CN109875557A - 阵列微针式柔性肌电电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种阵列微针式柔性肌电电极及其制备方法，该阵列微针式柔性肌电电极包括柔性基底、微针及导线，所述微针阵列布设于所述柔性基底上，所述导线设置于所述柔性基底上，每一所述微针均与一所述导线相连，所述导线呈蜿蜒状延伸。该阵列微针式柔性肌电电极具有较好的延伸性，能够随表皮的变化而产生大范围延展。
Description
技术领域
本发明涉及人体肌电信号采集设备制造领域，尤其是一种阵列微针式柔性肌电电极及其制备方法。
背景技术
肌电信号(Electromyography，简称EMG)是人体神经肌肉活动时产生的生物电信号，它能反映肌肉的功能状态。因此，肌电信号中的特征信息的提取和分析，在神经肌肉疾病检测、肢体运动识别控制等领域有重要应用。
传统的肌电信号采集电极分为两种，一种表面电极，一种针电极。表面电极贴于皮肤表面，测量区域大，测得的是被测皮下整块肌肉的肌电信号，不能细致反映肌肉内某一运动单元的肌电信号；而针电极刺入皮肤，可以采集到单个运动单元的肌电信号，以此可以得到单一肌纤维的功能状态信息，对于肌肉疾病的检测和诊断具有重要意义。
然而，传统针电极刺入皮肤，会给待测者带来疼痛感，并且需专业的医护人员进行操作，测量的准确性还依赖于进针的深浅等操作手法。同时，随着对肌肉疾病诊断和分析的深入，研究上需要更为丰富肌肉活动信息，如肌电信号的空间分布信息，为此有必要在一块肌肉区域中插入多个针电极进行信号采集，用以测量一个肌肉区域内的多个运动单元的肌电信号。但是，由于传统针电极体积大，不便于密集排布，并且，对于体表狭小或曲率大的区域，当这类针电极贴于表皮上时，其可延展性或可弯曲程度非常有限，无法适应表皮发生较大变形的情形。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种阵列微针式柔性肌电电极及其制备方法，该阵列微针式柔性肌电电极具有较好的延伸性，能够随表皮的变化而产生大范围延展。
本发明提供了一种阵列微针式柔性肌电电极，包括柔性基底、微针及导线，所述微针阵列布设于所述柔性基底上，所述导线设置于所述柔性基底上，每一所述微针均与一所述导线相连，所述导线呈蜿蜒状延伸。
进一步地，所述导线包括基线层、导线本体及保护层，所述基线层设置于所述柔性基底上，所述导线本体设置于所述基线层上，所述保护层覆盖于所述导线本体上。
进一步地，所述微针包括微针本体及导电层，所述微针本体设置于所述柔性基底上，所述导电层覆盖于所述微针本体上，所述微针本体与所述基线层一体成型。
进一步地，所述导电层与所述导线本体相连，且所述导电层与所述导线本体一体成型。
进一步地，所述导电层及所述导线本体均包括第一金属层及第二金属层，所述第一金属层形成于所述基线层上，所述第二金属层形成于所述第一金属层上，所述保护层覆盖于所述第二金属层上。
进一步地，所述基线层、所述导线本体及所述保护层的形状相同。
本发明还提供了一种阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，该方法包括如下步骤：
提供电极胚板，在所述电极胚板上形成有阵列设置的微针本体；
在所述微针本体上形成导电层，并在所述电极胚板的板面上形成导线本体，使每一所述微针本体上的导电层均与一所述导线本体相连；
在所述导线本体上形成保护层；
提供一柔性基底，将形成有保护层的电极胚板固定至所述柔性基底上；
去除所述微针本体上导电层的区域外及所述导线本体上保护层的区域外的所述电极胚板。
进一步地，该方法还包括，制作电极胚板，并在所述电极胚板上一体形成阵列设置的微针本体。
进一步地，在所述微针本体上形成导电层，并在所述电极胚板的板面上形成导线本体的步骤中，其还包括：
在所述电极胚板上形成导电胚层，去掉所述微针本体的区域外及所述导线本体的区域外的导电胚层。
进一步地，所述导线本体在所述电极胚板的板面上呈蜿蜒状延伸。
进一步地，在所述导线本体上形成保护层后，该方法还包括：
在所述导电层上及所述保护层上覆盖掩膜牺牲层；
以及在去除所述微针本体上导电层的区域外及所述导线本体上保护层的区域外的所述电极胚板后，去掉所述掩膜牺牲层。
