CN104706335B - 电子皮肤在脉搏检测上的应用、脉搏检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种脉搏检测系统，包括：电子皮肤，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别形成有上电极层和下电极层；滤波电路，对来自电子皮肤的信号进行滤波，获得有效的脉搏信号；放大电路，将所述有效的脉搏信号放大后送至模数转换电路；显示装置，接收并显示来自模数转换电路的信号。本发明的脉搏检测系统，具有灵敏度好、精确度高、体积小、易携带、成本低的优点。

Description

电子皮肤在脉搏检测上的应用、脉搏检测系统和方法

技术领域

本申请属于传感器领域，特别是涉及一种电子皮肤在脉搏检测上的应用及脉搏检测系统。

背景技术

随着现在医学技术的不断发展，从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，越来越受到中外医学界的重视。中医脉诊作为一种无创伤检测的手段和方法，逐渐受到中外人士的赞赏和关注。虽然脉诊具有简便、无创伤和无痛等特点，且易为患者所接受，但在长期的医疗实践中也暴露出一些缺点，首先，中医切脉时,不同医生对同一患者动脉管施加压力的幅度不同,所感受到的反映脉搏特点的微细反搏力也不同，导致所得出的患者的脉象信息也不同；其次，中医切脉一直以来单凭医生手指感觉来辨别脉象的特征，这将受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；再则，这种手指切脉的技巧很难掌握，不利于中医切脉技术的传承和发扬光大；最后，感知的脉象无法记录和保存，这影响了对脉象机理的研究。因此人们迫切的期望早日借助日益发展的传感器技术和计算机处理技术来推进中医脉诊的智能化、大众化、科学化和现代化。

脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，它包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息，人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即脉象中。近年来出现了众多脉搏监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量，但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低、不能显示脉搏波完整的波形等缺点。再如国外大型脉搏检查仪（像法国的康普乐仪），检测结果准确，重复性好，但主要用于大型治疗和流行病学的研究中，并且价格昂贵，不适宜于家庭和大众化便携式医疗服务使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子皮肤在脉搏检测上的应用及脉搏检测系统，可以解决现有技术中检测装置体积大、不易携带、成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种电子皮肤在脉搏检测上的应用，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别形成有上电极层和下电极层。

本发明还公开了一种脉搏检测系统，包括：

电子皮肤，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别形成有上电极层和下电极层；

滤波电路，对来自电子皮肤的信号进行滤波，获得有效的脉搏信号；

放大电路，将所述有效的脉搏信号放大后送至模数转换电路；

显示装置，接收并显示来自模数转换电路的信号。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述敏感层的材质为聚二甲基硅氧烷（PDMS），厚度范围为2～50μm,优选为50μm。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述敏感层的材质为高分子材料，所述的高分子材料选自聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯中的一种或多种的组合。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述电子皮肤还包括柔性的支撑层，所述支撑层位于所述敏感层和下电极层之间或形成于所述下电极层的下表面。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述的支撑层为聚乙烯（PE）薄膜，厚度范围为1～100μm，优选为12μm。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述的支撑层材料还可以选自高透明高柔性的聚氯乙烯（PVC）薄膜、聚偏二氯乙烯（PVDC）薄膜中一种或多种的组合。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述的上电极层和下电极层材质选自金、铂、镍、银、铟、铜、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合。

优选的，在上述的电子皮肤中，所述的上电极层和下电极层电极是通过蒸镀或化学沉积方式形成。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述的非平面结构为凸伸的多个多棱椎体。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述的每个椎体的底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，椎体高度为7.06μm。

优选的，在上述的脉搏检测系统中，所述模数转换电路通过蓝牙方式与显示装置之间通信。

本发明还公开了一种脉搏检测方法，包括：

利用上述的电子皮肤对脉搏信号进行采集；

对采集到的脉搏信号进行滤波，获得有效的脉搏信号；

将所述有效的脉搏信号进行放大后送至模数转换电路；

通过显示装置显示来自模数转换电路的信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的电子皮肤与新型微纳传感技术相融合，由于使用了无毒且生物相容性很好的超薄弹性薄膜材料，故能很好的和人体皮肤融为一体，构筑成可穿戴式器件能带来超好的用户体验感；同时由于敏感材料独特的纳米结构使得该设备具有的灵敏度更高、稳定性更好；加上整个器件轻小灵巧具有携带方便的优点。

利用该电子皮肤制作的脉搏检测系统，具有精确度高、体积小、易携带、成本低及可穿戴的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中脉搏检测系统的示意图；

