CN101194831A - 自粘电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自粘电极及其制备方法。提供用于非侵入地附着到皮肤的一部分的自粘传感器(34)。该传感器(34)包括生物相容的基板(38)和耦合到生物相容的基板(38)并配置成自粘到皮肤的固体纳米电极阵列(36)。还提供了用于附着到皮肤(82)的一部分的传感器(80)，其中传感器(80)包括配置成自粘到皮肤(82)的固体电极阵列(86)，其中每一固体电极(86)包括杆(88)和从杆(88)延伸出的一个或多个凸出物(90)，其中杆(88)和凸出物(90)是实心的。杆(88)包括控制固体电极(86)渗入皮肤(82)中的程度的机械停止器(94)。该传感器还包括沉积于一个或多个固体电极(86)上的电解质涂层。

Description

自粘电极及其制备方法
技术领域
本发明通常涉及健康护理应用，以及更具体地涉及在医疗监测中的传感器。
背景技术
各种医疗过程必须对患者进行持续监测。例如，当患者不能照顾他们自身时，可使用各种监测设备(例如，通过远程监测)来对患者进行监测以确保他们的良好状态。这种监测可适于卧床患者或者还适于可移动的患者。上述装置可监测换气、氧合作用、新陈代谢、血液循环、心电图(ECG)以及脑电图(EEG)。ECG装置监测心脏的活动，而EEG装置监测大脑的活动。ECG和EEG都采用能够从身体内的相应器官获取电信号的传感器。这些电信号通常是低水平的。例如，来自心脏的电信号是大约0.5毫伏到2毫伏，而来自大脑的信号是几百微伏。因此，希望具有最适宜的皮肤配制品和电极放置以避免弱化在皮肤-电极界面处的这些信号和避免获取在皮肤-电极界面处的这些信号的赝象(artifact)。对于良好的信号采集来说，希望在传感器和皮肤之间具有良好接触。在传感器和皮肤之间不能具有良好的或连续的接触可导致信号损失。此外，不能牢固地将传感器连接到皮肤可能在信号中产生赝象。这些赝象可导致系统产生错误的命令或延迟分析。
在传统的传感器中，使用粘性材料来将电极耦合到皮肤。依赖于应用，粘合剂可在形状和粘着强度上变化。如在此所使用的，术语“粘着强度”指的是粘性材料的“粘性”，并且是粘着强度的度量。对于短期ECG记录(几秒)来说，由于在该短期阶段中患者通常会是静态的，因此电极可以是更小的，并且不需要采用高强度的粘合剂。但是，用来将电极耦合到皮肤的诸如粘胶的粘性材料在记录过程中会干掉。因此，技师需要连续监测，并且如果需要的话，修正任何的电极位错。对于长期的记录来说，电极更可能受到由拖拉、推撞、无意的刮擦、衣物更换导致的干扰。在这些干扰过程中，电极可无意地从皮肤脱离，并且使用相同的粘性材料再次将电极耦合到皮肤不可能具有希望的效果。此外，电极的突然脱离会伤到患者。粘性材料还可导致皮疹或其它的皮肤炎症。例如，在新生儿应用中，将传感器最好地从新生儿的较嫩皮肤去除而不伤害到皮肤是困难的。
因此，希望具有一种传感器，其可容易耦合到皮肤并容易从皮肤去除，并且对于延长的时间段来说其配置成附着到皮肤。
发明内容
在示范性实施例中，提供适于非侵入地附着到皮肤的一部分的自粘传感器。该传感器包括生物相容的基板，以及耦合到该生物相容的基板并配置成自粘到皮肤的固体纳米电极阵列。
在另一示范性实施例中，提供用于附着到皮肤的一部分的传感器。该传感器包括配置成自粘到皮肤的固体电极阵列，其中每一固体结构包括杆和从该杆延伸出的一个或多个凸出物，其中所述杆和凸出物都是实心的。所述杆包括用于控制固体电极渗透到皮肤中的程度的机械停止器。该传感器进一步包括设置于一个或多个固体结构上的电解质涂层。
在另一示范性实施例中，提供了将传感器非侵入地耦合到皮肤的一部分的方法。该方法包括提供一种传感器，该传感器包括生物相容的基板，以及配置成自粘到皮肤的固体纳米电极阵列，其中所述固体纳米电极耦合到基板。该方法进一步包括通过相对于皮肤表面按压传感器来耦合该传感器，使得一个或多个纳米电极的至少一部分与皮肤表面啮合。
