CN109044329A - 一种多功能生物电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能生物电传感器。所述传感器包括：生物电传感器、压力传感器、环境参数传感器、生物电信号调节控制器、信号输出模块；所述生物电传感器包括接触面、基底面和生物电采集接口；所述电极与所述环境参数传感器绝缘连接；所述压力采集接口和所述生物电采集接口同时接触人体待测位置，所述生物电采集接口获取人体的生物电信号；所述生物电信号调节控制器分别与所述生物电传感器、所述压力传感器和所述环境参数传感器连接，所述生物电信号调节控制器根据所述生物压力波动数据和所述环境参数数据调整所述人体的生物电信号。通过设置生物电信号调节控制器控制生物电信号提高生物电信号检测精度的多功能生物电传感器。

Description

一种多功能生物电传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种多功能生物电传感器。

背景技术

用于人体表面生物电测量的电极可以分为湿电极和干电极。常规的湿电极由于成本低、极化效应小、电极/皮肤界面阻抗低和使用方便而被广泛应用于医疗机构内的心电测量。但是在湿电极检测心电信号的长期监控中，皮肤需要预处理、电极容易变干和皮肤出现刺激。干电极由于不需要皮肤预处理和应用电解质，可满足人体表面生物电长期监控的需求，但是存在表面生物电干电极与皮肤间的相对位移、压力波动造成的动态噪声的问题。

现有技术中的生物电阻抗测量电极，通过保证电极与被测体表紧密接触，避免电极自被测体上移动、松开或者脱落的情况，都是通过减小电极与被测体的相对位移来减小动态噪声的影响，没有同时采集并且修正生物电信号，得到真实反映人体身体健康的生物电信号，导致检测的生物信号的精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高生物电信号检测精度的多功能生物电传感器。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多功能生物电传感器，所述传感器包括：生物电传感器、压力传感器、环境参数传感器、生物电信号调节控制器、信号输出模块；

所述生物电传感器包括接触面、基底面和生物电采集接口，所述接触面设置有微针阵列，所述基底面和所述接触面镀有导电薄膜；

所述基底面与所述生物电采集接口通过第一导线连接；所述生物电传感器用于获取人体的生物电信号；

所述基底面与所述压力传感器绝缘连接；

所述压力传感器包括电极、压敏导电薄膜和压力采集接口，所述压敏导电薄膜通过第二导线与所述压力采集接口连接，所述第二导线焊接在所述压敏导电薄膜上；

所述电极与所述环境参数传感器绝缘连接，所述环境参数传感器用于采集人体所述环境的环境参数数据；

所述压力采集接口和所述生物电采集接口同时接触人体待测位置，所述压力采集接口获取人体的生物压力波动数据，所述生物电采集接口获取人体的生物电信号；

所述生物电信号调节控制器分别与所述生物电传感器、所述压力传感器和所述环境参数传感器连接，所述生物电信号调节控制器根据所述生物压力波动数据和所述环境参数数据调整所述人体的生物电信号，获得修正生物电信号；

所述信号输出模块与所述生物电信号调节控制器连接，所述生物电信号调节控制器将所述修正生物电信号发送至所述信号输出模块。

可选的，所述微针阵列的形状为倒钩、芽型、蘑菇型。

可选的，所述压力传感器的电极为交互式单面电极；

所述交互式单面电极与所述压敏导电薄膜连接。

可选的，所述压力传感器的电极为双面电极；

所述双面电极包括两块导电金属片，所述压敏导电薄膜夹置在两块所述导电金属片之间；

两块所述导电金属片分别通过第三导线与正负极接口连接。

可选的，所述环境参数传感器具体包括：温度传感器、湿度传感器、血液状态传感器；

所述温度传感器与所述压力传感器绝缘连接，所述温度传感器用于实时监测人体的温度变化；

所述湿度传感器与所述温度传感器绝缘连接，所述湿度传感器用于实时监测人体所出环境的湿度；

所述血液状态传感器与所述湿度传感器绝缘连接，所述血液状态传感器用于实时监测人体血液的状态。

可选的，所述生物电信号调节控制器具体包括压力调节模块、温湿度补偿模块、血液状态调整模块；

所述压力调节模块与所述压力传感器和所述生物电传感器连接，所述压力调节模块用于根据所述生物压力波动数据调整所述人体的生物电信号，获得电压修正生物电信号；

所述温湿度补偿模块与所述温度传感器、所述湿度传感器和所述生物电传感器连接，所述温湿度补偿模块用于根据人体温湿度数据调整所述人体的生物电信号，获得温湿度修正生物电信号；

