CN105232035B - 一种生物电信号传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物电信号传感器，它包括电极体，电解质渗透柱，电极，以及电连接件；所述电极体具有空腔本体和空腔一端的上封盖；所述的电解质渗透柱是嵌入固定在电极体的空腔中，并与空腔中电极电接触；电解质渗透柱露出电极体的空腔之外的端面用于同生物体皮肤接触；电极通过电极体上的电连接件与外电路导线连接；所述的电极为电极体的空腔内壁上、和/或内壁顶面上的导电层，或导电线，或导电片。本发明优点是：传感器结构合理，无需电解质储液腔，电解质渗透柱在支撑体轻微压力下，将其吸收的电解质溶液释放到皮肤表面，涂层电极与电解质渗透柱接触稳定，且接触面积大，因此阻抗低且稳定，测量精度高，长时间佩戴舒适。

Description

一种生物电信号传感器

技术领域

本发明涉及一种生物电信号传感器，广泛用于生物电记录、测量和刺激，包括医疗设备、移动设备、家庭保健、心理认知、游戏、脑-机接口、康复训练和神经营销等，特别是用于无胶生物电测量及可穿戴设备。

背景技术

随着科学技术的发展，生物电（如脑电、心电、肌电等）测量已经广泛应用于各种神经系统疾病的监测诊断和生物电反馈的康复设备。脑电测量还是认知心理研究的一个重要实验手段。为了获取精准的微弱脑电信号，要求电极和头皮有良好接触，电极阻抗较低且稳定。脑电测量电极阻抗一般要求小于100 kOhm，最好小于5 kOhm。为达到满意的测量阻抗，需要在电极和头皮之间涂覆导电胶（膏），克服头发对测量的影响。这种传统的湿电极（指需要导电胶的电极）使用，虽然达到满意的测量阻抗，但存在耗时和不舒适等问题，严重限制了应用范围。

随着移动医疗和健康监测的发展，可穿戴设备和移动医疗设备亟需配套使用无需涂覆导电胶的电极，即无胶电极。这类无胶电极主要分为干电极、半干电极。所述干电极，即不使用任何电解质；半干电极是指通过无机或高分子多孔材料将微量的导电溶液（电解质）渗透到皮肤表面。无论是干电极还是半干电极，由于没有或仅靠微量的电解质溶液与皮肤表面接触，阻抗相对胶基电极高，阻抗受电极皮肤接触的影响更加敏感。因此，无胶电极的关键就是维持电极与皮肤接触良好，这就对电极的设计提出了新的挑战。

现有干电极技术采用刚性的管状镀金小柱，前端封端前置放大器，虽然这种设计能较好地穿过头发，但是存在以下问题：（1）电极-皮肤阻抗较高，移动伪差大；（2）由于刚性小柱直接与皮肤接触，有较强的疼痛感，佩戴不舒适，特别是长时间测量更为不舒适。也有采用导电塑料制成的爪子式设计，由于电极-皮肤界面干接触，因此，需要电极支撑施加较大压力降低电极-皮肤阻抗，也存在疼痛和不舒适的问题。

与本发明最接近的现有技术是CN CN103932704A，公布了一种用于湿电极的皮肤接触装置，湿电极储液箱，以及具有该湿电极储液箱的脑电采集电极。脑电采集电极包括金属盖，金属壳，以及湿电极储液箱，该湿电极储液箱的底部还设有背离湿电极储液箱延伸的多孔金属柱，用于输送导电液，金属柱一端与所述金属极板电气连接，另一端用于与皮肤接触。该技术方案由于多孔金属柱输送导电液在皮肤表面，阻抗相对干电极较低。但是电解质渗透柱本身不能吸收导电液，需要额外的储液箱，结构比较复杂，导电液用完后需要进行灌装。另外，长时间使用后，多孔金属柱直接作用皮肤，会产生较强的疼痛感，存在不舒适的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术电极-皮肤阻抗过高，长时间使用造成受体的疼痛和不舒适缺陷，提供一种生物电信号传感器。该传感器结构合理，无需电解质储液腔；电解质渗透柱在支撑体轻微压力下，将其吸收的电解质溶液释放到皮肤表面，涂层电极与电解质渗透柱接触稳定，且接触面积大，因此阻抗稳定，信号采集精度高，长时间佩戴舒适，稳定工作时间长，适合长程生物电信号采集。