在另一示范性实施例中，提供将传感器阵列耦合到皮肤的一部分的方法。该方法包括提供传感器阵列。该传感器阵列包括配置成自粘到皮肤的固体结构阵列，其中每一固体结构包括杆和从该杆延伸出的一个或多个凸出物，其中所述杆和凸出物都是实心的，并且其中所述杆包括机械停止器以便控制固体结构渗透到皮肤中的量。该传感器阵列进一步包括设置于一个或多个固体结构上的电解质涂层。该方法进一步包括相对于皮肤表面按压传感器阵列，使得固体结构的远端啮合皮肤表面，同时机械停止器位于皮肤的外表面上。
附图说明
当参照附图阅读下述的详细说明时，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优势，其中在整个附图中类似的标记代表类似的部分，其中：
图1是采用本发明的传感器的实施例的人体的一部分的示意图；
图2是本发明的传感器系统的实施例的示意图；
图3是根据本发明的实施例的自粘非侵入耦合的传感器的截面图；
图4-6是根据本发明的一个或多个实施例的在用于制备图3所示的传感器的本发明的典范方法中涉及的各步骤的示意图；
图7是根据本发明的实施例的自粘固体电极的透视图；
图8是根据本发明的实施例的采用自粘传感器的皮肤的一部分的透视图；
图9-12示出根据本发明的实施例的采用不同构造的凸出物和表面纹理的固体电极的实施例；
图13-17示出根据本发明的实施例的采用不同机械停止器的固体电极的实施例；
图18是根据本发明的实施例的制备固体电极的典范方法的示意图；
图19是根据一个或多个实施例的制备具有不同截面的固体电极的典范方法的示意图；以及
图20是根据一个或多个实施例的在用于制备自粘非侵入耦合的复合电极的本发明典范方法中涉及的各步骤的示意图。
具体实施方式
在各种环境下都可能会需要监测患者。对于身体不同功能的监测使用多种途径来完成。一些监测可以是非侵入性的，例如，通过体外监测血压来监测血液循环。然而采用皮肤传感器来估计/预测器官功能。例如，可采用皮肤传感器来监测心脏和大脑的功能。
心电图(ECG)是用于监测心脏活动的技术。心脏是具有电场的肌肉，电场具有电流。通过将电极放置到皮肤上可探测心脏的电活动。可在放置于人体上的一对或多对电极之间测量ECG信号。每对电极包括处于电连通的相反极性的两个电极。通过将电极定位于不同的位置，临床医生可监测心脏电活动的不同图象。通常，上述测量在负电极到正电极的方向上进行。负电极和正电极设置于身体上的不同位置。此外，可应用一对以上的电极来获取ECG信号。在示范性实施例中，通过将负电极设置于右臂上以及将正电极设置于左臂上来采用一对电极。
图1示出采用两对电极12和18的人体10的一部分。对12包括采用于右肩上的负电极14以及采用于左肩上的正电极16。第二对18包括采用于躯干右侧上的负电极20以及采用于躯干左侧上的正电极22。依赖于这些电极在身体上的位置，ECG信号可具有不同的形状和幅度。此外，也可采用还称为参考电极的第三电极。参考电极可维持于中间位置并用来降低电干扰。当电脉冲传导通过心脏的不同部分时，ECG测量和记录上述电脉冲。如上所述，由心脏产生的电信号是弱的，并因而需要皮肤和采用电极的传感器之间的良好接触。
可使用脑电图(EEG)来监测大脑活动。当神经细胞彼此相通时，其传送电脉冲。EEG测量大脑皮层也就是大脑表面层的自然产生的电活动。类似于ECG，EEG也作为两个电极之间的电压差来测量。为了连接采用粘性材料的电极，首先将死细胞和油脂从皮肤表面去除以促进粘着。也可使用导电凝胶或糊剂来改善皮肤和电极之间的接触。图2示出用于进行ECG测量的装配。传感器24固定到人28的前额26。由传感器24捕获的信号非常低；因此采用放大器30来增强信号。然后使用处理器32来处理信号并显示信号。
在一些实施例中，传感器不采用粘性材料。传感器是自粘的。如在此所使用的，术语“自粘”代表这样的结构，其被配置成耦合到表面并且不需要额外装置来将所述结构耦合到所述表面。例如，在不采用粘性材料的情况下，自粘电极可耦合到所述表面。
虽然在ECG和EEG应用的情况下描述和示出了典范实施例，但是这些例子是非限定性的。自粘传感器可用于多种其它医疗和非医疗应用中。例如，可用自粘装置和方法来测量氧基血红素(SpO2)的饱和度，或甚至可用自粘装置和方法将皮肤或其它类似表面与任何数目或类型的产品固定或装配，在这种情况下粘合剂不再是固定的所需手段。
