CN106073752A - 一种具有倾斜微针结构的金属干式电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有倾斜微针结构的金属干式电极及其制造方法，涉及金属干式电极。所述电极设有金属电极芯、弹性内体、外壳、胶布和导线；弹性内体放置在外壳内部，由弹性内体上部的倒齿卡住；金属电极芯设在弹性内体下表面，金属电极芯上设有倾斜角度的微针阵列；导线从外壳中穿过并与金属电极芯相连；胶布粘在外壳两侧。制造方法：将金属薄片夹紧在载物平台上，激光通过激光反光镜后射入金属薄片上，形成具有倾斜角度的微针阵列的金属电极芯，清洗后，在金属电极芯上电镀Ag/AgCl镀层，得表面具有倾斜微针结构的金属电极芯；将导线与金属电极芯连接，将导线穿过外壳；将金属电极芯加热后附在弹性内体下表面上，得具有倾斜微针结构的金属干式电极。

Description

一种具有倾斜微针结构的金属干式电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属干式电极，特别是涉及一种具有倾斜微针结构的金属干式电极及其制造方法。
背景技术
生物电是生物生命活动中器官和组织产生的电位和极性变化。它是生命活动中很重要的一类物理化学变化，是生物活体组织的一个基本特征。在现代医学的研究中，很重视生物电的采集和测量，而电极系统作为生物电采集系统的最前端，与人体皮肤直接接触作用，影响着整个测量系统的精度和稳定性。
传统的生物电采集一般使用湿电极，其主要特征是在测量之前，必须对测量部位进行去除角质层处理，之后还需要涂抹导电凝胶，以达到降低阻抗的目的。这种方法采集生物电因为需要大量的时间用于准备工作，所以很难在日常生活中普及。其次，导电凝胶的性能也会随着采集时间的变化而变化，导致采集到的生物电信号出现失真，影响采集质量。最后，导电凝胶还可能会引起皮肤的过敏反应，使被测对象产生不适。
随着近几年微电子技术、微纳科学技术和光电子技术的发展，干电极生物电采集技术展现出良好的发展前景。干电极生物电测量技术克服了湿电极需要除去角质层和涂抹导电胶的弊端，其采用干电极表面的微针刺破皮肤表面具有高阻抗的角质层，以获得更小的接触阻抗和更加稳定的测量性能。而且相比于湿电极，干电极因为不再需要导电凝胶，所以拥有更长的使用寿命，能够达到长时间测量生物电的要求。目前，制造微针常采用MEMS技术，但因其制造方法的限制，很难制作出具有倾斜角度的微针阵列结构。相比于垂直的微针，具有倾斜角度的微针对人体皮肤具有更强的抓附力，能够有效的减少测量过程中因为电极和皮肤间的运动而产生的误差，此外，倾斜的加工方式使得在激光加工过程中，会使微针有更小的针尖半径和锥度，让微针更易刺破角质层。因此，制造出一种具有倾斜微针结构的金属干式电极对生物电的采集和测量工作来说拥有重要的意义。
本申请人在中国专利CN103393419A中公开一种具有表面微结构阵列的生物医用电极及其制造方法，涉及一种生物医用电极。所述具有表面微结构阵列特征的生物医用电极设有金属电极芯、泡沫材料背衬和屏蔽导线。将金属薄片作为金属电极芯的原材料，采用激光微加工技术在金属电极芯上形成具有纵向距离为0.1～0.3mm，横向距离为0.1～0.3mm的微结构阵列，清洗干燥后用盐酸除去氧化层和杂质，再用酒精清洗后在金属电极芯表面镀Au或Ag/AgCl薄层；将金属电极芯用胶水粘贴于泡沫材料背衬的表面；将屏蔽导线穿透泡沫材料背衬，并通过填充导电银胶方式连接在金属电极芯表面，待导电银胶固化后即可形成金属电极芯与屏蔽导线的无焊连接，得具有表面微结构阵列的生物医用电极。
发明内容
本发明的目的在于针对生物电采集与测量过程中，传统Ag/AgCl电极无法长期使用和一些刺入式干电极无法控制刺入深度等问题，提供在不破坏测量条件的要求下，可以控制开启和关闭以及刺入深度的一种具有倾斜微针结构的金属干式电极及其制造方法。
所述具有倾斜微针结构的金属干式电极设有金属电极芯、弹性内体、外壳、胶布和导线；所述弹性内体放置在外壳内部，由弹性内体上部的倒齿卡住；所述金属电极芯设在弹性内体的下表面，金属电极芯上设有倾斜角度的微针阵列；所述导线从外壳中穿过并与金属电极芯相连；所述胶布粘在外壳两侧。
所述外壳和弹性内体中可设有倒齿结构，倒齿结构设有倾斜角度。
所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，包括以下步骤：