图2所示为本发明具体实施例中电子皮肤的剖视图；

图3所示为本发明具体实施例中硅晶片模板的SEM图；

图4所示为由图3所示模板制作的PDMS柔性薄膜的SEM图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明实施例中，脉搏检测系统包括电子皮肤、滤波电路、放大电路、模数转换电路和显示装置。

参图2所示，本实施例中的电子皮肤包括柔性的支撑层1、形成于支撑层1上表面的柔性的敏感层2，以及分别形成于敏感层2上表面和支撑层1下表面的上电极层3和下电极层4。

敏感层2的材料优选为PDMS（聚二甲基硅氧烷），敏感层2的材料还可以是其他高分子材料，如聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯中的任意一种或多种。

敏感层2的上表面为非平面结构，优选为多个凸起的椎体21，每个椎体21的底面为为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，椎体高度为7.06μm。

在其他实施例中，敏感层2上表面的形状也可以为波浪状等其他非平面结构。

易于想到的是，敏感层2的下表面也可以设置为非平面形状，相应地，敏感层2的下表面也需要设置一层电极层。

支撑层1优选为高透明高柔性的超薄PE（聚乙烯）薄膜，其厚度优选为12μm。

PE薄膜作用在于帮助在硅晶片表面的图案化PDMS膜与模板能完整轻易分离，同时作为衬底支撑PDMS膜。

上电极层3和下电极层4的材料选自金、铂、镍、银、铟、铜、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合。

上述的电子皮肤，支撑层1和敏感层2的整体厚度小于70μm，该超薄电子皮肤具备与人体皮肤相同的柔软度，重量 也很轻，可以直接与皮肤黏合。同时具有可帖附性和可穿戴性。

脉搏是心脏周期性地收缩和舒张时，心室射入主动脉的血流以波的形式从主动脉根部出发沿动脉血管系传播而形成的。当把上述可穿戴式的脉搏检测器件放在脉搏处，电子皮肤会自动采集到完整性好、失真小、基线稳定、振幅适中脉搏跳动信号，电子皮肤输出的脉搏信号经滤波电路将背景噪声信号滤掉就得到有效的脉搏波信号，经放大电路将信号放大送到ADC电路（模数转换电路）进行转换后利用无线蓝牙发射技术将信号发射到显示装置上的接收装置从而将脉搏波实时的在显示器上显示出来。

模数转换电路和显示装置之间的通信还可以采用GPRS（General Packet RadioService，通用分组无线服务技术）、GSM（Global System of Mobile communication，全球移动通讯系统）、WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网络）、CDMA（CodeDivision Multiple Access）、TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）、电视通信网络或其他远程通讯网络。易于想到的是，模数转换电路和显示装置之间还可以通过有线方式连接。

上述脉搏检测系统的制作方法如下：

一、制作电子皮肤

S1、制作可形成非平面结构的模板

本实施例利用MEMS加工制造技术中的光刻、刻蚀等工艺制作出具有微结构的模板（优选4寸硅晶片）。先将硅晶圆表面进行洁净处理，再旋涂光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘，最后利用刻蚀将图形转移到硅晶圆,得到具有微结构的模板，具体制备方法如下：

1、制板

通过设计论证后利用做图软件绘制图纸，单纯的增加图案的宽度和高度都有利于器件灵敏度的提高，但综合后，微图案优选为金字塔结构，塔底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的 夹角为54.7°，塔顶到底面的距离为7.06μm 。按照图纸的尺寸去做掩模板。

2、准备4寸硅晶圆

硅晶圆采用4寸单面抛光，单面300nm热氧化SiO₂层硅晶圆，MOS级丙酮、去离子水分别超声15分钟，然后MOS级乙醇超声10分钟后吹干，接下来105℃烘干10分钟。

3、图形化光刻胶

a、甩胶：在准备好的4寸硅晶圆表面旋涂6-7um光刻胶， 优选AZ4620，预转速500rpm 时间 6s，旋涂转速 400rpm 时间 30s ；

b、前烘：在95°下前烘，210 秒；

c、曝光：使用MA6 接触式光刻机，在低真空模式下曝光 24 s；

d、显影：所用显影液的配比为四甲基氢氧化铵：去离子水=1:8，显影时间95 s；

e、后烘：后烘 95°，180 秒。

4、图形转移至硅晶圆

a、去胶：等离子体去胶机去除显影后残留的光刻胶胶膜；

b、干法刻蚀：使用反应离子刻蚀（RIE）去除图形化的SiO2层，时间 6分钟

c、湿法定向刻蚀：用30% KOH溶液在78℃下刻蚀9分钟，最终在硅晶圆表面形成反四棱锥结构，参图3所示。

、在模板表面形成一层有机物分子层

在模板表面加工处理（如气相沉积或者熏涂）一层薄薄的有机物（三甲基氯硅烷或者全氟辛基三氯硅烷)分子层保证在硅晶片表面的PDMS膜与模板的能完整轻易分离。

、在有机物分子层上形成敏感层

接着在有机物分子层上旋涂（优选转速在3000r/min，时间30S）一种透明的液体高分子聚合物（如聚二甲基硅氧烷， 优选引发剂和反应剂的配比量为质量比1：10，）使之均匀形成一层很薄（优选厚度为50μm）的薄膜。