在一个或多个实施例中，用于非侵入地附着到皮肤的一部分的自粘传感器包括具有固体纳米电极阵列的生物相容的基板。如在此所使用的，术语“固体纳米电极”指的是这样的纳米电极，其具有实心且从内部不是空的。生物相容的基板可包括具有接触皮肤而不引起身体攻击、排斥或与基板反应的能力的任何材料。在特定实施例中，基板可包括但不限于陶瓷、金属或聚合材料，或其组合。例如，基板可包括塑料。如将在下面所详细描述的，固体纳米电极被配置成自粘到皮肤。
图3示出自粘传感器34的侧视图。传感器34可非侵入地耦合到皮肤的一部分。在当前考虑的实施例中，传感器34包括多个纳米电极36。在一些实施例中，纳米电极36包括固体纳米结构。纳米电极36优选包括生物相容材料。在一些实施例中，纳米电极36由诸如金属的导电材料制成。例如，纳米电极36可由下述但不限于下述制成：银、金、铂、铂和钴的合金、不锈钢、贵金属、导电聚合物，或其组合。在其它实施例中，纳米电极36可包括导电材料，依赖于材料和应用，其可以是或可以不是生物相容的。如果不是生物相容的，则纳米电极36可包括生物相容材料的涂层，以避免当非生物相容材料与皮肤接触时会另外发生的任何反应。
在一些实施例中，固体纳米电极36的截面可包括相同或不同的几何形状。例如，在一个实施例中，传感器可包括不同几何形状的组合，诸如但不限于，圆形、三角形、六边形、正方形或矩形形状。
在一些实施例中，纳米电极36可具有如箭头40所示的小于或等于大约5微米的长度。在一个例子中，纳米电极36的长度小于或等于大约1微米。可选择纳米电极的长度，以避免纳米电极的坍塌/弯曲。这些纳米电极的直径优选在从大约10纳米到大约500纳米的范围。可选择长度和直径的组合，以提供从大约1∶2到大约1∶20的范围的纵横比。在一个例子中，纵横比可在从大约1∶5到大约1∶10的范围内。由于聚合物的较低强度，当采用导电聚合物时，可希望较低的纵横比。
在一些实施例中，在传感器34中的纳米电极36的阵列可包括具有不同直径的纳米电极36。可替换的，在传感器34阵列中的所有纳米电极36可具有相同的直径。此外，在任何两个最接近的纳米电极36之间的间隔优选为大约几百纳米。如在此所使用的，所述间隔是从一个纳米电极的外部表面到另一纳米电极的外部表面的距离。例如，具有大约200纳米直径的纳米电极36优选定位于距离最近的相邻者大约100纳米的距离处。可选择所述间隔和直径，以便当传感器34与皮肤接触时，提供足够的表面到表面的接触。传感器34的面积可在从大约1×1cm2到大约3×3cm2的范围内。
传感器34设置于皮肤上，这样纳米电极距离皮肤比距离基板38更近。在一个例子中，基板38包括聚合物、陶瓷或印刷电路板。当传感器34靠近皮肤设置或与皮肤接触时，纳米电极36和皮肤之间的范德华力是最适宜的。范德华力部分使得在不需要使用粘性材料的情况下将传感器34耦合到皮肤。此外纳米电极36不需要侵入技术，并因而传感器34可容易耦合到皮肤并容易从皮肤脱离。因此，传感器34可用于新生儿的保健护理应用中。在这样的应用中，与将粘性材料作为耦合手段以便粘合到皮肤的其它传感器相比，传感器34可容易从婴儿的较嫩皮肤去除。与粘合剂在短时间段内损失其粘着强度不同，传感器34可用于延长的时间段。在传感器34中的一些或所有纳米电极36还可提供除了粘着和导电功能之外的其它功能，诸如但不限于导热性。
在一些实施例中，包括诸如纳米电极36的固体纳米电极的传感器可使用图4-6中所示的方法形成。图4-6示出在制备纳米电极36的方法中涉及的各步骤。图4示出生长可用作纳米电极的纳米结构的步骤。在示出的实施例中，提供基板42。在一个例子中，所述基板可以是半导体基板。例如，所述基板可包括下述材料，诸如但不限于，硅、砷化镓、铝镓砷、或其组合。接着将包括铝的金属膜44沉积到基板42上。在一些实施例中，金属膜44被配置成在阳极氧化或氧化时形成细孔46。在一个实施例中，金属膜44的阳极氧化可通过采用诸如湿化学工艺的工艺来执行。在示范性实施例中，所述金属可包括铝，其在氧化时会转化成具有均匀垂直通道的多孔氧化铝。在一些实施例中，阳极氧化的氧化铝的孔密度可在从大约107孔/cm2到大约1011孔/cm2的范围内。可替换的，诸如阳极氧化铝层的多孔模板层可直接附着到基板42。虽然没有示出，但是另外的可溶解金属层可沉积在金属膜44和基板42之间。在一些实施例中，该可溶解的金属层可在特定的溶液中溶解，从而如下面所述那样使金属膜44从基板42脱离。在一些实施例中，金属层可包括金属，诸如但不限于，钛、铬、钨、钛-钨、铜、金、或其组合。