本发明生物电信号传感器的技术方案是：

一种生物电信号传感器，它包括电极体，电解质渗透柱，电极，以及电连接件；所述电极体具有空腔本体和空腔一端的上封盖；所述的电解质渗透柱是嵌入固定在电极体的空腔中，并与空腔中电极电接触；电解质渗透柱露出电极体的空腔之外的端面用于同生物体皮肤接触；电极通过电极体上的电连接件与外电路导线连接；所述的电极为电极体的空腔内壁上、和/或内壁顶面上的导电层，或导电线，或导电片。

进一步的技术方案是：

所述的生物电信号传感器，其电极体的本体与上封盖为一体式结构，该结构是本体与上封盖为一次成型的整体，或粘结成的整体。

所述的生物电信号传感器，其电解质渗透柱嵌入固定在空腔中的构件是电极体的空腔下侧内壁上固定的弹片，或由空腔下端外固定向空腔内延伸的弹片，或下端内壁上整体的卡柱，或下端内壁上整体的止口。

所述的生物电信号传感器，其电解质渗透柱嵌入固定在空腔中的结构是电极体的空腔下腔直径小于上腔直径的喇叭形。

所述的生物电信号传感器，其电极体的本体与上封盖为能拆分的分体式结构，该结构是本体外部的外螺纹与上封盖的内螺纹匹配，或本体通过卡件与上封盖固定连接。

所述的生物电信号传感器，其电连接件为公母扣；外电路导线与导电的母扣连接；公扣为导电材料，镶嵌、或粘结在绝缘材料制成的上封盖端面上，或与上封盖一次成型。

所述的生物电信号传感器，其电连接件的公扣为非导电材料，该公扣与电极体的上封盖通过绝缘材料一次成型；公扣其凸起的圆柱上缠绕银丝，该银丝与电极连接。

所述的生物电信号传感器，其电连接件为固定在电极体的本体周边的定位片上的导电片，外电路导线与导电片焊接。

所述的生物电信号传感器，其电解质渗透柱为锥形，或圆柱形。

所述的生物电信号传感器，其导电层为电极体空腔内壁上和/或内壁顶表面涂覆的或镀上的银层、或银/氯化银层。

所述的生物电信号传感器，其电解质渗透柱为海绵、或泡棉、或水凝胶、或纤维材料制成。

上述的生物电信号传感器，其电极体外周上有用于固定的凹槽，以使于将生物电信号传感器固定安装在支撑体上，形成可穿戴式采集装置，如采集帽，或绑带，或背心，头盔等。

本发明有益效果:

1.本发明提供的生物电信号传感器无需电解质储液腔，结构简单，使用前只需将传感器浸泡在电解质溶液中，电解质渗透柱快速吸收电解质，使用时在支撑体轻微的压力下即可将吸收的电解质溶液渗透到皮肤表面，润湿皮肤，快速降低电极-皮肤阻抗，阻抗低且稳定。

2.电解质渗透柱采用海绵、泡棉、水凝胶等材料具有多孔结构，能吸收较多的电解质溶液，能长时间持续渗透，可以稳定工作12h以上，因此，适合长程生物电信号的采集。传感器只需浸泡在电解溶液中即可自动吸收补充电解质，相对于需要手动往储液腔内灌装电解质溶液的现有技术，更加方便。电解质渗透柱可以反复多次吸收、渗透电解质，使用的时间长，长时间佩戴舒适。

3.电极为银或氯化银涂层电极，电极与电解质渗透柱的接触稳定且接触面积大，与现有技术相比，电极-皮肤阻抗更小，且能长时间维持低阻抗。

4.电连接件当为与电极体通过绝缘材料一次成型的公扣，其凸起的圆柱缠绕银丝，外电路通过与其匹配的母扣连接，由于银丝在含氯离子的电解液中容易形成氯化银，即使长时间浸泡在电解质中，也不会影响信号采集的精度。

