CN108784677A - 一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法 - Google Patents

Abstract

一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，涉及一种生物医用电极。选用铜片作为电极的材料，将铜片夹紧在工作台上，由光纤激光器产生的激光束依次透过激光振镜和聚焦透镜聚焦在铜片的表面，被照射区域的材料将会熔化或汽化，形成重铸现象，重铸过程后，铜片表面形成微针阵列，后对铜片进行酸洗和醇洗，去除氧化层和杂质，最后在金属电极芯表面电镀Ag/AgCl镀层，即得到表面具有微针阵列的金属电极芯；将导线与金属电极芯通过导电银胶相粘接，再将导线穿过弹性体外壳；将医用胶布粘在弹性体外壳两侧，最终形成具有微针阵列的生物医用电极。

Description

一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法

技术领域

本发明涉及一种生物医用电极，尤其是涉及一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法。

背景技术

生物的器官和组织在生命活动中存在一类很重要的物理化学变化，它包括电位和极性变化，即为生物电，这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。

目前的生物电采集设备一般使用湿式凝胶电极和金属板式电极：湿式凝胶电极因其噪声小、测量精度高的特点，被广泛应用于心电和脑电等医学检测和科学研究中；金属板式电极测量的信号精度虽不及湿式凝胶电极，但因使用方便，能长时间重复使用而被应用于便携式设备当中。但以上两种电极也各有不足，湿式凝胶电极在测量之前，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。干式电极的测量精度极易受到来自于运动和汗液的干扰，而在便携式设备的使用环境又无法避免这两种干扰，因此测量到的噪声很大，信号精度不高。

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。磁场改善了熔覆涂层的晶体结构完整性，促进了激光熔池中的传质过程，易于金属元素扩散和金属固溶体形成。外加磁场能加快激光熔覆熔池内液态金属的流动，冲刷或熔断凝固前沿已形成的晶粒，利于柱状晶和树枝晶向等轴晶转变以及细小等轴晶形成，有助于熔覆涂层综合性能提高，以改善微针阵列表面质量，降低其阻抗，提高与皮肤的贴合强度，获得更稳定的测量性能。例如：方红兆等人公开了一种一次性医用电极片(中国专利CN205514591U)，这种电极片需加热才能实现与人体皮肤的有效结合，且只能一次性使用，使用效率较低。王玲等人公开了一种医用电极片(中国专利CN206355439U)，这种电极片设置有PET底膜及泡沫垫层将会影响电极对生物电信号的采集。因此，利用磁场辅助激光加工的生物医用电极对生物电的采集和测量工作来说拥有重要的意义。

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，传统激光加工出来的电极其表面质量较差和影响测量稳定性等问题，提供一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法。

本发明采用生物医用电极，所述生物医用电极设有金属电极芯、导电银胶、弹性体外壳、医用胶布和导线；所述金属电极芯设在弹性体外壳内部，所述导线从弹性体外壳中穿过并与电极片通过导电银胶相粘接；所述医用胶布粘在弹性体外壳两侧。

本发明包括以下步骤：

1)选用铜片作为电极的材料，将铜片夹紧在工作台上，由光纤激光器产生的激光束依次透过激光振镜和聚焦透镜聚焦在铜片的表面，被照射区域的材料将会熔化或汽化，形成重铸现象，重铸过程后，铜片表面形成微针阵列，后对铜片进行酸洗和醇洗，去除氧化层和杂质，最后在金属电极芯表面电镀Ag/AgCl镀层，即得到表面具有微针阵列的金属电极芯；

2)将导线与金属电极芯通过导电银胶相粘接，再将导线穿过弹性体外壳；

3)将医用胶布粘在弹性体外壳两侧，最终形成具有微针阵列的生物医用电极。

在步骤1)中，所述铜片的厚度可为0.3～0.5mm；所述将铜片夹紧在工作台上，可将铜片通过工件夹具夹紧在外加磁场的工作台上，所述外加磁场包括旋转磁场和稳恒磁场，外加磁场可由磁铁夹具、转盘、磁铁、减速箱和步进电机组成；所述外加磁场的强度可为20～100mT；所述外加磁场可采用外加旋转磁场，外加旋转磁场可通过步进电机带动磁铁夹具的旋转实现，外加旋转磁场的旋转速度靠减速箱调节，所述稳恒磁场可通过磁铁获得；所述外加磁场可通过施加不同强度的磁场来调控激光熔池内材料的流动行为；所述电镀Ag/AgCl镀层的厚度可为5～10μm，且需满足镀层结构紧实，不易脱落的要求。

在步骤2)中，所述金属电极芯可贴合在弹性体外壳的内表面中心。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

本发明采用磁场辅助激光加工，制造形成一种表面质量较好的新型的生物医用电极，采用此种方法加工得到的电极因为外加磁场对激光熔池内材料流动的调控，所以能够获得更好的表面质量，提高其抓附效果，更好的贴合皮肤，以降低接触电阻，进而获得较好的测量稳定性；与皮肤好的贴合性还能减少使用过程人体不适，同时，此种电极还具有可重复使用、适应人群广的优点。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为本发明所述生物医用电极实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的原理图。

图3为本发明所述生物医用电极实施例的电极片剖面示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明采用生物医用电极，所述生物医用电极设有金属电极芯、导电银胶、弹性体外壳、医用胶布和导线；所述金属电极芯设在弹性体外壳内部，所述导线从弹性体外壳中穿过并与电极片通过导电银胶相粘接；所述医用胶布粘在弹性体外壳两侧。

