CN108324274A - 一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极及其制备方法，该多通道表面肌电极器件包括电极、互连导线、引线接口、衬底和封装层，除引线接口外均采用超薄网状结构周期排布形成。器件总厚度只有几个微米并具备很好的可延展性和复杂曲面不规则形状自适应性，且器件的力学性能与人体皮肤相似，测量过程中器件如同纹身或贴画一样，能够仅依靠器件与皮肤之间的范德华力作用自适应紧密贴合在皮肤表面，并随着皮肤的变形一起变形而不失效。该表面肌电极采用可延展柔性电子技术与传统的微纳加工方法兼容制备获得，感知电极的通道数可根据需求进行扩展，利于肌电信号的大规模、高密度采集。

Description

一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极及其制备方法，属于生物表面肌电信号采集和生物医用器件制造、可穿戴、可延展柔性电子器件和移动医疗器械领域。

背景技术

表面肌电信号是人体肌肉活动过程中产生的低频微弱信号，包含着大量与人体生理健康相关的信息，在肌肉活动的局部疲劳程度和肌力水平评估，肌肉劳损部位精准定位以及肌肉康复治疗等肌肉医学诊断领域、手语手势识别，移动物联网等人机交互方面都发挥着关键的作用。当前表面肌电信号的采集都集中于利用传统导电银胶的刚性电极进行测试，虽然短期内能够获取到稳定的高质量的肌电信号，但是受限于电极大的尺寸和导电银胶长时间使用过程中电学性能显著下降等因素的影响，高密度，可长时间的在线测量肌电信号一直得不到解决。同时刚性的电极与柔软的皮肤接触也给患者带来不舒适感。

随着微加工方法和基于柔性印刷电路板技术的发展，柔性的、具备高空间密度的表面肌电极获得了广泛的关注和大量的研究。在某种程度上改善了之前电极空间分辨率不高、不轻便的问题，但是柔性的表面肌电极不具备可延展和可拉伸性能，不能与皮肤完美的贴合测试，造成测量的肌电信号质量差，稳定性不好。常常需要导电胶的辅助才能正常使用，依然无法长期有效地测量肌电信号。

近几年，随着可延展柔性电子技术和移动物联网技术的发展，一大批可穿戴、可长期在线测量人体重要生理指标的移动医疗器械被设计和发明出来。这类具备非常好的优点，包括器件结构上非常柔软、厚度薄重量亲，与人体亲和力好且能适应皮肤复杂变形；器件测量精度高，测试舒适感好等。这些技术的发展很好的解决了之前生物医学器件的诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极及其制备方法，主要针对现有表面肌电极的器件较厚和不具备可拉伸性能，与复杂不规则曲面包括生物组织或皮肤等亲和力、贴合质量差的不足，解决的问题包括但不限于：(1)测量电极采用超薄网状结构设计，本发明设计和制备的测量电极采用超薄网状结构设计，器件非常柔软且具优异的可拉伸性能，能够类似“纹身”或“贴画”一样自适应紧密贴合在复杂不规则曲面上，比如人体的皮肤，且能承受人体皮肤在人自然活动过程中产生的复杂变形，提高测量舒适感。(2)可穿戴、长期在线测量的能力，本发明设计和制备的表面肌电极结构柔软，生物亲和力好，与皮肤接触紧密，无需导电凝胶的情况下测量很好质量的肌电信号。因此可用于人体表面肌电信号长期穿戴式、在线监测。

一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极，,它包括N个电极、互联导线、衬底、封装层、引线接口；所述的引线接口包括N个引线端，各电极分别通过互联导线连接至引线接口的一个引线端，衬底和封装层设置于电极、互联导线和引线接口上下两侧，且仅使各电极及引线接口裸露。所述的电极、互联导线、衬底、封装层均采用网状结构，衬底及封装层采用柔性材料。