此外，诸如金的催化剂48可沉积在细孔46中。在一些实施例中，催化剂48可通过采用诸如电化学沉积、电子束蒸发、热蒸发或溅射的工艺来沉积。催化剂48可用于促进纳米电极的生成。催化剂48和/或纳米结构50的填充因数可减小以增加各个纳米线之间的间隔。例如，可以通过使用诸如钛的容易氧化的金属层来减小催化剂48的填充因数。此外，如果使用诸如金的催化剂48，则加热催化剂48来形成液滴并吸收纳米电极的材料以及将其沉积在基板42上。
接着，纳米结构50沉积在具有催化剂48的细孔46中。在一些实施例中，纳米结构50可由生物相容材料制成。例如，硅氧烷弹性体，乙烯-醋酸乙烯共聚物，六甲基二硅氧烷(hexamethyldisiloxane)，或硅氮烷(silazane)。在其它实施例中，纳米结构50可由非生物相容的材料制成。例如，在这些实施例中，纳米结构50可包括硅、锗、III-V族半导体、II-VI族半导体、IV-IV族半导体、或其组合。如将参照图6进行描述的，在非生物相容材料用于纳米结构50中的实施例中，生物相容材料的薄膜60可沉积于纳米结构50上。在一些实施例中，可使用诸如使用气-液-固机制的化学汽相沉积来沉积纳米结构50。在这些实施例中，在细孔46中具有催化剂48的基板42可在沉积纳米结构50之前转移到化学汽相沉积腔室中。
在一些实施例中，纳米结构50可以不具有均匀的长度，因此使其难于在传感器和皮肤之间确保良好的接触。如在此所使用的，术语“均匀的长度”具体体现纳米电极长度的高达大约50纳米的差。虽然没有示出，在沉积传感器基板52(图5)之前，通过蚀刻掉结构50的一部分可将纳米结构50的长度54制成均匀的。可通过在纳米结构50周围沉积光致抗蚀剂或其它聚合物填充材料至期望长度来将纳米结构50的长度54制成均匀的。例如，光致抗蚀剂层可旋涂到纳米结构50上。光致抗蚀剂层可在从大约46℃到大约100℃的范围内的低温下沉积。在一些实施例中，可采用氧等离子体来蚀刻具有均匀长度的纳米结构50的延长部分。在其它实施例中，可采用湿法蚀刻来蚀刻掉纳米结构50的延长部分，从而形成具有均匀长度的纳米结构50。随后通过将光致抗蚀剂溶解于诸如丙酮的合适溶剂，或其它的抗蚀剂剥离器，或通过氧等离子体蚀刻来将光致抗蚀剂去除。
图5示出沉积传感器基板52的步骤，传感器基板52被配置成将纳米结构50保持在一起以形成传感器，诸如传感器34(见图3)。传感器基板52包括陶瓷、硅或印刷电路板。可通过任何沉积技术来沉积传感器基板52，诸如物理汽相沉积、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、射频等离子体增强化学汽相沉积(RFPECVD)、膨胀热等离子体化学汽相沉积(ETPCVD)、反应溅射、电子回旋共振(electron-cyclodrawn-residence)等离子体增强化学汽相沉积(ECRPECVD)、感应耦合等离子体增强化学汽相沉积(ICPECVD)、溅射沉积、蒸发、原子层沉积(ALD)、或其组合。随后，阳极氧化的氧化铝的金属膜44通过诸如缓冲的氧化物蚀刻或KOH或NaOH的受控湿法蚀刻被蚀刻掉，以形成传感器56。
图6示出图5的传感器56的另一实施例。在图6所示的实施例中，传感器58包括具有生物相容材料的薄膜的纳米结构50。传感器58可包括非生物相容材料；膜60由上面所列的一种或多种生物相容材料制成。在一些实施例中，膜60可具有从大约10nm到大约100nm范围内的厚度。
