CN107714021B - 基于ppg脉搏波的血压监测传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片及其制备方法，其包括：衬底，在衬底上设置的柔性介质层，在柔性介质层上设置的漏源电极、栅电极以及心电测量电极，漏源电极、栅电极以及心电测量电极均位于柔性介质层上；在漏源电极的叉指形区域上设置的有源层，在有源层上以及没有覆盖有源层的区域上设置的保护层。本发明的血压监测传感器芯片可以长期无缝贴合人体，同时测量心电信号和多点脉搏波，实现了无创连续的血压监测，且制备方法采用低成本的甩胶工艺和喷墨打印技术，简化了制备工艺。

Description

基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及血压监测技术领域，具体涉及一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片及其制备方法。
背景技术
血压是人体参数中极其重要的一个。人体各个组织器官需要足够的血量来维持正常的新陈代射，而正常的血压是血液循环流动的前提。高血压是许多疾病的诱导因素。而当前的医疗设备大多数只能测量瞬时血压值或者间断性的血压值，并不能完全实现连续的血压测量。
现有技术中的血压的测量方法分为有创测量法和无创测量法。其中无创测量法有超声测压法、动脉张力测量与容积补偿法等等。虽然动脉张力测量可以长时间血压无创测量，但其精确性主要靠传感器的精确定位，精确度较差。且现有的血压测量设备大多数利用袖带充气压迫血管的方法，容易引起被测试者有不舒适感并且不可以长时间测量，给用户带来了不便。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片及其制备方法，旨在解决现有技术中无法实现长时间的连续血压监测的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，包括：衬底，在所述衬底上设置的柔性介质层，在所述柔性介质层上设置的漏源电极、栅电极以及心电测量电极，所述漏源电极、栅电极以及心电测量电极均位于所述柔性介质层上；在所述漏源电极的叉指形区域上设置的有源层，在所述有源层上以及没有覆盖有源层的区域上设置的保护层。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，，所述心电测量电极设置在漏电极和源电极的中间位置。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述柔性介质层为离子凝胶薄膜，且厚度为6μm。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述源漏电极、栅电极和心电测量电极为金电极或银电极。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述有源层为高空穴迁移率、窄带隙聚合物、无机量子点以及金属纳米颗粒的混合体系。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述有源层为高空穴迁移率、窄带隙聚合物与聚合物给体材料形成的有机体异质结体系。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述保护层为聚四氟乙烯。
一种基于上述任一项所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，其中，包括以下步骤：
步骤A、通过甩胶工艺在衬底上旋涂离子凝胶薄膜，形成柔性介质层；
步骤B、通过喷墨打印的方法在所述柔性介质层上打印出漏源电极、栅电极以及心电测量电极；
步骤C、再通过喷墨打印的方法在所述漏源电极、栅电极、心电测量电极上和所述柔性介质层未覆盖漏源电极、栅电极、心电测量电极的区域上打印出有源层；
步骤D、通过甩胶工艺在在所述有源层上以及没有覆盖有源层的区域上旋涂聚四氟乙烯，形成保护层。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，其中，所述步骤B中打印出漏源电极、栅电极以及心电测量电极使用的是金纳米粒子分散液或者纳米银分散液。
所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，其中，所述步骤B和步骤C中的喷墨打印方法均是根据预先画好的CAD图纸进行打印的。
