CN102499667A - 柔性皮肤表面干电极及制备方法 - Google Patents

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王宇
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Abstract

本发明提供一种柔性皮肤表面干电极及制备方法，其中柔性皮肤表面干电极包括：一柔性导电衬底；多个微针体，形成微针阵列，该多个微针体为锥形，分为根部和前端，该多个微针体的根部固定于柔性导电衬底的一面，其微针体的前端高于柔性导电衬底的表面。该该结构改变了原来干电极的基底材料的性质，由以前的刚性材料变为柔性材料。该柔性基底可紧密贴合皮肤，使干电极上的微针克服皮肤角质层的影响，改善电极与皮肤的电接触特性，降低接触阻抗。当外力作用于干电极时，该柔性基底可以产生弹性形变，有效避免微针断裂，提高了使用安全性。柔性基底干电极的基底材料是有弹性的，缓解了佩戴不舒服的感觉。

Description

柔性皮肤表面干电极及制备方法
技术领域
本发明涉及生物电信号检测的电极器件的设计与微加工领域，更具体涉及一种柔性皮肤表面干电极及制备方法。
背景技术
生物电势是重要的生理指标，在临床医学和生物医学等领域具有重要作用，因此有效地进行生理电信号的探测与研究有重要的意义。生物电极可以将人体中的离子电流转化为仪器所能识别的电子电流，从而达到提取生物电势的目的。所以，电极的性能将直接影响采集的信号质量。
皮肤从外到内主要分为三层：表皮、真皮和皮下组织。表皮的最外层是角质层，角质层是由没有细胞活性的角质化细胞组成的，因此是不导电的。只有通过角质层下的真皮层才能提取有效的生理电信号。常用的湿电极在使用之前需要先在皮肤表面涂上导电膏使角质层导电。但导电膏不能长时间使用，否则会使被试者产生皮肤溃烂或过敏等副作用。皮肤干电极可以克服以上缺点。干电极是由高度为50um-500um的微针阵列组成的。传统干电极的微针阵列及其基底都是由硅、金属、导电聚合物等较硬的材料制作而成。在使用过程中如果存在干电极摩擦皮肤等不正确操作就很容易使微针阵列断裂，从而影响提取信号的质量，而且会降低干电极的使用寿命。硬基底的缺点是不能紧密贴合皮肤，影响微针刺入皮肤的深度容易引入噪声的干扰。由硬基底组成的干电极的另一个缺点是在受到外力时不能产生弹性形变，就像一个钢板一样直接作用于皮肤上，大大降低了受测者的使用舒适度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于长期记录生理电信号的柔性皮肤表面干电极及制备方法。该结构改变了原来干电极的基底材料的性质，由以前的刚性材料变为柔性材料。该柔性基底可紧密贴合皮肤，使干电极上的微针克服皮肤角质层的影响，改善电极与皮肤的电接触特性，降低接触阻抗。当外力作用于干电极时，该柔性基底可以产生弹性形变，有效避免微针断裂，提高了使用安全性。柔性基底干电极的基底材料是有弹性的，缓解了佩戴不舒服的感觉。
本发明提供一种柔性皮肤表面干电极，包括：
一柔性导电衬底；
多个微针体，形成微针阵列，该多个微针体为锥形，分为根部和前端，该多个微针体的根部固定于柔性导电衬底的一面，其微针体的前端高于柔性导电衬底的表面。
其中柔性导电衬底的材料为导电硅橡胶或导电高分子材料。
其中多个微针体是采用粘接、焊接、或采用键合的方法连接在柔性导电衬底上。
其中该多个微针体的材料为硅或金属，其高度为50-500um。
其中该多个微针体的前端和根部的材料为同种材料或不同材料。
本发明还提供一种柔性皮肤表面干电极的制备方法，包括：
步骤1：准备一电阻率＜0.001Ω.cm的硅片，双面抛光、清洗；
步骤2：将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，通入氧气加热，干氧氧化和湿氧氧化交替进行，在硅片正反两面生成一层二氧化硅薄膜；