现在转到图7，示出固体电极62。固体电极62被配置成渗透到皮肤内以获取数据用于诸如ECG或EEG监控的应用。可选择电极62的尺寸，以避免皮肤破裂并防止皮肤出血。换句话说，尽管电极62的一部分可允许到达表皮的上面部分中，但是电极62渗透到皮肤中应局限于角质层，其具有大约15微米的厚度。如图8所示，一起装配于基板中的固体电极阵列62形成传感器80。当用于传感器阵列中时，固体电极，诸如电极62，可以都具有相同的几何形状。可替换的，一些固体电极可具有不同的几何形状。例如，截面可从矩形截面、圆形截面、正方形截面、三角形截面、六边形截面、或任何其他的几何形状中选择。在图8所示的实施例中，固体电极62包括杆64，其具有凸出物66。此外，杆64的截面可具有不同的几何形状。杆64和凸出物66都是实心结构。在一个实施例中，固体电极62包括银、金、铂、贵金属或导电聚合物中的一种或多种。在另一个实施例中，固体电极62可包括一个或多个导电涂层。如将在下面进行描述的，导电涂层包括电化学材料。
如本领域的技术人员将意识到的那样，附图是用于图示目的的，且并没有按比例绘制。此外，虽然只示出两个凸出物，每一凸出物在杆64的每一侧，但是在其它实施例中，凸出物66可以多种构造、形状、数目设置于杆64上。凸出物可处于从大约1微米到大约100微米的范围内。在一些实施例中，凸出物66被配置成将固体电极62保持于皮肤内部。杆64的远端变尖以形成尖端72。在一些实施例中，凸出物66可位于与杆64的表面形成钝角78之处，其更接近杆64的远端或尖端72。远端或尖端72促使电极62插入到皮肤中。在诸如角度78的角度处具有凸出物66促使固体电极62以小刺孔插入到皮肤中。小刺孔尺寸减少了一系列感染。凸出物66可以多种不同的构造设置于杆上，将参照图8-11来描述其中一些构造。
此外，表面68可以是光滑的，或可具有纹理。在一些实施例中，表面68可以是光滑表面和纹理的结合。例如，在尖端72处的表面68可以是光滑的，以促进固体电极62渗透到皮肤中。尖端72的长度73可以是几十微米。但是，在杆64的剩余部分中的纹理可以是粗糙化/锯齿状的，以便于将固体电极62夹持于皮肤内部。在杆64的表面68上的纹理在不同的位置可以是不同的。此外，在一些实施例中，凸出物66可具有光滑表面70。在其它实施例中，表面70可以是锯齿状的。
固体电极62进一步包括机械停止器74，用于控制固体电极62渗透到皮肤内的程度。虽然未示出，诸如固体电极62的固体电极可包括一个以上的机械停止器74，这样在接触皮肤的第一机械停止器未能停止电极62的渗透的情况下，下一个或两个停止器可以能够防止电极进一步渗透到皮肤中。图13-16示出机械停止器74的替换实施例。一旦固体电极62插入皮肤内部，机械停止器74还起到将固体电极62保持在其位置的作用。如图12中所示，机械停止器74还没进入皮肤内部且保持于表面上。应该注意的是，可由固体电极62采用两个或更多个机械停止器74。此外，机械停止器74可以是或可以不是连续的结构。如图13中的实施例中所示，机械停止器74可包括多个块。该多个块被定位成使得它们起到机械停止器的作用，从而保持固体电极62。
定位机械停止器74使得在电极62的尖端和机械停止器74之间的距离76是大约几百微米。电极62的尺寸可依赖于应用而变化。例如，电极62的长度可依赖于传感器在身体上的定位而变化。此外，电极62的尺寸可依赖于患者的年龄来变化，因为年龄可与皮肤的厚度相关。例如，当用于新生儿应用中时，电极的长度76可减小到50微米以下以避免皮肤破裂。
可形成电化学系统以从电极62获取信号。电化学系统可形成在电极62、设置于电极62上的电解质、以及设置于传感器外部的参考电极(未示出)之间。参考电极与电极62处于电连通。此外，包括诸如氯化银的电解质的电化学材料沉积在电极62上。在一些实施例中，在沉积电解质诸如氯化银之前可沉积单独的银层，这样在电极62和氯化银层之间存在银层。在该实施例中，银层起到电极的作用。此外，电极62的凸出物66可具有耦合到凸出物66的表面70的一个或多个功能组。
图8示出渗透到皮肤82内部的传感器80的截面视图。传感器80具有带有多个电极86的生物相容的基板84。传感器80需要小的压力来将电极86插入皮肤内部。将电极86插入到皮肤内部所需的压力可由手施加。例如，由手的拇指施加的压力可足以将电极86插入皮肤内直到所需的深度。如图所示，每一固体电极86包括杆88、凸出物90、尖端92和机械停止器94。如上所指出的，不同的固体电极86可具有具有不同的几何形状的截面。此外，电极86上采用的凸出物90的数目可从一个杆到另一个杆变化。此外，杆88上凸出物90的设置在不同的电极86上可以是不同的。机械停止器94被配置成将固体电极86保持在其位置，并且防止固体电极86进一步渗透到皮肤82中。