、在敏感层上形成一层支撑层

再在上述薄膜表面无缝无气泡（有气泡、缝隙的情况也包括在里面）地形成一层高透明高柔性的超薄PE（聚乙烯）薄膜（厚度优选为12μm）。

、热处理，将固化后的敏感层和支撑层从模板上剥离

再在真空环境下加热（优选温度在65～75℃）处理一段时间（优选2～3h）后等到上述液体高分子聚合物PDMS薄膜完全固化，同时和PE膜也完全融为一体，接下来把固化的高分子聚合物薄膜从硅晶片模板表面剥离下来，从而就把硅晶片模板上的微图案复形到PDMS柔性薄膜上制备出具有金字塔型微结构的薄膜，该薄膜整体厚度<70μm，如图4所示。

、分别于敏感层的上表面以及支撑层的下表面形成上电极层和下电极层

最后在薄膜的上下表面分别均匀涂覆（如蒸镀、化学沉积等，本专利优选蒸镀）一层超薄纳米导电膜（本专利优选纯度为99.9999%的Au颗粒，蒸镀Au导电膜厚度为100nm），此时就形成了具有多个灵敏位点的超薄柔性导电电子皮肤。

接着在超薄柔性导电电子皮肤上下面的Au纳米导电层上各引出（如粘压、焊接等，本专利优选粘压）一条柔性电极（如直径0.1mm漆包线、20μm厚且带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带、柔韧超薄（10μm厚）的铜箔，本专利优选柔韧超薄的铜箔）。

最后旋涂（优选转速在5000r/min，时间30S）一层PDMS，使之均匀形成一层很薄（厚度<10μm）的Au导电层的保护层，就构筑成了电容式超薄柔性电子皮肤。

二、系统构筑

将器件放在脉搏上时由于脉搏的跳动使传感器电容产生变化，再借助滤波电路将背景噪声信号滤掉就得到有效的脉搏波信号，经放大电路将信号放大送到ADC电路进行转换后利用无线蓝牙发射技术将信号发射到显示器上的接收装置从而将脉搏波实时的在显示器上显示出来。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.电子皮肤在脉搏检测上的应用，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别涂覆形成有上电极层和下电极层，其中，在所述非平面结构上形成的上电极层和/或下电极层也为非平面结构。

2.一种脉搏检测系统，其特征在于，包括：

电子皮肤，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别涂覆形成有上电极层和下电极层，其中，在所述非平面结构上形成的上电极层和/或下电极层也为非平面结构；

滤波电路，对来自电子皮肤的信号进行滤波，获得有效的脉搏信号；

放大电路，将所述有效的脉搏信号放大后送至模数转换电路；

显示装置，接收并显示来自模数转换电路的信号。

3.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述敏感层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为2～50μm。

4.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述敏感层的材质为高分子材料，所述的高分子材料选自聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述电子皮肤还包括柔性的支撑层，所述支撑层位于所述敏感层和下电极层之间或形成于所述下电极层的下表面。

6.根据权利要求5所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述的支撑层为聚乙烯(PE)薄膜，厚度范围为1～100μm。

7.根据权利要求5所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述的支撑层材料还可以选自高透明高柔性的聚氯乙烯(PVC)薄膜、聚偏二氯乙烯(PVDC)薄膜中一种或多种的组合。

8.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述的上电极层和下电极层材质选自金、铂、镍、银、铟、铜、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合。

9.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述的上电极层和下电极层电极是通过蒸镀或化学沉积方式形成。

10.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述的非平面结构为凸伸的多棱椎体。

11.根据权利要求10所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述的每个椎体的底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，椎体高度为7.06μm。

12.根据权利要求2所述的脉搏检测系统，其特征在于：所述模数转换电路通过蓝牙方式与显示装置之间通信。

13.一种脉搏检测方法，其特征在于，包括：

利用权利要求2至12中任一所述的电子皮肤对脉搏信号进行采集；

对采集到的脉搏信号进行滤波，获得有效的脉搏信号；

将所述有效的脉搏信号进行放大后送至模数转换电路；

通过显示装置显示来自模数转换电路的信号。