CN109350045B - 一种心电柔性传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种心电柔性传感器的制造方法。本发明首先通过二次转移的方法制造石墨烯‑PVA柔性电极。然后我们根据3导联系统，设计并制造了心电柔性传感器。本发明实现了与皮肤的完全接触，即与皮肤实现共形接触。此外本发明具有较好的生物兼容性，和生物可降解性，解决了传统心电电极与皮肤接触差，在使用后无法降解带来的环境污染问题。

Description

一种心电柔性传感器的制造方法

技术领域

本发明属于心电电极领域，尤其涉及一种心电柔性传感器的制造方法。

背景技术

人的皮肤是包含一个集成的，可拉伸的传感器网络，将关于触觉和热刺激的 信息传递给大脑；受到人类皮肤的启发，人们学着去制造电子皮肤，这是一种 形状和人体皮肤类似的传感器。目前的电子皮肤既具有优异的空间分辨率和热敏 感性，可以进行化学或者生物感测，也具有自我降解的功能。

有机晶体管“电子鼻”，第一次提出了电子皮肤的概念，电子鼻研究主要目 的是研究一种系统可以在有效的浓度水平下检测出气体类型，由共轭小分子、低 聚物或聚合物薄膜组成的有源层的场效应器件具有许多的气体传感器所需的特 性，此处采用有机晶体管制作性能良好的气体传感器。

敏感皮肤(电子)是具有数据处理能力的大面积、灵活的传感器阵列，可以 用于覆盖部分人体或者机器的整个表面。根据皮肤电子学，敏感皮肤通过触摸、 压力、温度等来感测周围环境。

压力敏感性和机械自愈是人体皮肤的两个重要功能，想制作具有感应机械 力和自我修复的材料是很有挑战性的。由超分子有机聚合物和嵌入的镍纳米结 构微粒组成的复合材料，显示出机械感应和电自愈性质，适用于电子皮肤的应 用。导电和压阻材料可以模仿天然皮肤的可重复自我修复能力，使电子皮肤的 应用更加广泛。

为了实现传感器柔性，相较于有硅基材料而言，石墨烯具有不可比拟的优势， 由于石墨烯本身二维材料优良的机械特性，具备良好的可弯曲的能力，因此石墨 烯材料能够满足在柔性衬底上制造器件的基本条件。

有机半导体材料具有优良的弯曲和拉伸的机械性能，是制造柔性器件的重 要材料之一。但是，目前的有机半导体材料电学性能并不好，电学性能最好的 有机半导体的载流子迁移率仅仅与多晶硅相当(<100cm2/V·s)，这远远低于石 墨烯的载流子迁移率(～15000cm2/V·S)。

金属虽然具有较好的延展性，但其杨氏模量较大，通常其杨氏模量在～ 200GPa，难以拉伸，不适合作为柔性传感器。同时，金属虽然具有较好的导电性， 但其无法与皮肤实现共形接触，容易脱落，从而导致接触不良，以至于带来了更 大的电阻。因此以石墨烯为基础的柔性器件在机械性能上优于金属材料。

石墨烯的制备方法有很多种，而石墨烯的制备方法可以影响它的微观结构， 所以制备方法会影响石墨烯的性能。电化学剥离法石墨和Pt作为电极，浓硫 酸和氢氧化钾作为电解液，它的优点在于为不需要强氧化，还原剂，只通过电 场作用离子插层的方法，环保无污染、操作、设备简单，极大的简化了实验的难 度，更重要的是电化学剥离法可以制备出具有较高品质的石墨烯片层

在全球的范围内，心血管等疾病已逐渐成为人类健康的“第一杀手”，严重 威胁了人类的健康，他的危害不区分年龄、身份以及地域。因此我们利用新技术 对心脏人体重要器官的参数监控显得极其重要。而心电图信号对心脏基本功能以 及病理研究等方面有着很重要的参考价值，它反映心脏电活动过程的兴奋程度， ECG信号有着很重要的参考价值对心脏基本功能以及病理研究等方面。心电图可 以鉴别各种情况的心律失常，对进行必要的药物处理上有重要的参考价值。