进一步地，所述掩膜牺牲层为钛金属层。
综上所述，本发明提供的阵列微针式柔性肌电电极通过使导线呈蜿蜒状延伸，当该阵列微针式柔性肌电电极贴于皮肤上时，柔性基底会随人体表皮发生拉伸或压缩变形，此时，蜿蜒状延伸的导线会随着柔性基底的变形而变形，柔性基底及导线不会对微针形成拉扯力，微针可以牢牢地扎在皮肤上而不脱离，阵列微针式柔性肌电电极就会具有较大的延展性。进一步地，通过使得微针本体与基线层一体成型，以及导电层与导线本体一体成型，能够改善施加于微针及导线上的作用力，增加其延展性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例提供的阵列微针式柔性肌电电极的主视结构示意图。
图2为图1中阵列微针式柔性肌电电极的截面结构示意图。
图3a至图3g为本发明提供的阵列微针式柔性肌电电极制作方法的各步骤的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，详细说明如下。
本发明提供了一种阵列微针式柔性肌电电极及其制备方法，该阵列微针式柔性肌电电极具有较好的延展性，能够随表皮的变化而产生大范围延展。
图1为本发明实施例提供的阵列微针式柔性肌电电极的主视结构示意图，图2为图1中阵列微针式柔性肌电电极的截面结构示意图。需要说明的是，为了便于理解，图2中导线部分的截面为沿导线延伸方向的截面。如图1及图2所示，本发明实施例提供的阵列微针式柔性肌电电极包括柔性基底10、微针20及导线30，微针20阵列布设于柔性基底10上，导线30设置于柔性基底10上，每一微针20均与一导线30相连，在本实施例中，导线30呈蜿蜒状延伸。
在本实施例中，通过使导线30呈蜿蜒状延伸，当本发明提供的阵列微针式柔性肌电电极贴于皮肤上时，柔性基底10会随人体表皮发生拉伸或压缩变形，此时，蜿蜒状延伸的导线30会随着柔性基底10的变形而变形，柔性基底10及导线30不会对微针20形成拉扯力，微针20可以牢牢地扎在皮肤上而不脱离，阵列微针式柔性肌电电极就会具有较大的延展性。
进一步地，如图2所示，微针20包括微针本体21及导电层22，微针本体21设置于柔性基底10上，导电层22覆盖于微针本体21上。
微针本体21可以呈锥形，其锥底的直径大致为100μm-500μm，锥高为500μm-2000μm。
导线30包括基线层31、导线本体32及保护层33，基线层31设置于柔性基底10上，导线本体32设置于基线层31上，保护层33覆盖于导线本体32上。基线层31及保护层33的形状与导线本体32相同。也即导线本体32被夹设在基线层31及保护层33之间。基线层31与保护层33一起既可以对导线本体32进行保护，也可以吸收施加于导线本体32上的应力，以增大其延展性。进一步地，通过上述的结构，可以不再在柔性基底10上设置布设导线30的凹槽，减少了柔性基底10的厚度，这同样能够增大该阵列微针式柔性肌电电极的延展性。
在本实施中，基线层31与微针本体21一体成型，由于基线层31与微针本体21一体成型，基线层31与微针本体21的应力特性大致会相等，这样阵列微针式柔性肌电电极在皮肤上发生弯折时，基线层31及微针本体21对导线本体32及导电层22的作用力大体一致，防止因微针本体21及基线层31自身的力对导电层22及导线本体32产生影响。
在本实施例中，微针本体21及基线层31的材质可以为聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)或光敏树脂等材质。
进一步地，在本实施例中，导线本体32与导电层22相连，且导线本体32与导电层22一体成型，同样地，由于导线本体32与导电层22一体成型，在制作时不用再通过任何其它的方式使导线本体32与导电层22相连，这有利于改善导线本体32与导电层22连接处的应力，增大该阵列微针式柔性肌电电极的延展性。
更为具体地，在本实施例中，导电层22及导线本体32均包括第一金属层及第二金属层(图未示出)，第一金属层形成于微针本体21及基线层31上，第二金属层形成于第一金属层上，保护层33覆盖于导线本体32区域的第二金属层上。第一金属层可以为铬金属层以增加第二金属层与微针本体21之间及第二金属层与基线层31之间的附着力，第二金属层可以为金金属层，以增加导电层22及导线本体32的导电性能。第一金属层的厚度可以为5-20nm，第二金属层的厚度可以为80-300nm。
