CN104510466B - 柔性复合型干电极及其制备方法 - Google Patents

柔性复合型干电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔性复合型干电极及其制备方法，所述电极包括：电极支持层、电极点和电极导线连接点；所述方法步骤包括：1)以玻璃为基底；2)在玻璃基底上沉积Parylene C薄膜；3)溅射Cr/Cu种子层；4)种子层上旋涂正型光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；5)电镀Ag；6)旋涂光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；7)阳极氧化法将Ag氯化，生成AgCl；8)除去光刻胶；9)从玻璃基底取下电极。本发明是一种柔性薄膜型电极，能与皮肤很好的贴合，不仅能增大电极和皮肤接触的有小面积，而且还能抵抗运动伪迹的干扰。本发明兼具干电极和湿电极的优点，可以高质量的记录生理电信号，尤其适用于可穿戴设备。

Description

柔性复合型干电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域的电极，具体地，涉及一种测量心电、脑电、肌电、眼电等生理电的柔性复合型干电极及其制备方法。
背景技术
生理电是一种离子电流，产生原理是，细胞内外的钾离子、钠离子和氯离子的浓度存在浓度差。因此一般用湿的银/氯化银(Ag/AgCl)电极测量生理电。这种电极配合导电胶一起使用，以导电胶为电解液，通过氧化还原反应将离子电流转化为电子电流传导到生理电采集系统中。
但这种电极在使用过程中有一些不便，例如：导电胶会逐渐变干，导致电极皮肤间的接触阻抗变大，使得采集到的信号失真；泄露出的导电胶也可能导致相邻的电极短路；导电胶还可能引起皮肤的过敏。
因此，干电极成为测量生理电的一种选择，干电极和身体形成电容，将离子电流转化为位移电流传导到生理电采集系统中。通常的干电极是用金属或者导电的聚合物制造。在实际应用中，皮肤和电极的界面会产生汗水等液体，此时汗水可以充当电极液。因此在干电极和皮肤间，采集生理电就存在两种机制：氧化还原反应和位移电流。但是，目前的干电极只关注于第二种机制。如Ju-Yeoul Baek和Jin-Hee An等在《Sensors and Actuators A》(2008)423-429中撰文“Flexible polymeric dry electrodes for the long-termmonitoring of ECG”(“用于长期监控ECG的柔性聚合物干电极”《传感器和执行器A》)。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性复合型干电极及其制备方法，该复合型干电极具有干电极和湿电极的优点，以解决湿电极在使用时需要导电胶造成的不便和干电极采集生理电信号时引起的信号失真的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种柔性复合型干电极，从上到下依次排布的电极、电极导线连接点和电极支撑层，其中：
所述电极上有两个不同材料的电极点，分别是Ag电极点和Ag/AgCl电极点；
所述电极支撑层为柔性的聚合物薄膜。
本发明中，电极导线连接点用于固定电极导线，电极导线连接采集设备。整个电极通过微加工的方式制备，完成后在电极导线连接点固定导线即可采集生理电信号。
优选地，所述的Ag/AgCl电极点由表层的AgCl和底层的Ag膜构成，所述Ag/AgCl电极点以汗水作为电解液。
更优选地，所述的Ag/AgCl电极点的AgCl厚度是底层Ag膜的10％-50％，其中Ag膜的厚度为0.1μm-10μm。
本发明中，所述的Ag/AgCl电极点的尺寸可以为任意合适大小，但在加工工艺范围能尽可能小的尺寸为优先选择。
优选地，所述的Ag电极点和Ag/AgCl电极点的面积比为1:1-1:3。
本发明中，所述的Ag电极点和Ag/AgCl电极点可以为需要的任意的形状。
优选地，所述电极支撑层为Parylene C薄膜。所述的电极支撑层的厚度1μm-100μm。考虑到使用者的舒适性，和电极能更好的贴合皮肤的形貌，电极的支持层不应过厚。
本发明中，所述的柔性复合型干电极尺寸不受限制，可以根据实际情况进行调整；所述的柔性复合型干电极可以为任意形状。
