有时这只是办公室里的一个人测试了它，似乎无法发出信号。干电极看起来更像是可极化的电极，可能需要一些时间才能稳定下来，同时开始积聚非常少量的汗液。当信号输出时遇到困难时，一个简单的检查是首先润湿电极和/或皮肤（水或洗手液效果很好）。如果信号出现，则表明您正在处理联系人问题。
许多因素可能导致接触问题，应将其作为设计的一部分加以考虑：
电极的位置，包括任何头发或干燥的皮肤（因人而异）
电极材料和与皮肤接触的表面积（运动电极与尺寸较小的尺寸（如图4所示的adi vsm手表）之间存在巨大差异）
施加的压力（如手腕上表带的松紧度）
接触电极的走线上的泄漏路径（pcb上的助焊剂）
测量电路以及接触电极的任何其他电路的输入阻抗，例如导联脱落检测（例如，增加上拉/下拉电阻将改变输入阻抗）
图4 – 带顶部和底部电极的adi公司生命体征监测（vsm）手表