本发明的有益效果：本发明的血压监测传感器芯片可以长期无缝贴合人体，同时测量心电信号和多点脉搏波，实现了无创连续的血压监测，且制备方法采用低成本的甩胶工艺和喷墨打印技术，简化了制备工艺。
附图说明
图1是本发明的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的剖面结构示意图。
图2是本发明的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片中的漏源电极及心电测量电极的结构示意图。
图3是本发明的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现今高血压已经成为最重要的慢性非传染性疾病之一，医疗设备大多数情况都是利用容积补偿法连续测量血压。基于此原理的测量仪器主要有两大类，一类是利用气囊施加外部压力测量，另一类是基于光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy, PPG)。为了实现长时间的无创连续监控用户的血压，本发明公开了一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片。如图1所示，图1是本发明的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的剖面结构示意图。所述血压监测传感器芯片包括：衬底10，在所述衬底10上设置的柔性介质层20，在所述柔性介质层20上设置的漏源电极（漏电极30和源电极40）、栅电极50以及心电测量电极60，所述漏源电极（漏电极30和源电极40）、栅电极50以及心电测量电极60均位于所述柔性介质层上20；在所述漏源电极（漏电极30和源电极40）的叉指形区域上设置的有源层70，在所述有源层70上以及没有覆盖有源层70的区域上设置的保护层80。
本发明所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，设置了漏电极30、源电极40以及心电测量电极60，可以同时进行心电信号的测量以及多点脉搏波的测量，从而实现无创连续的血压监测。
较佳地，所述心电测量电极60设置在漏电极30和源电极40的中间位置。如图2所示，图2是本发明的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片中的漏源电极及心电测量电极的结构示意图。从图2中国可以看出，漏电极30和源电极40分别设置在柔性介质层20的一端的靠近侧边的位置上，而栅电极50位于柔性介质层20的另一端，实现电极与电极之间的间距加大，避免电极在工作时的互相干扰，提高电极测量的准确度。且从图2中可以看出，漏源电极形成的叉指形区域包括漏源电极本身、漏电极30和源电极40两者的连接处（图2中间位置的矩形框）以及位于中间的心电测量电极50。也就说整个叉指形区域包括了漏电极30、源电极40以及心电测量电极60。
较佳地，本发明中所述的柔性介质层20为离子凝胶薄膜，并且离子凝胶薄膜的厚度为6μm。离子凝胶主要成分为离子液体，其中含有阴阳离子。离子液体在电解质/电极的接触面形成双电层，且由于本发明离子凝胶薄膜的厚度仅为6μm，因此具有大电容特性，其电容值为~ 2 μF·cm-2，比传统的氧化物介质层的电容（~ 10 nF·cm-2）大两个数量级，具有大电容性。这种大电容特性可大大减低所述血压监测传感器芯片的工作电压，从而降低整个血压监测传感器芯片的功耗，延长所述血压监测传感器芯片的使用寿命。此外，用于制备所述离子凝胶薄膜所使用的材料具有低表面自由能和高粘度等特性，并且薄膜厚度在μm级别，使得其与人体表面可以紧密贴合，不易脱落。在工作时，通过离子凝胶薄膜的大电容特性就可以把心电信号从人体皮肤处耦合到心电测量电极60上，从而测到心电信号。
进一步地，所述离子凝胶薄膜对波长范围为300~1000nm的光具有较高的透光率，因此在检测脉搏波时使用反射的方法，反射光将从离子凝胶薄膜处进入所述血压监测传感器芯片。因此，在具体的实施时，将本发明所述的血压监测传感器芯片分别贴在用户的左右手臂上，由于柔性介质层20（离子凝胶薄膜）具有低表面自由能和高粘度等特性，且薄膜厚度在μm级别，使得血压监测传感器芯片与人体表面可以紧密贴合，不易脱落，从而实现在检测心电信号的同时，监测到用户多处的脉搏波，并且实现的是连续检测，给用户提供了方便。