心电信号的测量方法主要有2导联系统，3导联系统，8导联系统等随着 导联数目的增多，心电信号的测量更加准确，相应的复杂程度也逐步增加。

PDMS作为一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被 认为是惰性，无毒，不易燃。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是最广泛使用的硅为基础 的有机聚合物材料，其运用包括在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、 隐形眼镜。

发明内容

技术问题：为了解决上述问题，本发明提供了一种心电柔性传感器的制造 方法，本发明制得的心电传感器实现了与皮肤的共形接触，具有优良的机械性能， 具备良好的可弯曲能力，以及生物可降解性。

技术方案：，本发明的一种心电柔性传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤一、柔性电极的制造，利用二次转移的方法制作石墨烯-PVA柔性电极；

1)、第一次转移：制作PDMS薄膜，经过60℃-80℃，60min-45min固化成形； 首先在PDMS薄膜上制作掩膜，并将PDMS进行预拉伸处理，然后石墨烯片层 通过按压的方式将其黏附在经过预拉伸处理的PDMS薄膜上；

2)、第二次转移：去掉掩膜，在覆盖有石墨烯部分的PDMS薄膜上旋涂PVA 混合物；

3)、等待10-15分钟，PVA混合物全干燥，等薄膜成型后揭下，完成柔性电 极的制造；

步骤二、根据3导联系统，利用制作好的石墨烯-PVA柔性电极设计并制造心 电柔性传感器，

1)、制作一块大的PDMS薄膜作为传感器底板，并将起中间剪去作为导联线 引出的部分；

2)、将制备好的3块柔性传感器分别粘在大PDMS薄膜底板上，并引出导 联线。

所述步骤

1)中，石墨烯片层通过电化学剥离方法制备。

所述电化学剥离，使用石墨和Pt作为电极，浓硫酸和氢氧化钾的混合液作 为电解液。

电化学剥离方法的电源配置为：在信号发生器中设置峰峰值1.6V-2V的方波， 将信号发生器与功放连接起来，放大倍数大约为×16，即可得到±15V的方波， 设置频率为0.2Hz-1Hz。

所述步骤一中，石墨烯片层通过电化学剥离方法后，需要通过离心方式对生 成的石墨烯进行清洗，然后使用去离子水反复清洗。

所述步骤一中，PDMS是一种聚合物，其制作方法为：首先将PDMS主剂和 固化剂按10：1的比例充分混合，然后进行充分搅拌10min-15min，直到出现大 量气泡，最后对混合物进行真空抽气去除气泡。

所述步骤一中，掩膜为透明胶带。

所述步骤一中，导联线为医用扣式心电导联线。

有益效果：心电柔性电极具有优良的机械特性，同时具有良好的可弯曲的 能力，可以与皮肤实现共形接触，并且心电柔性电极在使用过后可以进行生物可 降解性，一定程度上避免了材料的浪费和污染。

附图说明

图1实施例3所述心电柔性传感器示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明的技术方案作具体说明，实施例中未注明具 体条件的实验方法。通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件

实施例1

本实施例所述为电化学剥离法制备石墨烯片层，使用的材料为石墨

本实施例所述电化学剥离法制备石墨烯片层，具体步骤如下：

1)配置电化学剥离方法的电解液，称取4.7g KOH固体，配置质量分数30％ 的溶液，称取2.4g 98％H₂SO₄溶液，和KOH溶液一起倒入100ml去离子水中；

2)配置电源，首先在信号发生器中设置峰峰值1.6V-2V的方波，将信号发生 器与功放连接起来，放大倍数大约为×16，即可得到±15V的方波，设置频率为 0.2Hz-1Hz；

