CN109044327B - 一种刺入力度可控的微针干式电极 - Google Patents

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Abstract

一种刺入力度可控的微针干式电极，涉及干式电极。从外到内依次设有微针阵列层、压力测量层和压力供给层，所述微针阵列层在使用过程中直接与皮肤接触；所述压力测量层用于微针阵列层与压力供给层的连接。所述微针阵列层设有微针、喷墨打印电路和PDMS基底。所述压力测量层设有聚偏氟乙烯压电聚合物薄膜、喷墨打印电路和PDMS基底。所述压力供给层设有介电弹性体、喷墨打印电路、PDMS基底和塑料背板。可以精确地控制刺入力，解决了刺入力过大时造成的疼痛感和刺入力过小时噪声增大的问题，提升使用性能。

Description

一种刺入力度可控的微针干式电极
技术领域
本发明涉及干式电极，特别是涉及用于生物电检测的一种刺入力度可控的微针干式电极。
背景技术
作为采集系统第一环，生物医用电极直接与人体皮肤接触，将人体内的生物电信号转化为仪器可以识别的信息，是采集系统中最为重要的部件之一。由于生物电信号采集的特殊性，因此生物电极必须满足以下几点要求，首先，由于人体皮肤阻抗较高，因此生物电极必须具备良好的导电性，以检测人体微弱的生物电信号。其次，因为需要和人体接触，所以生物电极必须选用无毒无害的材料来制作。最后，还需要提高生物电极在使用过程中的舒适度，以减少使用者的疼痛。根据生物电极在使用过程中是否使用导电凝胶，可以将其分为湿式电极和干式电极两种类别。湿式电极通过表面的导电凝胶实现电流在人体和电极间的传递，采集的信号具有基线稳定和信噪比较高等优点，广泛应用于科学研究和临床治疗等领域，但因为其使用前需对皮肤进行预处理且长时间测量时会变质，所以难以达到日常使用的标准，因此无皮肤预处理和无胶的干式电极越来越受到人们的关注。在新型干式电极的研发方面，云南科威液态金属谷研发有限公司公布的专利公开号为CN107684417A的基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法，该发明利用液态金属来采集人体表面的生物电信号，提高了干式电极的舒适性，扩宽了使用范围，但其制造成本过高，很难推广。
发明内容
本发明的目的在于针对微针干式电极在使用过程中，刺入力度和刺入深度难以精确控制，当刺入力过大时会给使用者带来不必要的疼痛，当刺入力过小时会影响生物电信号测量的质量等问题，提供用于生物电检测的一种刺入力度可控的微针干式电极。
本发明从外到内依次设有微针阵列层、压力测量层和压力供给层，所述微针阵列层在使用过程中直接与皮肤接触；所述压力测量层用于微针阵列层与压力供给层的连接。
所述微针阵列层设有微针、喷墨打印电路和PDMS基底，所述微针阵列层的制造方法如下：
(1)选用尺寸为5mm×5mm左右，厚度不大于02mm的金属薄片作为材料，先使用激光在金属薄片上切割出夹角小于30度，高度为500μm左右的三角形，再使用离子溅射或化学镀等方法在金属薄片上形成一层惰性金属镀层，所述惰性金属采用金、铂等，最后将激光切出的三角形弯折出原基面，并使其与原基面垂直，即得单个微针；
(2)将多个微针按指定形状排成阵列，倒置在装有液态PDMS层的模具中，PDMS层的厚度不大于0.3mm，且保持微针的针尖部分不会被PDMS层覆盖，待PDMS层凝固后即得到微针阵列结构，再使用喷墨打印机在微针阵列结构的背面制作电路，将各个微针分别导联在电路外，最后使用PDMS层覆盖住背部的电路，待凝固后即得到微针阵列层。
所述微针阵列层的阵列分布可以为均匀分布型，也可以为非均匀分布型。
所述压力测量层和压力供给层的阵列分布和微针阵列层的分布一致，每个微针在内层都有对应的压力测量体和压力供给体，微针的排布的间隔应大于2mm，从而尽可能地减小相邻微针间运动的影响。
所述压力测量层可设有聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物薄膜、喷墨打印电路和PDMS基底。
所述压力供给层设有介电弹性体、喷墨打印电路、PDMS基底和塑料背板。所述介电弹性体的材质可选自聚丙烯酸酯类弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶弹性体等中的一种。
所述压力供给层的每个压力供给体最大可以产生50mN左右的压力。所述压力供给层的每个压力供给体最大可使微针获得25mN左右的刺入力，保证微针正常穿透角质层。
所述喷墨打印电路的厚度可在30μm以上，在弯折和20％以下的拉伸时仍可保持电路导通，且电阻的变化率小于10％。
所述压力测量层和压力供给层异步工作，避免两层之间的电磁干扰。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明的内部具有压电薄膜压力传感器，可以实时地测量单个微针的刺入力，通过对比采集得到的人体阻抗值，从而判断单个微针是否刺破人体皮肤。同时，在内部还设置有介电弹性体，能够对单独微针施加刺入力，借助压力传感器测得的数据，可以增大未刺破微针的刺入力，从而提升测量生物电信号的质量。因此，本发明可以精确地控制刺入力，解决了刺入力过大时造成的疼痛感和刺入力过小时噪声增大的问题，提升了本发明的使用性能。
附图说明
图1为本发明实施例的外观结构图。
图2为本发明实施例的结构分解示意图。
具体实施方式
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。
参见图1和2，本发明实施例从外到内依次设有微针阵列层、压力测量层和压力供给层，所述微针阵列层在使用过程中直接与皮肤接触；所述压力测量层用于微针阵列层与压力供给层的连接。其中微针阵列层包括PDMS保护层1，微针阵列2和PDMS基底及喷墨打印电路3；压力测量层包括聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物薄膜4和PDMS基底及喷墨打印电路5；压力供给层包括介电弹性体6，PDMS基底及喷墨打印电路7和塑料背板8。
以下给出本发明实施例的制备方法：
第一步、微针的成型。选用尺寸为5mm×5mm左右，厚度不大于0.2mm的金属片作为材料，先使用激光在金属片上切割出夹角小于30度，高度为500μm左右的三角形，再使用离子溅射或化学镀等方法在金属片上形成一层惰性金属(如金、铂等)镀层，最后将激光切出的三角形弯折出原基面，并使其与原基面垂直，如此得到单个微针。
第二步、微针阵列层的制备。首先将多个微针结构按指定形状排成阵列，倒置在装有液态PDMS层的模具中，待PDMS层凝固后即得到微针阵列结构，再使用喷墨打印机在阵列结构的背面制作电路，将各个微针分别导联，最后使用PDMS层覆盖住背部的电路，待凝固后即得到微针阵列层。
第三步，压力测量层的制备。首先将PDMS层倒入模具中，待凝固后将聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物薄膜放置在PDMS层基底上，最后使用喷墨打印机在PDMS层上制作导通电路，即得到压力测量层。
第四步，压力供给层的制备。首先将PDMS层倒入模具中，待凝固后将介电弹性体放置在PDMS基底上，使用喷墨打印机在PDMS层上制作导通电路，最后将PDMS基底粘附在塑料背板上，即得到压力供给层。
第五步，干式电极的组装。将微针阵列层、压力测量层和压力供给层按顺序排放，再通过键合工艺将各层连接在一起，即得到刺入力可控的微针干式电极。