图9-12示出固体电极62和86的替换实施例。对于给定的皮肤类型可以选择不同类型的电极。虽然图9-12所示的实施例具有圆形截面的杆，但是应该指出的是对于杆来说，这些实施例的固体电极可采用任何不同的几何形状。此外，在这些固体电极中的杆和突出物的纹理可依赖于应用而变化。此外，图13-16中所示的不同类型的机械停止器可用于图9-12中所示的固体电极中。
图9示出固体电极96的一部分。固体电极96包括杆98、多个凸出物100和尖端102。凸出物100形成凸出环104。凸出环104采用了多个凸出物100。依赖于应用，固体电极96可包括任何数目的凸出环104。图10示出具有杆108的固体电极106的一部分。凸出物100以随机图案分布在杆108上。杆108还包括尖端112。虽然未示出，但是在特定的实施例中，凸出物110可以被设置成沿着杆108的圆周的一个或多个环。
图11示出具有杆116的固体电极114。杆采用了凸出物120的簇118。虽然未示出，但是杆116上采用的不同簇118可具有不同数目的凸出物120。固体电极114进一步包括尖端122。图12示出具有杆126的固体电极124。杆128上采用的凸出物128具有锯齿形边缘130。固体电极124还包括尖端132。
图13-16示出机械停止器的替换实施例。虽然图13-16的实施例示出具有矩形截面的电极杆，但是应该指出的是可以使用任何其它几何形状。
图13示出具有杆136、凸出物138、尖端140以及机械停止器142的固体电极134。机械停止器142包括设置于杆136周围的多个子部分144。图14示出具有杆148、凸出物150、尖端152以及机械停止器153的固体电极146。机械停止器153包括设置于杆148的每一侧上的两个翼154。图15示出具有杆158、凸出物160和尖端162的固体电极156。电极156包括机械停止器164，其具有设置于杆158的四侧的每一个上的子部分166。图16示出具有杆170、凸出物172以及尖端174的固体电极168。电极168还包括机械停止器176。停止器176包括设置于杆170周围的多个钉178。
图17示出具有固体电极173的复合电极171。固体电极173包括杆175，该杆还起到用于电极171的机械停止器的作用。固体电极173还包括尖端177。电极171还包括多个纳米结构179。纳米结构179被配置成促进电极171粘着到皮肤。此外，纳米结构179被配置成起到电极的作用，并从患者身体进行测量。因此，在复合电极171中，测量可从尖端177和纳米结构179进行。
如同图17的复合电极171，纳米结构，诸如纳米结构179，可与图7-16的任何上述固体电极一起使用。通过将位于由图3-6的方法形成的塑料基板上的纳米结构耦合到图7-16的任何固体电极可形成复合电极。
图18示出用于形成固体电极，诸如图7-16中所示的固体电极的方法的例子。该方法包括提供具有种子(seed)层182的基板180的步骤。在所示的方法中，种子层182包括两层184和186。底部种子层184是提供种子层182和基板182之间的更好粘着的粘着促进层。例如，底部层184可包括钛、铬或镍。顶部种子层186包括导电材料，诸如铜，以便促进诸如电镀的沉积工艺。虽然未示出，在一些实施例中，种子层182可包括两层以上的层。此外，沉积并图案化光致抗蚀剂层188，以在光致抗蚀剂层188中形成图案190。
以点线圆圈191示出图案190的顶视图。如图所示，图案190模仿希望的固体电极的结构。此外，接着通过诸如电镀的方法将固体电极的材料以图案190沉积以形成电极194，诸如物理汽相沉积、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、射频等离子体增强化学汽相沉积(RFPECVD)、膨胀热等离子体化学汽相沉积(ETPCVD)、反应溅射、电子回旋共振等离子体增强化学汽相沉积(ECRPECVD)、感应耦合等离子体增强化学汽相沉积(ICPECVD)、溅射沉积、蒸发、原子层沉积(ALD)、或其组合。此外，导电材料层194沉积到电极材料194上。导电材料层194可包括银。随后，光致抗蚀剂188从电极之间溶解以在光致抗蚀剂188中形成图案196以便形成具有基板180和具有导电材料涂层194的多个电极192的传感器阵列。图18中所示的方法促进电极诸如电极192的批量生产。