附图说明

图1为生物电信号传感器一个实施例的局部剖视的主视图；电极体为一体式，电解质渗透柱为圆柱形，电极为导电层，电极连接片与上封盖内顶面贴平，固定电解质渗透柱的是内壁上固定的弹片：电连接件为公母扣，公扣上有电极导线，所述的导电层为空腔内壁的银或银/氯化银涂层。

图2为图1的局部剖视的俯视图。

图3为生物电信号传感器又一个实施例的局部剖视的主视图；电极体为一体式，电解质渗透柱为圆柱形，电极为导电片，该导电片同时为电极连接片，并从上封盖内顶面向下延伸，固定电解质渗透柱的是内壁上固定的弹片。

图4为生物电信号传感器又一个实施例的局部剖视的主视图；电极体为一体式，电解质渗透柱为下部直径下部小于上部直径的圆柱形，电极为导电层，电极导线与上封盖内顶面导电层直接联通，固定电解质渗透柱的是固定在电极体的本体外部伸向内壁的弹片。

图5为图4的左视图。

图6为生物电信号传感器又一个实施例的轴向全剖视的主视图；电连接件公扣为导电体，镶嵌入绝缘材料制成的上封盖中，固定电解质渗透柱的是与内壁为一整体的卡柱。

图7为图6的A-A剖视图。

图8为生物电信号传感器又一个实施例的局部剖视的主视图；电极体的空腔为喇叭形，其下腔直径小于上腔直径。

图9为生物电信号传感器又一个实施例的局部剖视的主视图；电连接件为固定在电极体外周的定位片上的导电片的示意图；外电路导线与导电片相连。

图10为生物电信号传感器又一个实施例的轴向全剖视的主视图；电极体为分体式，电极体的本体与上封盖为能拆分的分体式结构；该本体外部的外螺纹与上封盖的内螺纹匹配；空腔的下端有用于嵌入固定电解质渗透柱的止口。

图11为电极体上封盖局部剖视的主视图；电连接件与上封盖为绝缘材料一次成型，电连接件公扣的圆柱上缠绕银丝。

图12为图11的B-B剖视图；电连接件公扣圆柱上缠绕的银丝穿过电极体的上封盖后粘结在电极体内表面上；本实施例中电极为电极体上封盖内表面的银或银/氯化银涂层；粘结在电极体内表面上的银丝还可以独立作为电极。

图中：1-电极体；1.1-电极体的空腔；1.2-电极体的本体；1.3-电极体封上盖；2-电解质渗透柱；3-电极；3.1-电极导线；3.2-电极连片；4-电连接件；4.1-公扣；4.2-母扣；5-银丝；6-定位片；7-导电片；8-电解质渗透柱固定件；8.1-弹片；8.2-卡柱；8.3-止口；9-外电路导线；a-电极体的下腔；b-电极体的上腔。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：是本发明的一个基本实施例。如附图所示，一种生物电信号传感器，它包括电极体1，电解质渗透柱2，电极3，以及电连接件4；所述电极体1具有空腔1.1本体1.2和空腔一端的上封盖1.3；所述的电解质渗透柱2是嵌入固定在电极体的空腔1.1中，并与空腔中电极3电接触；电解质渗透柱2露出电极体的空腔1.1之外的端面用于同生物体皮肤接触；电极3通过电极体1上的电连接件4与外电路导线9连接；所述的电极3为电极体的空腔1.1内壁上、和/或内壁顶面上的导电层，或导电线，或导电片。

与现有技术相比，本发明的生物电信号传感器，无需电解质储液腔，结构简单，使用前将传感器浸泡在电解质溶液中，电解质渗透柱快速吸收电解质，使用时在支撑体轻微的压力下即可将吸收的电解质溶液渗透到皮肤表面，润湿皮肤，快速降低电极-皮肤阻抗，阻抗低且稳定。由于电解质渗透柱为海绵、泡棉、水凝胶、纤维等材料，具有多孔结构，能吸收较多的电解质溶液，能长时间持续渗透，可以稳定工作12h以上，因此，适合长程生物电信号的采集。传感器只需浸泡在电解溶液中即可自动吸收补充电解质，而现有技术需要灌装电解质溶液，更加方便。电解质渗透柱可以反复多次吸收、渗透电解质，使用的时间长，长时间佩戴舒适。