根据本发明的另一个方面，提供一种柔性复合型干电极的制备方法，包括以下步骤：
1)在基底上沉积柔性的聚合物薄膜作为电极支撑层；
2)在柔性的聚合物薄膜上溅射Cr/Cu作为种子层，也作为电极导线连接点；
3)在种子层上旋涂正型光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
4)在种子层上电镀Ag膜；
5)在Ag膜上旋涂光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
6)通过阳极氧化法将Ag膜氯化，在Ag膜上生成AgCl，形成Ag/AgCl电极点；
7)除去光刻胶，露出Ag电极点；
8)从基底取下整个电极，在电极导线连接点处固定导线。
上述方法中，所述基底为玻璃或硅片。
上述步骤4)的电镀Ag膜也可以用蒸镀Ag膜方法替代。
本发明的工作原理：
所述电极中的Ag/AgCl电极点以汗水为电解液，在电极表面发生氧化还原反应，将生理电的离子电流转化为电子电流导入采集设备中；所述电极中的Ag电极点与皮肤形成电容，将生理电的电子电流转化为位移电流导入采集设备中；同一个电极具有两种生理电采集机制，大大的提高了生理电采集效率；由于采用了柔性电极支撑层，整个电极具有柔性，可以紧贴被测者皮肤，增加了电极与皮肤的接触面积，减小电极与皮肤的接触阻抗，能抵抗运动伪迹的干扰，提高生理信号的采集质量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用微加工工艺制备柔性复合型干电极，其优势在于能通过两种机制采集生理电：既有湿电极的优点：电极皮肤间的接触阻抗小，采集信号的保真度高；又具有干电极的优点：使用方便，不需要导电胶。本发明是一种以柔性聚合物为电极支撑层的薄膜型的电极，因此电极具有柔性，能与皮肤更好的贴合，增大电极与皮肤的接触面积，从而增加采集信号的质量和稳定性；而且与现有的干电极相比，性能突出、结构巧妙。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一实施例的整体结构示意图；
图2是本发明一实施例的电极剖面示意图；
图1、2中：Ag电极点1，Ag/AgCl电极点2，电极导线连接点3，Ag膜4，电极支撑层5；
图3本发明一实施例的电极制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、2所示，本实施例提供一种柔性复合型干电极，包括：从上到下依次排布的电极、电极导线连接点和电极支撑层，其中：
所述电极上有两个不同材料的电极点，分别是Ag电极点1和Ag/AgCl电极点2；
所述电极支撑层5为柔性的聚合物薄膜；
电极导线连接点3用于固定电极导线，电极导线连接采集设备。
所述的Ag/AgCl电极点由表层的AgCl和底层的Ag膜4构成，所述Ag/AgCl电极点以汗水作为电解液。
所述的Ag/AgCl电极点的AgCl厚度是底层Ag膜4的10％-50％；其中Ag膜4的厚度为0.1μm-10μm。
所述的Ag/AgCl电极点的尺寸可以为任意合适大小，但在加工工艺范围能尽可能小的尺寸为优先选择。
所述的Ag电极点和Ag/AgCl电极点的面积比为1:1～1:3。
所述的Ag电极点和Ag/AgCl电极点可以为需要的任意的形状。
所述电极支撑层为Parylene C薄膜；或其他柔性的聚合物薄膜。
所述的电极支撑层厚度为1μm-100μm。
所述的柔性复合型干电极尺寸不受限制，可以根据实际情况进行调整；所述的柔性复合型干电极可以为任意形状。
如图3所示，为本发明一种柔性复合型干电极的制备方法的实施例流程图，包括以下步骤：
1)以玻璃为基底；
2)在玻璃基底上沉积5μm厚的Parylene C薄膜作为电极支撑层5，如图(a)所示；
3)在Parylene C电极支撑层5上溅射Cr/Cu作为种子层，也作为电极导线连接点3，如图(b)所示；
4)在种子层上旋涂正型光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
5)电镀1μm厚的Ag膜4，如图(c)所示；
6)在Ag膜4上旋涂光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