图19示出制备具有不同几何形状的固体电极的方法。当采用具有较尖边缘的几何形状时，由于较尖的尖端，将电极插入皮肤内所需的力减小。该方法包括提供基板200。基板200可由半导体、陶瓷、和聚合物制成。在一个例子中，基板200可由硅制成。在另一个例子中，基板200可以是印刷电路板。此外，将蚀刻层202沉积到基板200上。蚀刻层可包括氧化物或氮化物。蚀刻层材料的合适例子可包括氮化硅或氧化硅。此外，将光致抗蚀剂层204沉积到蚀刻层202上。光致抗蚀剂层促进选择性地去除蚀刻层202的一部分以在蚀刻层202中形成开口206。随后，对基板200进行蚀刻，以产生预定的图案。在所示的实施例中，通过可控的蚀刻形成六边形形状208。合适的蚀刻可包括湿法蚀刻或化学蚀刻。依赖于蚀刻图案的预定形状，所述蚀刻可以是各向同性或各向异性的蚀刻。接着，去除蚀刻层202和光致抗蚀剂层204。随后包括例如钛的第一种子层210沉积在蚀刻图案上。第一种子层210促进粘着，并且在该过程的后续阶段中还促进将种子层从基板去除。第二种子层212沉积到第一层上。第二种子层212促进电镀。第二种子层包括诸如铜的导电金属。在沉积这两个种子层210和212之后，沉积一层以上的第一种子层210的材料涂层以形成层213。随后，可以图案208通过电镀沉积金属层214，并且之后可去除种子层210和212。如图所示，层214获得类似于形状208的形状，由此产生具有不同截面的固体电极。
图20示出形成复合电极诸如图17所示的电极的方法，所述电极具有固体电极和纳米结构。该例子的方法由提供结构216开始。结构216是用于示例性的目的，并且在所引用的方法中可使用结构216的各种替换形式。在所示的实施例中，结构216包括由公共基底220耦合在一起的多个锥形针状物218。在一些实施例中，可通过激光钻孔形成这种结构216。针状物218可包括硅或任何其它的合适材料。还提供具有牺牲层224的基板222。基板222可由陶瓷、聚合物、玻璃或半导体材料制成。牺牲层224被配置成在施加压力时永久变形。牺牲层224可包括聚合物。牺牲层224可直接沉积在基板222上，或可单独形成然后耦合到基板222。接着将结构216沉积在具有牺牲层224的基板222上，这样当压力施加于结构216上时，针状物218渗透到牺牲层224中。随后，从基板222去除结构216，并且获得牺牲层224，其复制结构216的图案并在牺牲层224中形成空腔226。随后，将具有三层230，232和234的种子层228沉积于牺牲层224之上。在一个例子中，层230，232和234分别由钛、铜和钛制成。然后用如上所述的适用于固体电极中的材料236填充空腔226。可通过采用电镀来填充空腔226。
随后，将种子层228从位于空腔226外部的聚合物层的部分去除。如所示，将粘着促进层238沉积于牺牲层224的暴露部分上。粘着促进层238可包括钛。此外，在粘着促进层238上沉积铝层240。铝层240被配置成在阳极氧化时形成细孔。层240还可采用除了铝之外的能够在阳极氧化时形成细孔的任何其它金属。对铝层240进行阳极氧化，并且如此形成的细孔242用导电材料填充，所述导电材料诸如银、铂、贵金属或可适用于纳米结构中的任何其它金属。可通过将铝层240浸入到导电材料的浴器(bath)中来填充细孔242。随后，通过电镀沉积基底层244。接着将基板222和牺牲层224从结构的剩余部分脱离。所述脱离可通过溶解牺牲层来完成。牺牲层可通过湿法蚀刻来溶解。随后，通过如上参照图3-6所述的那样通过蚀刻剂溶解阳极氧化的铝层240。阳极氧化层240的溶解形成耦合到基底层244的纳米结构246。
尽管在此只示出和描述了本发明的特定特征，但是对于本领域的技术人员来说将进行一些变型和变化。由于这些变型和变化落入本发明的真正范围内，因此应该理解所附的权利要求意在涵盖所有的这些变型和变化。