1)将金属薄片作为金属电极芯的材料，将金属薄片夹紧在具有倾斜角度的载物平台上，激光通过激光反光镜后，射入金属薄片上，金属薄片表面会被汽化或熔化，经过重铸过程后，形成具有倾斜角度的微针阵列的金属电极芯，采用盐酸除去氧化层和杂质，再用无水乙醇清洗后，在金属电极芯上电镀Ag/AgCl镀层，得到表面具有倾斜微针结构的金属电极芯；
2)将导线与金属电极芯通过焊接的方式连接，再将导线穿过外壳；
3)将金属电极芯加热后附在弹性内体的下表面上，得具有倾斜微针结构的金属干式电极。
在步骤1)中，所述金属薄片的厚度可为0.3～0.5mm；所述载物平台和激光反光镜的角度和距离相互配合，最好使得加工过程中激光光程一致；所述载物平台和激光反光镜可通过调节角度以加工不同倾斜角度的微针；所述倾斜角度可为0°～45°；所述Ag/AgCl镀层的厚度可为5～10μm。
在步骤3)中，所述弹性内体的下表面可为弹性内体的下表面中心；所述弹性内体的下部设有弹力机构；所述弹性内体可采用高弹性塑料，所述高弹性塑料可采用聚甲醛树脂等；所述弹性内体在装配在外壳中后，滑动弹性体时，能够使金属电极芯以倾斜的角度向下运动。
所述金属电极芯上的微针具有倾斜角度，其角度在0°～45°之间，当微针的倾斜角度太大时，一方面会使得加工变得困难，另一方面大角度的微针很难通过压入的方式刺入皮肤。所述弹性内体在装配在外壳中后，滑动弹性体时，能够使金属电极芯以倾斜的角度向下运动。所述外壳和弹性内体中有倒齿结构，倒齿结构有倾斜角度。通过倒齿间的咬合，能够控制金属电极芯向下运动的距离，倒齿的倾斜角度直接决定了微针压入程度，倾斜角度越大移动一步微针刺入的深度越大。
本发明所制造的具有倾斜微针结构的金属干式电极，倾斜的微针结构，有助于金属电极芯与人体皮肤更好的贴合，减少皮肤接触阻抗；弹性内体能够控制微针结构刺入人体皮肤的深度，使其适用面更广，在测量过程中不易产生痛感；胶布与外壳的连接方式有助于在替换胶布过程中保护金属电极芯。因此，该电极具有适用人群广、方便控制、接触阻抗小、方便更换的优点，从而可以提高采集和测量生物电的精度。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
本发明采用激光反光镜反射激光，并射入倾斜的金属薄片表面以加工电极芯，并将加工好的金属电极芯嵌入弹性内体上，导线通过外壳与金属电极芯相接，制造形成一种具有倾斜微针结构的金属干式电极，采用此种方法加工得到的电极因为具有倾斜的微针结构，所以能够更好的贴合皮肤，以降低接触电阻；此外，倾斜的微针也更容易刺破皮肤表面的角质层。相比于没有倾斜角度的微针电极在测量过程中无法控制刺入深度和压入时的力度无法控制的问题，具有倾斜结构的电极能够更好的控制刺入深度，以适合不同人群，并且倾斜的微针更易刺入角质层，减小压入的力度，使得电极使用时更加舒适；最后，因为外壳的保护作用，在替换胶布过程中能够有效的保护电极芯上的微针结构和背面的焊接点，达到延长使用寿命的目的。因此，利用该方法制造的具有倾斜微针结构的金属干式电极，不仅能够提高使用过程中与人体皮肤的贴合长度，还能控制微针刺入深度，减轻使用过程中的痛感，而且还具有可重复使用、适应人群广、稳定性好的优点。这种生物电极在推进干式电极测量生物电的领域上将发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法。
图2为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的背面结构示意图。
图3为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的正面结构示意图。
图4为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的弹性内体剖面图。
图5为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的弹性外壳剖面图。
图6为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的弹性内体使用示意图。
图7为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的弹性外壳使用示意图。
图8为本发明所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的金属电极芯示意图。
具体实施方法
下面就本发明的具体实施方法作进一步的说明，但本发明的具体实施方法不限于此。
实施例1：