实施例2：是进一步的实施例。如附图1～9所示，在实施例1的基础上，所述的生物电信号传感器，其电极体1的本体1.2与上封盖1.3为一体式结构，该结构是本体1.2与上封盖1.3为一次成型的整体，或粘结成的整体。整体结构使用方便，工艺简单，用料少，成本低。导电层为电极体空腔内壁上和/或内壁顶表面涂覆的或镀上的银层、或银/氯化银层。所述的银或银/氯化银涂层直接与所述的电极体端面的电连接件，所述的银或银/氯化银涂层还可以只涂覆到电极体上封盖的内表面，也可以同时在电极体的主体空腔内表面均勺涂覆。优点是：电极为银或氯化银涂层电极，电极与电解质渗透柱的接触稳定且接触面积较大，与现有技术相比，电极-皮肤阻抗更小，且能长时间维持低阻抗。与电极小柱稍微露出电极体密封端的技术方案相比，即使顶端的海绵吸收的电解质已经用完，电极体内腔下方的内壁仍有涂层即电极与多孔渗透柱接触，因此传感器工作时间更长。所述的电解质渗透柱2为海绵、或泡棉、或水凝胶、或纤维材料制成。所述纤维以植物纤维为佳，如棉花，还可以是无机化合的中空棉。

实施例3：是进一步的实施例。如附图3、4、5所示，在实施例1的基础上，所述的生物电信号传感器，其电解质渗透柱2嵌入固定在空腔1.1中的构件是电极体的空腔1.1下侧内壁上固定的如图1、3、9所示弹片8.1；还有实施例是：如图4、5所示由空腔下端外固定向空腔内延伸的弹片8.1；如图6所示下端内壁上整体的卡柱8.2；如图10所示下端内壁上整体的止口8.3。弹片8.1、卡柱8.2在空腔1.1内壁上是均匀分布。弹片8.1，或卡住8.2，或止口8.3用于将电解质渗透柱2卡持固定，防止电解质渗透柱在使用时掉落。

如图1、3、9所示，电解质渗透柱2为圆柱形。

实施例4：是进一步的实施例。如附图8、10所示，在实施例1的基础上，所述的生物电信号传感器，电解质渗透柱2嵌入固定在空腔1.1中的结构是电极体的空腔1.1下腔直径a小于上腔直径b的喇叭形，也是用于将电解质溶液的电解质渗透柱2卡持固定，防止电解质渗透柱在使用时掉落，该结构更简单，使用方便。

实施例5：是进一步的实施例。如图10所示，在实施例1的基础上，电极体1的本体1.2与上封盖1.3为能拆分的分体式结构，该结构是本体1.2外部的外螺纹与上封盖1.3的内螺纹匹配。优点是方便更换电解质渗透柱，可将多孔渗透柱作为一次性耗材。所述的电解质渗透柱2为锥形，由于电极体的空腔内电解质渗透柱与电极接触的上端大于工作的下端，电解质渗透柱不易从电极体空腔中掉落。

与本实施例5类似的方案还有：将本体1.2通过卡件与上封盖1.3固定连接。

实施例6：是进一步的实施例。如附图1、3、4、5、6、8、10、11所示，在实施例1的基础上，所述的生物电信号传感器，电连接件4为公母扣；外电路导线9与导电的母扣4.2连接；公扣4.1为如图3、6、10导电材料，镶嵌、或粘结在绝缘材料制成的上封盖1.3端面上，或与上封盖1.3一次成型。所述的导电母扣与导电公扣由金属、或导电塑料、或导电硅胶材料制成。所述的导电材料优选导电塑料、导电硅胶。该传感器结构简单，加工方便。电连接件4与外电路通过公母扣式连接，既可实现与外电路的电连接，又可通过公扣、母扣将传感器固定在支撑体上。传感器可以根据需要灵活地固定安装支撑体上，提高了传感器的利用率。