3)装置连接，将功放信号与电极连接，两个电极分别为石墨片和Pt。之后， 把电极放入配置好的溶液中，装置连接完成；

4)通电4h-5h后，制的石墨烯片层分散液；

5)清洗石墨烯分散液，通过离心的方式对生成的石墨烯溶液进行清洗(溶 液呈强碱性)；然后用去离子水反复清洗即可；

6)将石墨烯分散液经过充分的超声波震荡，后通过抽滤的方法将石墨烯片 层，抽滤到滤纸上；

实施例2

本实施例所述石墨烯-PVA心电柔性电极制造方法(流程图见图1)具体步骤 如下：

1)PDMS薄膜通过A,B两种溶液混合并进行充分搅拌后制得，经过 10min-15min烘干固化；

2)利用透明胶带在PDMS薄膜上制作掩膜，制作成长条形的掩膜；

3)通过按压的方式，使石墨烯片层黏附在PDMS薄膜；

4)去除掩膜后，在覆盖有石墨烯片层的部分，旋涂PVA混合物；

5)等待10分钟-15分钟左右，PVA混合物完全干燥后薄膜成形后，将石墨烯 -PVA心电柔性电极从PDMS上揭下。

实施例3

本实施例所述心电柔性传感器制造方法(示意图见图1)具体步骤如下

1)制备一块较大的PDMS作为心电柔性传感器的基板；

2)将PDMS薄膜基板的中心减去，作为导联线引出；

3)将制造好的石墨烯-PVA柔性电极如示意图1所示，黏附在PDMS薄膜基 板上；

4)通过黏附铜箔的方式，连接石墨烯感应层。得到心电柔性传感器

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应 当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利 要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种心电柔性传感器的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、柔性电极的制造，利用二次转移的方法制作石墨烯-PVA柔性电极；

1)、第一次转移：制作PDMS薄膜，经过60℃-80℃，60min-45min固化成形；首先在PDMS薄膜上制作掩膜，并将PDMS薄膜和掩膜进行预拉伸处理，然后石墨烯片层通过按压的方式将其黏附在经过预拉伸处理的掩膜上；

2)、第二次转移：去掉掩膜，使石墨烯片层覆盖在PDMS薄膜上，在覆盖有石墨烯部分的PDMS薄膜上旋涂PVA混合物；

3)、等待10-15分钟，PVA混合物全干燥，等薄膜成型后揭下，完成柔性电极的制造；

步骤二、根据3导联系统，利用制作好的石墨烯-PVA柔性电极设计并制造心电柔性传感器，

1)、制作一块大的PDMS薄膜作为传感器底板，并将其中间剪去作为导联线引出的部分；

2)、将制备好的3块柔性传感器分别粘在大PDMS薄膜底板上，并引出导联线；

所述步骤1)中，石墨烯片层通过电化学剥离方法制备；

所述电化学剥离，使用石墨和Pt作为电极，浓硫酸和氢氧化钾的混合液作为电解液；

所述步骤一中，石墨烯片层通过电化学剥离方法后，需要通过离心方式对生成的石墨烯进行清洗，然后使用去离子水反复清洗；

所述步骤一中，PDMS是一种聚合物，其制作方法为：首先将PDMS主剂和固化剂按10∶1的比例充分混合，然后进行充分搅拌10min-15min，直到出现大量气泡，最后对混合物进行真空抽气去除气泡。

2.如权利要求1所述的心电柔性传感器的制造方法，其特征在于，电化学剥离方法的电源配置为：在信号发生器中设置峰峰值1.6V-2V的方波，将信号发生器与功放连接起来，放大倍数大约为×16，即可得到±15V的方波，设置频率为0.2Hz-1Hz。

3.如权利要求1所述的心电柔性传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤一中，掩膜为透明胶带。

4.如权利要求1所述的心电柔性传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤一中，导联线为医用扣式心电导联线。

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