7)通过阳极氧化法将Ag膜4氯化，生成200nm厚AgCl，形成Ag/AgCl电极点2，如图(d)所示；
8)除去光刻胶，露出Ag电极点1，如图(e)所示；Ag电极点和Ag/AgCl电极点的面积比为1:1；
9)从玻璃基地取下整个电极，在电极导线连接点3处固定导线。
在另一制备方法的实施例中：包括以下步骤：
1)以硅片为基底；
2)在玻璃基底上沉积50μm厚的Parylene C薄膜作为电极支撑层5，如图(a)所示；
3)在Parylene C电极支撑层5上溅射Cr/Cu作为种子层，也作为电极导线连接点3，如图(b)所示；
4)在种子层上旋涂正型光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
5)蒸镀5μm厚的Ag膜4，如图(c)所示；
6)在Ag膜4上旋涂光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
7)通过阳极氧化法将Ag膜4氯化，生成1.5μm厚AgCl，形成Ag/AgCl电极点2，如图(d)所示；
8)除去光刻胶，露出Ag电极点1，如图(e)所示；Ag电极点和Ag/AgCl电极点的面积比为1:2；
9)从硅片基底取下整个电极，在电极导线连接点3处固定导线。
本实施例中，当电极应用于生理电信号采集时，电极的电极点面固定在皮肤上适当的位置；此电极具有柔性与皮肤贴合度高，采集的生理电信号稳定、噪声小，可以长期对生理电信号采集。
本发明采用微加工工艺制备柔性复合型干电极，其优势在于能通过两种机制采集生理电：既有湿电极的优点：电极皮肤间的接触阻抗小，采集信号的保真度高；又具有干电极的优点：使用方便，不需要导电胶。本发明是一种以柔性聚合物为电极支撑层的薄膜型的电极，因此电极具有柔性，能与皮肤更好的贴合，增大电极与皮肤的接触面积，从而增加采集信号的质量和稳定性；而且与现有的干电极相比，性能突出、结构巧妙。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种柔性复合型干电极，其特征在于，包括：从上到下依次排布的电极、电极导线连接点和电极支撑层，其中：
所述电极上有两个不同材料的电极点，分别是Ag电极点和Ag/AgCl电极点；所述的Ag/AgCl电极点由表层的AgCl和底层的Ag膜构成，所述Ag/AgCl电极点以汗水作为电解液；
所述电极支撑层为柔性的聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种柔性复合型干电极，其特征在于，所述的Ag/AgCl电极点的AgCl厚度是底层Ag膜的10％-50％；其中Ag膜的厚度为0.1μm-10μm。
3.根据权利要求1所述的一种柔性复合型干电极，其特征在于，所述的Ag电极点和Ag/AgCl电极点的面积比为1:1～1:3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种柔性复合型干电极，其特征在于，所述电极支撑层为Parylene C薄膜。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种柔性复合型干电极，其特征在于，所述的电极支撑层厚度为1μm-100μm。
6.一种权利要求1-5任一项所述柔性复合型干电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)在基底上沉积柔性的聚合物薄膜作为电极支撑层；
2)在柔性的聚合物薄膜上溅射Cr/Cu作为种子层，也作为电极导线连接点；
3)在种子层上旋涂正型光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
4)在种子层上电镀Ag膜；
5)在Ag膜上旋涂光刻胶，曝光，显影，图形化光刻胶层；
6)通过阳极氧化法将Ag膜氯化，在Ag膜上生成AgCl，形成Ag/AgCl电极点；
7)除去光刻胶，露出Ag电极点；
8)从基底取下整个电极，在电极导线连接点处固定导线。
7.根据权利要求6所述的一种柔性复合型干电极的制备方法，其特征在于，步骤4)的电镀Ag膜用蒸镀Ag膜方法替代。
8.根据权利要求6所述的一种柔性复合型干电极的制备方法，其特征在于，所述基底为玻璃或硅片。
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