实施例7：是进一步的实施例。与实施例6不同的是，如附图1、4、5、8、11所示，所述的生物电信号传感器，电连接件4的公扣4.1为非导电材料，该公扣与上封盖1.3通过绝缘材料一次成型；公扣4.1其凸起的圆柱上缠绕银丝5，该银丝5与电极3连接。所述的银丝穿过电极体上封盖，固定在电极体上封盖内表面上。

实施例8：是进一步的实施例。如图9所示，所述的电连接件4为固定在电极体的本体1.2周边的定位片6上的导电片7，外电路导线9与导电片7焊接。所述的电连接件4还可以是直接焊接在电极3的外电路导线9。

实施例9：如附图11、12所示，本实施例中银丝直接与作为电极的银或银/氯化银涂层相连。由于银丝在含氯离子的电解液中容易形成氯化银，因此，即使长时间浸泡在电解质中，也不会影响信号采集的精度。本实施例中粘结在电极体内表面上的银丝还可以独立作为电极。

上述的生物电信号可以通过公母扣或电极体的本体1.2外部卡槽固定安装在如支撑带或帽的支撑体上，形成可穿戴式采集装置，如采集帽，或绑带，或背心，头盔等。

本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (11)

1.一种生物电信号传感器，其特征在于，包括电极体（1），电解质渗透柱（2），电极（3），以及电连接件（4）；所述电极体（1）具有空腔（1.1）本体（1.2）和空腔一端的上封盖（1.3）；所述的电解质渗透柱（2）是嵌入固定在电极体的空腔（1.1）中，并与空腔中电极（3）电接触；电解质渗透柱（2）露出电极体的空腔（1.1）之外的端面用于同生物体皮肤接触；电极（3）通过电极体（1）上的电连接件（4）与外电路导线（9）连接；所述的电极（3）为电极体空腔（1.1）的内壁侧面上和内壁顶面上的导电层，电解质渗透柱（2）与所述的内壁侧面上和内壁顶面上的导电层接触。

2.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，电极体（1）的本体（1.2）与上封盖（1.3）为一体式结构，该结构是本体（1.2）与上封盖（1.3）为一次成型的整体，或粘结成的整体。

3.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，电解质渗透柱（2）嵌入固定在空腔（1.1）中的构件是电极体的空腔（1.1）下侧内壁上固定的弹片（8.1），或由空腔下端外固定向空腔内延伸的弹片（8.1），或下端内壁上整体的卡柱（8.2），或下端内壁上整体的止口（8.3）。

4.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，电解质渗透柱（2）嵌入固定在空腔（1.1）中的结构是电极体的空腔（1.1）下腔直径小于上腔直径的喇叭形。

5.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，电极体（1）的本体（1.2）与上封盖（1.3）为能拆分的分体式结构，该结构是本体（1.2）外部的外螺纹与上封盖（1.3）的内螺纹匹配，或本体（1.2）通过卡件与上封盖（1.3）固定连接。

6.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，所述的电连接件（4）为公母扣；外电路导线（9）与导电的母扣（4.2）连接；公扣（4.1）为导电材料，镶嵌、或粘结在绝缘材料制成的上封盖（1.3）端面上，或与上封盖（1.3）一次成型。

7.根据权利要求6所述的生物电信号传感器，其特征在于，所述的电连接件（4）的公扣（4.1）为非导电材料，该公扣与上封盖（1.3）通过绝缘材料一次成型；公扣（4.1）其凸起的圆柱上缠绕银丝（5），该银丝（5）与电极（3）连接。

8.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，所述的电连接件（4）为固定在电极体的本体（1.2）周边的定位片（6）上的导电片（7），外电路导线（9）与导电片（7）焊接。

9.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，所述的电解质渗透柱（2）为锥形，或圆柱形。

10.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，导电层为电极体空腔（1.1）内壁侧面上和内壁顶表面涂覆的或镀上的银层、或银/氯化银层。

11.根据权利要求1所述的生物电信号传感器，其特征在于，所述的电解质渗透柱（2）为海绵、或泡棉、或水凝胶、或纤维材料制成。