Claims (9)

1.一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于从外到内依次设有微针阵列层、压力测量层和压力供给层，所述微针阵列层在使用过程中直接与皮肤接触；所述压力测量层用于微针阵列层与压力供给层的连接；
所述微针阵列层的制造方法如下：
(1)选用尺寸为5mm×5mm，厚度不大于0.2mm的金属薄片作为材料，先使用激光在金属薄片上切割出夹角小于30度，高度为500μm的三角形，再使用离子溅射或化学镀方法在金属薄片上形成一层惰性金属镀层，所述惰性金属采用金、铂，最后将激光切出的三角形弯折出原基面，并使其与原基面垂直，即得单个微针；
(2)将多个微针按指定形状排成阵列，倒置在装有液态PDMS层的模具中，PDMS层的厚度不大于0.3mm，且保持微针的针尖部分不会被PDMS层覆盖，待PDMS层凝固后即得到微针阵列结构，再使用喷墨打印机在微针阵列结构的背面制作电路，将各个微针分别导联在电路外，最后使用PDMS层覆盖住背部的电路，待凝固后即得到微针阵列层。
2.如权利要求1所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述微针阵列层设有微针、喷墨打印电路和PDMS基底。
3.如权利要求1所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述微针阵列层的阵列分布为均匀分布型或非均匀分布型。
4.如权利要求1所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述压力测量层和压力供给层的阵列分布和微针阵列层的分布一致，每个微针在内层都有对应的压力测量体和压力供给体，微针的排布的间隔应大于2mm。
5.如权利要求1所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述压力测量层设有聚偏氟乙烯压电聚合物薄膜、喷墨打印电路和PDMS基底。
6.如权利要求1所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述压力供给层设有介电弹性体、喷墨打印电路、PDMS基底和塑料背板；所述介电弹性体的材质选自聚丙烯酸酯类弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶弹性体中的一种。
7.如权利要求1所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述压力供给层的每个压力供给体最大产生50mN的压力；所述压力供给层的每个压力供给体最大使微针获得25mN的刺入力，保证微针穿透角质层。
8.如权利要求2所述一种刺入力度可控的微针干式电极，其特征在于所述喷墨打印电路的厚度大于30μm，在弯折和20％以下的拉伸时保持电路导通，且电阻的变化率小于10％；所述压力测量层和压力供给层异步工作，避免两层之间的电磁干扰。
9.如权利要求1～8任一项所述一种刺入力度可控的微针干式电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、微针的成型：选用尺寸为5mm×5mm，厚度不大于0.2mm的金属片作为材料，先使用激光在金属片上切割出夹角小于30度，高度为500μm的三角形，再使用离子溅射或化学镀等方法在金属片上形成一层惰性金属镀层，所述惰性金属为金、铂，最后将激光切出的三角形弯折出原基面，并使其与原基面垂直，如此得到单个微针；
第二步、微针阵列层的制备：首先将多个微针结构按指定形状排成阵列，倒置在装有液态PDMS层的模具中，待PDMS层凝固后即得到微针阵列结构，再使用喷墨打印机在阵列结构的背面制作电路，将各个微针分别导联，最后使用PDMS层覆盖住背部的电路，待凝固后即得到微针阵列层；
第三步，压力测量层的制备：首先将PDMS层倒入模具中，待凝固后将聚偏氟乙烯压电聚合物薄膜放置在PDMS层基底上，最后使用喷墨打印机在PDMS层上制作导通电路，即得到压力测量层；
第四步，压力供给层的制备：首先将PDMS层倒入模具中，待凝固后将介电弹性体放置在PDMS基底上，使用喷墨打印机在PDMS层上制作导通电路，最后将PDMS基底粘附在塑料背板上，即得到压力供给层；
第五步，干式电极的组装：将微针阵列层、压力测量层和压力供给层按顺序排放，再通过键合工艺将各层连接在一起，即得到刺入力可控的微针干式电极。
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