步骤3：在硅片一面的二氧化硅薄膜上旋涂上一层均匀的光刻胶，通过曝光形成圆形或多边形的图形阵列；
步骤4：在圆形或多边形的图形阵列光刻胶的掩蔽下干法刻蚀二氧化硅薄膜，形成圆形或多边形的二氧化硅图形；
步骤5：在圆形或多边形二氧化硅图形掩膜下干法刻蚀硅片，刻蚀深度为50-200μm；
步骤6：在干法刻蚀后的一面灌注柔性材料，固化；
步骤7：在灌注柔性材料的背面旋涂光刻胶，光刻，形成圆形阵列图形，圆形阵列图形每一个单元的直径为30-300μm；
步骤8：在圆形阵列图形光刻胶的掩蔽下干法刻蚀二氧化硅薄膜，形成圆形阵列的二氧化硅图形；
步骤9：在圆形阵列的二氧化硅图形掩膜下干法刻蚀硅片；刻蚀深度到柔性材料的表面，形成硅柱阵列；
步骤10：采用湿法腐蚀的方法，将硅柱阵列腐蚀成锥状结构形成微针体，划片切割，在切割后的片子正反溅射金属，实现电连接。
其中柔性材料为导电硅橡胶或导电高分子材料。
其中清洗的步骤包括：将硅片浸入温度为120℃的酸性洗液中30min，接着用去离子水彻底清洗，并烘干。
其中酸性洗液为H2SO4∶H2O2＝4∶1。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的一应用实例示意图；
图3是本发明的制备方法流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种柔性皮肤表面干电极，包括：
一柔性导电衬底1，该柔性导电衬底1的材料为导电硅橡胶或其他导电高分子材料，柔性导电衬底1能够根据皮肤的起伏产生弹性形变，能够紧密贴合皮肤(见图2。此导电硅橡胶表面经处理之后能够和皮肤产生一种吸附力，有利于柔性衬底干电极与皮肤的紧密贴附，防止在使用过程中脱落。
多个微针体2，形成微针阵列，多个微针体2同时提取生物信号可以有效保证信号质量，提高信噪比。柔性干电极刺入皮肤需要施加外力，多个微针体可以一起分担外力的作用，不易折断，比单个微针体更加坚固，器件重复利用率高，节约成本。该多个微针体2为锥形，分为根部3和前端4，锥形结构有利于针体顺利刺入皮肤，一定程度上可以避免微针断裂，同时减少对皮肤的损伤。该多个微针体1的根部固定于柔性导电衬底1的一面，其微针体2的前端4高于柔性导电衬底1的表面，该多个微针体2是采用粘接、焊接、或采用键合的方法连接在柔性导电衬底1上，该多个微针体2的材料为硅或金属，其高度为50-500um。此高度可以适应不同年龄，不同肤质的人群，对于皮肤较厚的人群，可以将微针完全刺入，对于皮肤较薄的人群，可以适当调整微针刺入皮肤的深度，这样既可以穿透角质层，又不会触及真皮层，既可以提取生物电信号，又不会使人产生头痛感(参阅图2)。该多个微针体2的前端4和根部3的材料为同种材料或不同材料。
请参阅图3所示，本发明提供一种柔性皮肤表面干电极的制备方法，包括：
步骤1(图3a)：准备一电阻率＜0.001Ω.cm的硅片10，双面抛光、清洗，采用低电阻率的硅片可以有效提高器件提取信号的信噪比。
步骤2(图3b)：将硅片10置于用石英玻璃制成的反应管中，通入氧气加热，干氧氧化和湿氧氧化交替进行，通气时间比为1∶3。采用干氧方法形成的二氧化硅薄膜致密性好，但生长速度慢，采用湿氧方法形成的二氧化硅薄膜较疏松，但生长速度快。将干氧和湿氧交替通入，既可以保证膜的质量，又可以节省氧化时间节约制作成本。硅片10正反两面生成一层二氧化硅薄膜101。
步骤3(图3c)：在硅片10一面的二氧化硅薄膜101上旋涂上一层均匀的光刻胶，通过曝光形成圆形或多边形的图形阵列102；
步骤4(图3d)：在圆形或多边形的图形阵列102光刻胶的掩蔽下干法刻蚀二氧化硅薄膜101，形成圆形或多边形的二氧化硅图形103；
步骤5(图3e)：在圆形或多边形二氧化硅图形103掩膜下干法刻蚀硅片10，刻蚀深度为50-200μm。