所述血液状态调整模块与所述血液状态传感器和所述生物电传感器连接，所述血液状态调整模块用于根据所述人体血液的状态调整所述人体的生物电信号，获得血液状态修正生物电信号。

可选的，所述压敏导电薄膜的结构具体包括：平面结构和微纳米结构。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种多功能生物电传感器，所述传感器包括：生物电传感器、压力传感器和环境参数传感器，所述生物电传感器的接触面设置有微针阵列，能够穿透角质层，与表皮层中的发芽层直接接触，进一步降低电极-皮肤界面的阻抗，并能降低生物电干电极应用过程中的动态噪声，增大了与皮肤的摩擦力，又不刺破皮肤，保证了信号的稳定性。

通过设置压力传感器、环境参数传感器来调节人体的生物电信号，进一步滤除生物电噪声，提高了获取的人体生物电信号的精度，能够真实反映人体的健康状况的生物电信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的多功能生物电传感器结构组成框图；

图2为本发明提供的三明治结构的压力传感器的截面示意图；

图3为本发明提供的交互式单面结构的压力传感器的截面示意图；

图4为本发明提供的多功能生物电传感器的截面图；

图5为本发明提供的三明治结构的压力传感器的电极示意图；

图6为本发明提供的压力传感器的薄膜示意图；

图7为本发明提供的三明治结构的压力传感器的整体截面示意图；

图8为本发明提供的单面电极结构的压力传感器的整体截面示意图；

图9为本发明提供的交互式单面结构的压力传感器的电极示意图；

图10为本发明提供的温度传感器的结构示意图；

图11为本发明提供的多功能生物电传感器的测试数据示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够提高生物电信号检测精度的多功能生物电传感器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种多功能生物电传感器，所述传感器包括：生物电传感器1、压力传感器2、环境参数传感器6、生物电信号调节控制器4、信号输出模块5。

如图2和图3所示，所述生物电传感器1包括接触面11、基底面12和生物电采集接口，所述接触面11设置有微针阵列，所述基底面12和所述接触面11镀有导电薄膜。

所述基底面12与所述生物电采集接口14通过第一导线13连接；所述生物电传感器1用于获取人体的生物电信号；

所述基底面12与所述压力传感器2绝缘连接；

所述压力传感器2包括电极、压敏导电薄膜22和压力采集接口，所述压敏导电薄膜22通过第二导线与所述压力采集接口连接，所述第二导线焊接在所述压敏导电薄膜22上；

所述电极与所述环境参数传感器6绝缘连接，所述环境参数传感器6用于采集人体所述环境的环境参数数据；

所述压力采集接口和所述生物电采集接口14同时接触人体待测位置，所述压力采集接口获取人体的生物压力波动数据，所述生物电采集接口获取人体的生物电信号；

所述生物电信号调节控制器4分别与所述生物电传感器1、所述压力传感器2和所述环境参数传感器6连接，所述生物电信号调节控制器4根据所述生物压力波动数据和所述环境参数数据调整所述人体的生物电信号，获得修正生物电信号；

所述信号输出模块5与所述生物电信号调节控制器4连接，所述生物电信号调节控制器4将所述修正生物电信号发送至所述信号输出模块5。

所述生物电信号调节控制器4具体包括压力调节模块、温湿度补偿模块、血液状态调整模块；

所述压力调节模块与所述压力传感器2和所述生物电传感器1连接，所述压力调节模块用于根据所述生物压力波动数据调整所述人体的生物电信号，获得电压修正生物电信号；

所述温湿度补偿模块与所述温度传感器、所述湿度传感器和所述生物电传感器1连接，所述温湿度补偿模块用于根据人体温湿度数据调整所述人体的生物电信号，获得温湿度修正生物电信号；