上述技术方案中，所述的电极采用生物兼容的导电材料，包括金、银、氯化银或石墨烯。

所述的衬底及封装层采用聚合物材料，包括聚酰亚胺薄膜、PET。厚度均不超过5μm。

该表面肌电极还可以包括设置于整个器件背面的生物兼容薄膜，所述的生物兼容薄膜采用医用半透薄膜、生物医用胶布或PDMS、Ecoflex。

上述的类皮肤多通道表面肌电极采用可延展柔性电子技术制备，与传统微纳加工方法或半导体工艺兼容和有效结合。

一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极的制备方法，该方法包括以下步骤：

在玻璃上旋涂一层柔性材料(如聚酰亚胺薄膜)作为衬底材料，并在聚酰亚胺薄膜衬底上利用微纳加工方法形成蛇形网状电极、蛇形网状互联导线和引线接口；接着在图形化的功能层上旋涂柔性的封装层(如聚酰亚胺)，并利用微纳加工方法形成蛇形网状衬底、蛇形网状柔性封装层，并选择性移除电极处和引线接口处的封装层材料；最后将制备好的器件从玻璃上释放下来并在预留的引线接口处连接上软的排线方便数据采集；将器件直接贴合到皮肤上或者通过生物兼容薄膜贴合到皮肤上可进行肌电信号采集，完成类皮肤多通道表面肌电极的制备。

本发明相比于当前表面肌电极具有以下几个突出的优点和有益效果：

①测量电极采用超薄网状结构设计，传统的刚性电极和柔性电极大多采用平面实心的圆形金属片作为肌电信号的感知电极，而人的皮肤表面在微观下表面是凹凸不平的结构，致使平面的实心电极在测试时和人体皮肤自适应接触不好，而本发明的电极可做到厚度小于10μm，该超薄网状结构的电极能够依靠电极与皮肤之间的范德华力贴附在不规则皮肤表面，能够有效改善器件与皮肤之间的亲和力，提高测试舒适感和测量信号质量。

②本发明设计和制备的类皮肤多通道表面肌电极与皮肤亲和力好，接触质量高，测量信号的质量好，在无需导电凝胶的辅助下可长期穿戴式在线测量高质量的表面肌电信号。

③本发明设计和制备的表面肌电极制备所采用的可延展柔性电子技术与传统微加工方法或半导体技术兼容，器件加工精度精细，制备过程简单，易于高密度电极阵列、低价大批量生产。

附图说明

图1为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极4种代表性网状结构单元体示意图；

图2为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极网状电极、网状互连导线、引线接口示意图；

图3为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极网状衬底示意图；

图4为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极网状封装层示意图；

图5为本发明实施例的基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件整体结构和细节截面示意图；

图6为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件自适应贴合在人体皮肤上的变形图；

图7为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件自适应贴合在人体皮肤上测试示意图和采集的部分肌电信号；

图8为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件贴合在生物兼容的半透膜上并连接好软的排线；

图9为本发明基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件制备流程图；

图中：1-电极；2-互联导线；3-引线接口；4-衬底；5-封装层。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施例进一步说明。

一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极，它包括N个电极1、互联导线2、衬底3、封装层4、引线接口5；所述的引线接口5包括N个引线端，各电极1分别通过互联导线2连接至引线接口5的一个引线端，衬底3和封装层4设置于电极1、互联导线2和引线接口5上下两侧，且仅使各电极1及引线接口5处裸露。所述的电极1、互联导线2、衬底3、封装层4均采用网状结构，衬底及封装层采用柔性材料。

下面结合实例说明：

如图1所示，为本实例基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极4种代表性网状结构及其单元体的示意图，主要包括蛇形结构、2种格珊结构和自相似蛇形结构。本实例中的多通道表面肌电极的测量电极、互连导线、衬底和封装层均采用第一种网状结构为例进行说明。

如图2所示，为本实例基于网状蛇形结构设计的类皮肤多通道表面肌电极设计示意图，主要包括9个电极1、互联导线2、引线接口3。电极1和互联导线2均采用蛇形网状结构设计。

9个电极1采用线性排列方式，从上到下依次编号为1到9；下侧引线接口4从左到右依次编号为1到9，测量电极按编号1到9分别和引线接口4的序号1到9利用蛇形网状的互联导线2对应相连。电极1直径为4mm的圆，内部采用蛇形网状结构，同一列相邻电极1的间距为8.85mm。

如图3和图4所示，为本实例基于网状蛇形结构设计的类皮肤多通道表面肌电极衬底3和封装层4结构设计示意图。衬底3和封装层4分别位于电极1的上方和下方，且均采用蛇形网状结构设计。

如图5所示，为本实例基于网状蛇形结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件整体结构和细节截面示意图。器件结构整体呈网状结构，且只有5微米厚，非常的柔软且有很好的可拉伸性能。器件除电极和引线接口处裸露外，其它地方均采用蛇形网状可拉伸材料进行封装。