步骤6(图3f)：在干法刻蚀后的一面灌注柔性材料104，固化，该柔性材料104为导电硅橡胶或其他导电高分子材料，此导电硅橡胶固化后不仅有弹性而且要有一定的韧性，能够紧密贴合皮肤，并且不会由于在使用过程中拉扯柔性干电极等错误操作使之断裂。
步骤7(图3g)：在灌注柔性材料104的背面旋涂光刻胶，光刻，形成圆形阵列图形105，圆形阵列图形105每一个单元的直径为30-300μm；
步骤8(图3ah)：在圆形阵列图形105光刻胶的掩蔽下干法刻蚀二氧化硅薄膜101，形成圆形阵列的二氧化硅图形106；采用干法刻蚀而不是湿法腐蚀二氧化硅薄膜，是由于干法刻蚀的方法可以把光刻形成的图形完整的复制到二氧化硅薄膜上，形成更为有效的掩膜。
步骤9(图3i)：在圆形阵列的二氧化硅图形106掩膜下干法刻蚀硅片10；刻蚀深度到柔性材料104的表面，形成硅柱阵列107；
步骤10(图3j)：采用湿法腐蚀的方法，将硅柱阵列107腐蚀成锥状结构形成微针体1，划片切割，在切割后的片子正反溅射金属，实现电连接。
其中清洗的步骤包括：将硅片10浸入温度为120℃的酸性洗液中30min，接着用去离子水彻底清洗，并烘干；该酸性洗液为H2SO4∶H2O2＝4∶1。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性皮肤表面干电极，包括：
一柔性导电衬底；
多个微针体，形成微针阵列，该多个微针体为锥形，分为根部和前端，该多个微针体的根部固定于柔性导电衬底的一面，其微针体的前端高于柔性导电衬底的表面。
2.如权利要求1所述的柔性皮肤表面干电极，其中柔性导电衬底的材料为导电硅橡胶或导电高分子材料。
3.如权利要求1所述的柔性皮肤表面干电极，其中多个微针体是采用粘接、焊接、或采用键合的方法连接在柔性导电衬底上。
4.如权利要求3所述的柔性皮肤表面干电极，其中该多个微针体的材料为硅或金属，其高度为50-500um。
5.根据权利要求3所述的柔性皮肤表面干电极，其中该多个微针体的前端和根部的材料为同种材料或不同材料。
6.一种柔性皮肤表面干电极的制备方法，包括：
步骤1：准备一电阻率＜0.001Ω.cm的硅片，双面抛光、清洗；
步骤2：将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，通入氧气加热，干氧氧化和湿氧氧化交替进行，在硅片正反两面生成一层二氧化硅薄膜；
步骤3：在硅片一面的二氧化硅薄膜上旋涂上一层均匀的光刻胶，通过曝光形成圆形或多边形的图形阵列；
步骤4：在圆形或多边形的图形阵列光刻胶的掩蔽下干法刻蚀二氧化硅薄膜，形成圆形或多边形的二氧化硅图形；
步骤5：在圆形或多边形二氧化硅图形掩膜下干法刻蚀硅片，刻蚀深度为50-200μm；
步骤6：在干法刻蚀后的一面灌注柔性材料，固化；
步骤7：在灌注柔性材料的背面旋涂光刻胶，光刻，形成圆形阵列图形，圆形阵列图形每一个单元的直径为30-300μm；
步骤8：在圆形阵列图形光刻胶的掩蔽下干法刻蚀二氧化硅薄膜，形成圆形阵列的二氧化硅图形；
步骤9：在圆形阵列的二氧化硅图形掩膜下干法刻蚀硅片；刻蚀深度到柔性材料的表面，形成硅柱阵列；
步骤10：采用湿法腐蚀的方法，将硅柱阵列腐蚀成锥状结构形成微针体，划片切割，在切割后的片子正反溅射金属，实现电连接。
7.如权利要求6所述的柔性皮肤表面干电极的制备方法，其中柔性材料为导电硅橡胶或导电高分子材料。
8.如权利要求6所述的柔性皮肤表面干电极的制备方法，其中清洗的步骤包括：将硅片浸入温度为120℃的酸性洗液中30min，接着用去离子水彻底清洗，并烘干。
9.如权利要求8所述的柔性皮肤表面干电极的制备方法，其中酸性洗液为H2SO4∶H2O2＝4∶1。
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