所述血液状态调整模块与所述血液状态传感器和所述生物电传感器1连接，所述血液状态调整模块用于根据所述人体血液的状态调整所述人体的生物电信号，获得血液状态修正生物电信号。

如图4所示，所述微针阵列11的形状为倒钩、芽型、蘑菇型。

如图3所示，所述压力传感器2的电极为交互式单面电极；

所述交互式单面电极24与所述压敏导电薄膜22连接。

如图2所示，所述压力传感器2的电极为双面电极；

所述双面电极包括导电金属片21和金属片22，所述压敏导电薄膜22夹置在两块所述导电金属片之间；

两块所述导电金属片分别通过第三导线与正负极接口连接。

如图2和图3所示，所述环境参数传感器6具体包括：温度传感器3、湿度传感器、血液状态传感器；

所述温度传感器3与所述压力传感器绝缘连接，所述温度传感器3用于实时监测人体的温度变化；

所述湿度传感器与所述温度传感器3绝缘连接，所述湿度传感器用于实时监测人体所出环境的湿度；

所述血液状态传感器与所述湿度传感器绝缘连接，所述血液状态传感器用于实时监测人体血液的状态。

生物电传感器1是通过溶液浇铸/模板等方法制作微针阵列，基底材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚氨酯(PU)，PVDF，丙烯酸，环氧树脂(SU-8)，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚酰亚胺(PI)和橡胶等，微针形状有倒钩、芽型、蘑菇型等，可通过改变微针形状适应不同部位的信号采集，其中倒钩的高度在150μm-500μm。并通过磁控溅射、电化学沉积、真空蒸镀或化学镀等方法将表面微针阵列涤纶膜表面镀上导电层，具体为金、银、铂、钛、氧化铱、钛/氮化钛、银/氯化银等，并在其光滑面形成电连接，引出生物电信号采集接口。

如图5和图6所示，压力传感器2由电极和压敏导电薄膜组合而成。如图7和图8所示，电极分为三明治双面电极和交互式单面电极两种：三明治双面电极由两块导电金属片组成，导电薄膜夹在两个导电金属片之间，类似三明治结构，在两片导电金属片上焊接导线，引出压力传感器的正负极接口；如图9所示，交互式单面电极是将氧化石墨烯涂层还原成交互式石墨烯电路制得的，在聚亚酰胺等绝缘基底上通过磁控溅射、丝网印、高精度纳米沉积、液体打印交互式电路等方式也可制得，或者在织物上用导电纱线刺绣交互式电路，再将其导电面和导电薄膜结合，引出正负极导线，检测不同压力下的电阻，从而反映人体运动状况。导电薄膜有平面结构和微纳米结构两种：平面结构薄膜是采用溶液渗透方式把碳纳米管/热塑性聚氨酯(TPU)溶液平铺在玻璃板制得；微纳米结构薄膜则把碳纳米管/热塑性聚氨酯(TPU)溶液注入到规整多孔阳极氧化铝模板(PAA)中制作表面规整纳米阵列导电膜。

如图2和图3所示，温湿度传感器3是在织物中织入温敏材料和湿敏材料，通过温度变化引起的电阻变化监测人体实时温度，还可通电作为加热织物，保持人体体温恒定。如图10所示，温敏材料在织物中的排列方式有S形，回字形，以及等距螺旋圆形等。

湿度传感器是用在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性测量湿度变化。用高分子薄膜电容制成，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺。当环境湿度发生变化时，湿敏电阻的介电常数发生变化，使电容量也发生变化，电容量也发生变化，电容变化量与相对湿度成正比。

本发明一种多功能生物电传感器的监测数据示意图如图11所示，可同时监测生物电信号、压力以及温度三者实时的变化，并且通过算法可滤去压力和温度产生的生物电噪声，采集到精确的生物电信号，准确反映人体健康状况。