电极1、蛇形网状柔性可拉伸互连导线2和引线接口3的材料为铬/金复合，铬、金厚度分别为10nm和200nm。

蛇形网状柔性可拉伸衬底4和蛇形网状柔性可拉伸封装层5采用的材料均为聚酰亚胺或PET，厚度分别为2.5微米。

生物兼容薄膜的材料为3M胶布、医用泡沫胶、PDMS或Ecoflex，可贴在器件反面，增加器件与皮肤之间的粘合力。

如图6所示，为本实例基于网状蛇形结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件功能部分贴合在人胳膊上随着皮肤一起变形图。本实例中的器件由于具备超薄和可延展柔性的特性，能够像“纹身”或者“贴画”一样自适应的贴合在皮肤表面，承受皮肤各种复杂变形引起的器件变形，包括收缩、拉伸、扭转，且不会约束皮肤的变形，造成不适感。

如图7所示，为本实例基于网状蛇形结构设计的类皮肤多通道表面肌电极制备的成形器件贴合在皮肤上进行测试图和本实例多通道表面肌电极采集的肌电信号图。可以看到，本实例多通道表面肌电极采集的肌电信号干扰小，信号质量高。

如图8所示，为本实例基于网状蛇形结构设计的类皮肤多通道表面肌电极制备成形的器件贴合在生物兼容的3M半透膜胶布上并接好软的排线图。软的排线一端采用热压焊的方式与器件引线接口连接，另一端采用可重复使用的插拔式设计。这样的器件设计可以视为一个方便有效的多通道表面肌电信号在线监测贴片，经过简单的商业包装设计应用于未来表面肌电信号移动测量设备。

如图9所示，本发明实例的一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极器件具体制备流程，包括以下步骤：

1)设计并制作用于制备图形化的蛇形网状柔性可拉伸衬底、蛇形网状柔性可拉伸互连导线和电极和引线接口、蛇形网状柔性可拉伸封装层的掩膜版；

2)在玻璃上贴合一层或旋涂一层柔性聚酰亚胺薄膜作为衬底材料；

3)在聚酰亚胺薄膜上依次溅射生长铬、金薄膜并利用掩膜版图形化出9个电极、蛇形网状柔性可拉升互联导线和引线接口；

4)在图形化的功能层上旋涂聚酰亚胺封装层，并利用掩膜版图形化出蛇形网状柔性可拉伸衬底、蛇形网状柔性可拉伸封装层，并选择性移除9个电极处和引线接口处的封装层材料；

5)将制备好的器件从玻璃上释放下来并在预留的引线接口处连接上软的排线方便数据采集；

6)将器件直接贴合到皮肤上或者通过生物兼容薄膜贴合到皮肤上进行肌电信号采集，完成基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极的制备。

Claims (7)

1.一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极，其特征在于，它包括N个电极(1)、互联导线(2)、衬底(3)、封装层(4)、引线接口(5)；所述的引线接口(5)包括N个引线端，各电极(1)分别通过互联导线(2)连接至引线接口(5)的一个引线端，衬底(3)和封装层(4)设置于电极(1)、互联导线(2)和引线接口(5)上下两侧，且仅使各电极(1)及引线接口(5)裸露；所述的电极(1)、互联导线(2)、衬底(3)、封装层(4)均采用网状结构，衬底及封装层采用柔性材料。

2.如权利要求1所述的一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极，其特征在于，所述的电极(1)采用生物兼容的导电材料，包括金、银、氯化银或石墨烯。

3.如权利要求1所述的一种基于网状结构的类皮肤多通道表面肌电极，其特征在于，所述的衬底(3)及封装层(4)采用聚合物材料，包括聚酰亚胺薄膜、PET。

4.如权利要求1所述的一种基于网状结构的类皮肤多通道表面肌电极，其特征在于，所述的衬底(3)及封装层(4)的厚度均不超过5μm。

5.如权利要求1所述的一种基于网状结构的类皮肤多通道表面肌电极，其特征在于，所述的电极(1)、互联导线(2)、衬底(3)、封装层(4)采用的网状结构为由单元体重复形成的柔性可拉伸的网状结构，所述的单元体包括蛇形结构、格珊结构或自相似蛇形结构。

6.如权利要求1所述的一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极，其特征在于，该表面肌电极还包括设置于整个器件背面的生物兼容薄膜(7)，所述的生物兼容薄膜采用医用半透薄膜或生物医用胶布、PDMS或Ecoflex。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于网状结构设计的类皮肤多通道表面肌电极的制备方法，其特征在于，所述的表面肌电极采用可延展柔性电子技术结合传统微纳加工方法或半导体工艺制备而成。