进一步地，所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述源漏电极（漏电极30和源电极40）、栅电极50和心电测量电极60为金电极或银电极。由于金电极的功函数较高（为5.1eV）,与大多数p型有机半导体材料相匹配，且其具有良好的导电性和稳定性，因此，本发明中的漏电极30、源电极40、栅电极50和心电测量电极60可使用金电极。具体实施时，可采用喷墨打印的方法将金纳米粒子分散液根据预先画好的电极图纸打印在所述柔性介质层20之上。
较佳地，本发明中的漏电极30、源电极40、栅电极50和心电测量电极60还可使用银电极，虽然银电极的功函数相对于金电极略低，为4.26 eV，但完全可以满足功能需要，并且银电极的成本较低。制作时，同样可采用喷墨打印的方法将纳米银分散液根据预先画好的电极图纸打印在所述柔性介质层20之上。本发明中利用喷墨打印技术，可根据用户的需要制作可控（电极的形状、位置以及大小均可控的电极），制作人员可以根据需求自主的安排各个电极的位置及大小，预先将其画成图纸，然后利用喷墨打印技术即可完成电极制备，而且喷墨打印技术大大简化加工工艺和降低制备成本。
进一步地，所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述有源层70为高空穴迁移率、窄带隙聚合物、无机量子点以及金属纳米颗粒的混合体系。由于无机量子点具有低成本、可溶液加工和带隙可调性等优点，并且还可以拓展材料的吸光范围，而金属纳米颗粒起到了抑制传感器暗电流的作用，因此，所述有源层70可同时捕获光电子，加长载流子寿命，从而使光电流增加。较佳地，所述有源层70还可为高空穴迁移率、窄带隙聚合物与聚合物给体材料形成的有机体异质结体系。其中，聚合物可作为电子给体，而富勒烯衍生物作为电子受体，从而形成所述有源层70。具体地，所述有源层70可采用喷墨打印的方法根据预先画好的图纸在所述漏源电极（漏电极30和源电极40）的叉指形区域上打印出有源层70，从图2中可以看出，叉指形区域包括整个漏源电极，即包括漏电极30和源电极40以及两者相互连接的区域（图2中间位置的矩形框）以及心电测量电极60，也就说，所述有源层70将电极30和源电极40以及心电测量电极60均覆盖了。
进一步地，所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其中，所述保护层80为聚四氟乙烯。所述聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，并且几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点。由于所述保护层80是位于有源层70和没有覆盖有源层70的区域上，也就是说，整个血压监测传感器芯片上都有保护层80。因此，所述保护层80有效隔绝空气和水，起到保护有源层70和电极的作用，从而延长所述血压监测传感器芯片的使用寿命。具体实施时，将本发明所述的血压监测传感器芯片分别贴于人的左右手臂和右腿上。这样可以同时采集到心电信号和人体不同部位的脉搏波。可以消除由单点测量而带来的偶然误差，后期通过算法处理便可得到血管弹性、血压等信息。
基于上述的血压监测传感器芯片，本发明还提供一种如上所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，如图3所示，图3是本发明的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法流程图。其包括步骤：
步骤S100、通过甩胶工艺在衬底上旋涂离子凝胶薄膜，形成柔性介质层；
步骤S200、通过喷墨打印的方法在所述柔性介质层上打印出漏源电极、栅电极以及心电测量电极；
步骤S300、再通过喷墨打印的方法在所述漏源电极的叉指形区域上打印出有源层；
步骤S400、通过甩胶工艺在所述有源层上以及没有覆盖有源层的区域上旋涂聚四氟乙烯，形成保护层。
具体实施时，本发明的衬底10采用的是硅片，首先通过甩胶工艺，以前转500rpm/6s，后转2000rpm/60s的转速在衬底上旋涂一层厚度为6μm的离子凝胶薄膜，从而形成所述柔性介质层20。然后再通过喷墨打印在所述柔性介质层20上可控性地制作电极（包括：漏电极30、源电极40、栅电极50和心电测量电极60）。具体地，在打印时，可将金纳米粒子分散液或者纳米银分散液根据预先画好的电极图纸打印在所述柔性介质层20之上。由于喷墨打印方法可打印5~200微米的尺寸，而所述叉指形区域的尺寸直接影响着血压监测传感器芯片的光电增益和源漏电流。因此利用喷墨打印方法可以打印出漏源电极的叉指形区域。 较佳地，本发明中还可利用光刻工艺在所述柔性介质层20上制备上述电极。