元件列表
10人体
12电极对
14负电极
16正电极
18电极对
20负电极
22正电极
24自粘传感器
26头部
28人体
30放大器
32计算机
34传感器
36纳米电极
38基板
40纳米电极的长度
42基板
44多孔层
46细孔
48催化剂
50纳米结构
52传感器基板
54长度
56传感器
58传感器
60薄膜
62电极
64杆
66凸出物
68电极表面
70凸出物表面
72尖端
73尖端的长度
74机械停止器
76长度
78凸出物和杆之间的角度
80传感器
82皮肤
84基板
86电极
88杆
90凸出物
92尖端
94机械停止器
96电极
98杆
100凸出物
102尖端
104凸出环
106电极
108杆
110凸出物
112尖端
114电极
116杆
118簇
120凸出物
122尖端
124电极
126杆
128凸出物
130凸出物表面
132尖端
134电极
136杆
138凸出物
140尖端
142机械停止器
144机械停止器的子部分
146电极
148杆
150凸出物
152尖端
153机械停止器
154机械停止器的子部分
156电极
158杆
160凸出物
162尖端
164机械停止器
166机械停止器的子部分
168电极
170杆
171复合电极
172凸出物
173固体电极
174尖端
175杆
176机械停止器
177尖端
178机械停止器的子部分
179纳米电极
180基板
182种子层
184第一种子层
186第二种子层
188光致抗蚀剂
190图案
191电极设计
192电极
194导电层
196不具有光致抗蚀剂的部分
200基板
202蚀刻层
204抗蚀剂层
206开口
208六边形形状
210第一种子层
212第二种子层
214金属层
216结构
218锥形针状物
220公共基底
222基板
224牺牲层
226空腔
228种子层
230层
232层
234层
236材料
238粘着促进层
240铝层
242细孔
244基底层
246纳米结构

Claims (10)

1.一种用于非侵入地附着到皮肤的一部分的自粘传感器(34)，包括：
生物相容的基板(38)；
耦合到所述生物相容的基板(38)并配置成自粘到皮肤的固体纳米电极阵列(36)。
2.权利要求1所述的传感器(34)，其中所述固体纳米电极(36)中的一个或多个具有基本为矩形、圆形、正方形、三角形或六边形的一个或多个截面。
3.权利要求1所述的传感器(34)，其中所述固体纳米电极的长度小于大约1微米。
4.一种用于附着到皮肤(82)的一部分的传感器(80)，包括：
配置成自粘到皮肤(82)的固体电极阵列(86)，其中每一所述固体电极(86)包括杆(88)和从所述杆(88)延伸出的一个或多个凸出物(90)，其中所述杆(88)和所述凸出物(90)都是实心的，并且其中所述杆(88)包括用于控制所述固体电极(86)渗透到所述皮肤(82)中的程度的机械停止器(94)；以及
沉积于所述固体结构(86)中的一个或多个上的电解质涂层。
5.权利要求4所述的传感器(80)，其中所述传感器(80)进一步包括远离所述固体电极阵列(86)设置的参考电极，其中所述参考电极与所述固体电极阵列(86)在操作上相关联。
6.一种将传感器(56)非侵入地耦合到皮肤的一部分的方法，包括：
提供传感器(56)，其包括：
生物相容的基板(52)；以及
配置成自粘到皮肤的固体纳米电极阵列(50)，其中所述固体纳米电极(50)耦合到所述基板(52)，
通过相对于皮肤表面按压所述传感器(56)来耦合所述传感器(56)，使得所述纳米电极(50)中的一个或多个的至少一部分与皮肤表面啮合。
7.权利要求6所述的方法，其中所述传感器(56)没有渗透到皮肤中。
8.权利要求6所述的方法，其中所述传感器(56)适于用作脑电图传感器。
9.权利要求6所述的方法，其中所述传感器(56)适于用作心电图传感器。
10.权利要求6所述的方法，其中所述传感器(56)适用于新生儿使用。
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