本发明的制造过程如图1～3所示，包括光纤激光器1、激光束2、激光振镜3、铜片4、聚焦透镜5、磁铁夹具6、转盘7、磁铁8、工作台9、工件夹具10、减速箱11和步进电机12，具体步骤如下：

1)选用铜片4作为电极的材料，将铜片4夹紧在工作台9上，由光纤激光器1产生的激光束2依次透过激光振镜3和聚焦透镜5聚焦在铜片4的表面，被照射区域的材料将会熔化或汽化，形成重铸现象，重铸过程后，铜片表面形成微针阵列，后对铜片进行酸洗和醇洗，去除氧化层和杂质，最后在金属电极芯表面电镀Ag/AgCl镀层，即得到表面具有微针阵列的金属电极芯；所述铜片的厚度可为0.3～0.5mm；所述将铜片4夹紧在工作台9上，可将铜片4通过工件夹具10夹紧在外加磁场的工作台9上，所述外加磁场包括旋转磁场和稳恒磁场，外加磁场可由磁铁夹具6、转盘7、磁铁8、减速箱11和步进电机12组成；所述外加磁场的强度可为20～100mT；所述外加磁场可采用外加旋转磁场，外加旋转磁场可通过步进电机12带动磁铁夹具6的旋转实现，外加旋转磁场的旋转速度靠减速箱11调节，所述稳恒磁场可通过磁铁8获得；所述外加磁场可通过施加不同强度的磁场来调控激光熔池内材料的流动行为；所述电镀Ag/AgCl镀层的厚度可为5～10μm，且需满足镀层结构紧实，不易脱落的要求。

2)将导线与金属电极芯通过导电银胶相粘接，再将导线穿过弹性体外壳；所述金属电极芯可贴合在弹性体外壳的内表面中心。

3)将医用胶布粘在弹性体外壳两侧，最终形成具有微针阵列的生物医用电极。

旋转磁场下的加工步骤如下：

1)旋转磁场下激光加工。将铜片4通过工件夹具10夹紧在工作台9上后，启动步进电机12获得旋转磁场，磁场强度范围为20～100mT，加工过程中激光束2聚焦在铜片4的表面，发生重铸现象，在旋转磁场和重铸过程双重作用下，将会形成一片高表面质量的微针阵列金属芯。

2)清洗和电镀，第一步完成后，利用稀盐酸除去氧化层和杂质，再用无水乙醇清洗后，在金属芯上电镀Ag/AgCl镀层。

3)焊接导线，采用钎焊的方法将加工好的电极片和导线连接起来，需要焊接良好不虚焊，以保证其良好的接触性防止脱落。

4)装配，将导线与金属电极芯通过导电银胶相粘接，再将导线穿过弹性体外壳，将医用胶布粘在弹性体外壳两侧，最终形成具有高表面质量微针阵列的生物医用电极。

稳恒磁场下的加工步骤如下：

1)稳恒磁场下激光加工。将铜片4通过工件夹具10夹紧在工作台9上后，调节磁场强度范围为20～100mT,加工过程中激光束2聚焦在铜片4的表面，产生重铸现象，在稳恒磁场和重铸过程双重作用下，将会形成一片高表面质量的微针阵列金属芯。

2)稳恒磁场下激光加工完成之后，再重复旋转磁场下加工的步骤2)～4)即可得到具有高表面质量微针阵列的生物医用电极。

采用此种方法加工得到的电极因为外加磁场作用，可使金属电极芯获得更好的表面质量，提高其抓附效果，更好的贴合皮肤，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)

1.一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选用铜片作为电极的材料，将铜片夹紧在工作台上，由光纤激光器产生的激光束依次透过激光振镜和聚焦透镜聚焦在铜片的表面，被照射区域的材料将会熔化或汽化，形成重铸现象，重铸过程后，铜片表面形成微针阵列，后对铜片进行酸洗和醇洗，去除氧化层和杂质，最后在金属电极芯表面电镀Ag/AgCl镀层，即得到表面具有微针阵列的金属电极芯；

2)将导线与金属电极芯通过导电银胶相粘接，再将导线穿过弹性体外壳；

3)将医用胶布粘在弹性体外壳两侧，最终形成具有微针阵列的生物医用电极。

2.如权利要求1所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于在步骤1)中，所述铜片的厚度为0.3～0.5mm。

3.如权利要求1所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于在步骤1)中，所述将铜片夹紧在工作台上，是将铜片通过工件夹具夹紧在外加磁场的工作台上。

4.如权利要求3所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于所述外加磁场包括旋转磁场和稳恒磁场。

5.如权利要求3所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于外加磁场由磁铁夹具、转盘、磁铁、减速箱和步进电机组成。

6.如权利要求3所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于所述外加磁场的强度为20～100mT。

7.如权利要求3所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于所述外加磁场采用外加旋转磁场，外加旋转磁场通过步进电机带动磁铁夹具的旋转实现，外加旋转磁场的旋转速度靠减速箱调节。

8.如权利要求4所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于所述稳恒磁场通过磁铁获得。

9.如权利要求1所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于在步骤1)中，所述电镀Ag/AgCl镀层的厚度为5～10μm。

10.如权利要求1所述一种生物医用电极的磁场辅助激光加工的方法，其特征在于在步骤2)中，所述金属电极芯是贴合在弹性体外壳的内表面中心。