进一步地，再通过喷墨打印的方法根据预先画好的图纸在所述漏源电极（漏电极30和源电极40）的叉指形区域上打印出有源层70。从图2中漏源电极的位置以及形状就可得出打印有源层所需要的图纸形状。较佳地，本发明还可将有源层70材料混合溶解于有机溶剂（二氯苯）中，接着使用甩胶工艺在所述漏源电极（漏电极30和源电极40）的叉指形区域上以前转500rpm/5s，后转1200rpm/60s的转速旋涂上厚度仅为1μm的有源层70。由于本发明是利用光电容积描记法（PPG）来得到脉搏波，因此需要采用波长为近红外波段的发光二极管，并将近红外波段的发光二极管与传感器集成在一起，使所述血压监测传感器芯片可紧密贴合于人的皮肤上。
最后，再通过甩胶工艺在所述有源层70以及没有覆盖有源层70的区域上以800rpm/60 s的转速旋涂一层厚度为1μm的保护层聚四氟乙烯，使保护层80覆盖整个血压监测传感器芯片，保护有源层和电极。具体实施时，将本发明所述的血压监测传感器芯片分别贴于人的左右手臂和右腿上。这样可以同时采集到心电信号和人体不同部位的脉搏波。可以消除由单点测量而带来的偶然误差，后期通过算法处理便可得到血管弹性、血压等信息。
综上所述，本发明提供的一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片及其制备方法，其包括：衬底，在所述衬底上设置的柔性介质层，在所述柔性介质层上设置的漏源电极、栅电极以及心电测量电极，所述漏源电极、栅电极以及心电测量电极均位于所述柔性介质层上；在所述漏源电极的叉指形区域上设置的有源层，在所述有源层上以及没有覆盖有源层的区域上设置的保护层。本发明的血压监测传感器芯片可以长期无缝贴合人体，同时测量心电信号和多点脉搏波，实现了无创连续的血压监测，且制备方法采用低成本的甩胶工艺和喷墨打印技术，简化了制备工艺。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其特征在于，包括：衬底，在所述衬底上设置的柔性介质层，在所述柔性介质层上设置的漏源电极、栅电极以及心电测量电极，所述漏源电极、栅电极以及心电测量电极均位于所述柔性介质层上；在所述漏源电极的叉指形区域上设置有源层，在所述有源层上以及没有覆盖有源层的区域上设置保护层；
所述漏电极和源电极分别设置于所述柔性介质层的一端的靠近侧边的位置；所述栅电极设置于所述柔性介质层的另一端；
所述柔性介质层为离子凝胶薄膜，且厚度为6μm；所述离子凝胶薄膜所使用的材料具有低表面自由能和高粘度的特性；所述漏电极、源电极、栅电极和心电测量电极是将金纳米粒子分散液或纳米银分散液根据预先画好的电极图纸喷墨打印在所述柔性介质层上形成；
所述基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片分别贴在用户的左右手臂上，所述血压监测传感器芯片与人体表面紧密贴合，不易脱落，并且在检测心电信号的同时，监测多点的脉搏波，并实现连续检测；
所述叉指形区域包括漏源电极本身、漏电极和源电极两者的连接处以及位于中间的心电测量电极，所述有源层将漏电极、源电极以及心电测量电极均覆盖；
所述有源层为高空穴迁移率、窄带隙聚合物、无机量子点以及金属纳米颗粒的混合体系；
或者，所述有源层为高空穴迁移率、窄带隙聚合物与聚合物给体材料形成的有机体异质结体系。
2.根据权利要求1所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片，其特征在于，所述保护层为聚四氟乙烯。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、通过甩胶工艺在衬底上旋涂离子凝胶薄膜，形成柔性介质层；
步骤B、通过喷墨打印的方法在所述柔性介质层上打印出漏源电极、栅电极以及心电测量电极；
步骤C、再通过喷墨打印的方法在所述漏源电极的叉指形区域上打印出有源层；
步骤D、通过甩胶工艺在所述有源层上以及没有覆盖有源层的区域上旋涂聚四氟乙烯，形成保护层。
4.根据权利要求3所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤B中打印出漏源电极、栅电极以及心电测量电极使用的是金纳米粒子分散液或者纳米银分散液。
5.根据权利要求3所述的基于PPG脉搏波的血压监测传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤B和步骤C中的喷墨打印方法均是根据预先画好的图纸进行打印的。
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