如图6所示，所述压敏导电薄膜的结构具体包括：平面结构和微纳米结构。本发明首次分析运动时产生的压力和生物电信号之间的关系，建立二者间的联系，对动态噪声机理进行了分析，基于此可进一步设计算法滤除运动时压力对生物电信号的干扰，进一步减少动态噪声，最终得到能真实反映人体身体健康状况的生物电信号。

倒钩结构就是通过模板法，将导电高聚物溶液溶液浇铸在PAA模板中，然后将其剥离得到导电微针阵列膜，并在阵列膜表面通过磁控溅射和化学镀等方法增加其生物相容性。

倒钩结构是本发明的发明点，该结构是基于“苍耳”结构引出的，本专利设计的倒钩，芽型，蘑菇型微针阵列既增大接触摩擦力，又不穿透皮肤，克服了平面电极和微针电极的缺点，既保证了穿着舒适性，又保证了信号稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述传感器包括：生物电传感器、压力传感器、环境参数传感器、生物电信号调节控制器、信号输出模块；

所述生物电传感器包括接触面、基底面和生物电采集接口，所述接触面设置有微针阵列，所述基底面和所述接触面镀有导电薄膜；

所述基底面与所述生物电采集接口通过第一导线连接；所述生物电传感器用于获取人体的生物电信号；

所述基底面与所述压力传感器绝缘连接；

所述压力传感器包括电极、压敏导电薄膜和压力采集接口，所述压敏导电薄膜通过第二导线与所述压力采集接口连接，所述第二导线焊接在所述压敏导电薄膜上；

所述电极与所述环境参数传感器绝缘连接，所述环境参数传感器用于采集人体所述环境的环境参数数据；

所述压力采集接口和所述生物电采集接口同时接触人体待测位置，所述压力采集接口获取人体的生物压力波动数据，所述生物电采集接口获取人体的生物电信号；

所述生物电信号调节控制器分别与所述生物电传感器、所述压力传感器和所述环境参数传感器连接，所述生物电信号调节控制器根据所述生物压力波动数据和所述环境参数数据调整所述人体的生物电信号，获得修正生物电信号；

所述信号输出模块与所述生物电信号调节控制器连接，所述生物电信号调节控制器将所述修正生物电信号发送至所述信号输出模块。

2.根据权利要求1所述的一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述微针阵列的形状为倒钩、芽型、蘑菇型。

3.根据权利要求1所述的一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述压力传感器的电极为交互式单面电极；

所述交互式单面电极与所述压敏导电薄膜连接。

4.根据权利要求1所述的一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述压力传感器的电极为双面电极；

所述双面电极包括两块导电金属片，所述压敏导电薄膜夹置在两块所述导电金属片之间；

两块所述导电金属片分别通过第三导线与正负极接口连接。

5.根据权利要求1所述的一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述环境参数传感器具体包括：温度传感器、湿度传感器、血液状态传感器；

所述温度传感器与所述压力传感器绝缘连接，所述温度传感器用于实时监测人体的温度变化；

所述湿度传感器与所述温度传感器绝缘连接，所述湿度传感器用于实时监测人体所处环境的湿度；

所述血液状态传感器与所述湿度传感器绝缘连接，所述血液状态传感器用于实时监测人体血液的状态。

6.根据权利要求5所述的一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述生物电信号调节控制器具体包括压力调节模块、温湿度补偿模块、血液状态调整模块；

所述压力调节模块与所述压力传感器和所述生物电传感器连接，所述压力调节模块用于根据所述生物压力波动数据调整所述人体的生物电信号，获得电压修正生物电信号；

所述温湿度补偿模块与所述温度传感器、所述湿度传感器和所述生物电传感器连接，所述温湿度补偿模块用于根据人体温湿度数据调整所述人体的生物电信号，获得温湿度修正生物电信号；

所述血液状态调整模块与所述血液状态传感器和所述生物电传感器连接，所述血液状态调整模块用于根据所述人体血液的状态调整所述人体的生物电信号，获得血液状态修正生物电信号。

7.根据权利要求1所述的一种多功能生物电传感器，其特征在于，所述压敏导电薄膜的结构具体包括：平面结构和微纳米结构。