如图2和图3所示，一种具有倾斜微针结构的金属干式电极，包括弹性内体1、外壳2、胶布3、导线4、金属电极芯5；弹性内体1放置在外壳2内部，由上部的倒齿卡住。所述金属电极芯5设在弹性内体1的下表面，导线5从外壳2中穿过并与金属电极芯5相连；胶布4粘在外壳2两侧。
制造工艺方法包括以下步骤：
如图1所示，包括激光器11、工件夹具12、激光反射镜13、反射镜夹具14、金属薄片15、固定板16；工件夹具12将金属薄片15加紧固定，激光反射镜13置于反射镜夹具14上，通过固定板16将反射镜夹具14和工件夹具12固定。
第一步激光加工。将金属薄片夹紧后，首先需要根据反射定律确定激光夹具和工件夹具的倾斜角度和距离，以保证加工过程中激光光程保持一致；其次，平移工件夹具，使得激光在金属片表面聚焦，以达到最优的加工效果；最后，激光加工得到间隔为0.1mm的具有倾斜角度的微针阵列。
第二步清洗，激光加工完成后，首先将金属薄片放置在稀盐酸中进行清洗以除去表面氧化物，再使用无水乙醇进行清洗以除去油脂等杂质。
第三步电镀，配置溶液使AgNO3,K2S2O5,Na2S2O3质量比为1∶1∶5，调节pH值为5.8左右。将清洗后的金属电极芯置于阴极，银块置于阳极，为金属电极芯表面电镀银。
第四步焊接导线，采用钎焊的方法将加工好的金属电极芯和导线连接起来，需要焊接良好不虚焊，以保证其良好的接触性防止脱落。
第五步装配，首先将导线穿过外壳和弹性内体，并将金属电极芯附在弹性内体上；其次将弹性内体扣入外壳中；最后将胶布贴在外壳的两端，完成金属干式电极的装配，获得一种具有倾斜微针结构的金属干式电极。
利用该方法制造的具有倾斜微针结构的金属干式电极，不仅能够提高使用过程中与人体皮肤的贴合长度，还能控制微针刺入深度，减轻使用过程中的痛感，而且还具有可重复使用、适应人群广、稳定性好的优点。

Claims (10)

1.一种具有倾斜微针结构的金属干式电极，其特征在于设有金属电极芯、弹性内体、外壳、胶布和导线；所述弹性内体放置在外壳内部，由弹性内体上部的倒齿卡住；所述金属电极芯设在弹性内体的下表面，金属电极芯上设有倾斜角度的微针阵列；所述导线从外壳中穿过并与金属电极芯相连；所述胶布粘在外壳两侧。
2.如权利要求1所述一种具有倾斜微针结构的金属干式电极，其特征在于所述外壳和弹性内体中设有倒齿结构。
3.如权利要求2所述一种具有倾斜微针结构的金属干式电极，其特征在于所述倒齿结构设有倾斜角度。
4.如权利要求1所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将金属薄片作为金属电极芯的材料，将金属薄片夹紧在具有倾斜角度的载物平台上，激光通过激光反光镜后，射入金属薄片上，金属薄片表面会被汽化或熔化，经过重铸过程后，形成具有倾斜角度的微针阵列的金属电极芯，采用盐酸除去氧化层和杂质，再用无水乙醇清洗后，在金属电极芯上电镀Ag/AgCl镀层，得到表面具有倾斜微针结构的金属电极芯；
2)将导线与金属电极芯通过焊接的方式连接，再将导线穿过外壳；
3)将金属电极芯加热后附在弹性内体的下表面上，得具有倾斜微针结构的金属干式电极。
5.如权利要求4所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属薄片的厚度为0.3～0.5mm。
6.如权利要求4所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述载物平台和激光反光镜的角度和距离相互配合，使得加工过程中激光光程一致。
7.如权利要求4所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述载物平台和激光反光镜通过调节角度以加工不同倾斜角度的微针；所述倾斜角度可为0°～45°。
8.如权利要求4所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述Ag/AgCl镀层的厚度为5～10μm。
9.如权利要求4所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于在步骤3)中，所述弹性内体的下表面为弹性内体的下表面中心；所述弹性内体的下部设有弹力机构。
10.如权利要求4所述具有倾斜微针结构的金属干式电极的制造方法，其特征在于在步骤3)中，所述弹性内体采用高弹性塑料，所述高弹性塑料可采用聚甲醛树脂；所述弹性内体在装配在外壳中后，滑动弹性体时，能够使金属电极芯以倾斜的角度向下运动。
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