综上所述，本发明提供的阵列微针式柔性肌电电极通过使导线30呈蜿蜒状延伸，当该阵列微针式柔性肌电电极贴于皮肤上时，柔性基底10会随人体表皮发生拉伸或压缩变形，此时，蜿蜒状延伸的导线30会随着柔性基底10的变形而变形，柔性基底10及导线30不会对微针20形成拉扯力，微针20可以牢牢地扎在皮肤上而不脱离，阵列微针式柔性肌电电极就会具有较大的延展性。进一步地，通过使得微针本体21与基线层31一体成型，以及导电层22与导线本体32一体成型，能够改善施加于微针20及导线30上的作用力，增加其延展性。
图3a至图3g为本发明提供的阵列微针式柔性肌电电极制作方法的各步骤的结构示意图。如图3a至图3g所示，本发明还提供了一种阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，该方法包括如下步骤：
S1：制作电极胚板40，并在电极胚板40上形成阵列设置的微针本体21。(见图3a)
在该步骤中，电极胚板40可以通过将聚酰亚胺等原料的溶液导入模具中，采用注塑法一体成型。在另一个实施例中，也可以通过3D打印机直接将电极胚板40一体打印出来。
S2：在微针本体21上形成导电层22，并在电极胚板40的板面上形成导线本体32，使每一微针本体21的导电层22均与一导线本体32相连。(见图3b)
在该步骤中，可以采用蒸镀等方法在电极胚板40上形成一导电胚层；提供一预先制备的第一掩膜板，使用光刻显影的方法，将第一掩膜板上的图形复制到光刻胶上，然后再通过湿法蚀刻工艺对导电胚层进行刻蚀，去掉微针本体21区域外及导线本体32区域外的导电胚层，以在微针本体21上形成导电层22，以及在电极胚板40的板面上形成导线本体32。
进一步地，在本实施例中导线本体32在电极胚板40的板面上呈蜿蜒状延伸。
S3：在导线本体32上形成保护层33。(见图3c)
在该步骤中，可以通过预先制备的第二掩膜板，利用光刻显影将第二掩膜板上的图形复制到导线本体32上，并通过加热固化以形成保护层33。也即在此步骤后，仅在导线本体32上形成保护层33，微针本体21上的导电层22裸露于外。
进一步地，在加热固化时，可以先加热至80℃保温10分钟，继续加热至120℃-130℃保温30-40分钟，继续加热至150℃-160℃保温30-40分钟，继续加热至200℃-220℃保温30-40分钟，继续加热至250℃-260℃保温30-40分钟，通过阶梯型的温度加热曲线，能够更好地消除保护层33内的应力，以增加其延展性。
S4：在导电层22及保护层33上覆盖掩膜牺牲层41。(如图3d)
在本实施例中，掩膜牺牲层41可以为钛金属层，以对微针本体21的导电层22及导线本体32的保护层33进行保护。
其具体方法可以为，先在整个电极胚板40上蒸镀一层钛金属层，再次利用第一掩膜板，通过光刻显影方法，将掩膜板图形复制到光刻胶上，以形成第一掩膜图形，然后使用氢氟酸(HF)缓冲液蚀刻第一掩膜图形以外的钛金属层，最终仅在导电层22及保护层33上形成掩膜牺牲层41。
S5：提供一柔性基底10，将S4步骤中在导电层22及保护层33上覆盖有掩膜牺牲层41的电极胚板40固定至柔性基底10上。(见图3e)
在本实施例中，柔性基底可以为PDMS((polydimethylsiloxane；聚二甲基硅氧烷)。
S6：对电极胚板40上未覆盖有掩膜牺牲层41的区域进行蚀刻，以去除微针本体21上导电层22区域外及导线本体32上保护层33区域外的电极胚板40，使相对于导线本体32区域的电极胚板40形成基线层31。(见图3f)
在该步骤中，可以通过反应性离子刻蚀(RIE)的方法，对电极胚板40上未覆盖有掩膜牺牲层41的区域进行蚀刻，以去掉多余的电极胚板40。其条件为氧气15sccm-30sccm，射频100W-150W，气压10Pa-30Pa。也即在此步骤后，导线本体32会夹设于基线层31及保护层33之间，且导线本体32与基线层31及保护层33的形状相同。
S7：去掉掩膜牺牲层41，以形成固定在柔性基底10上的阵列微针式柔性肌电电极。
通过上述方法制备的阵列微针式柔性肌电电极，可以使微针本体21与基线层31，以及导电层22及导线本体32均一体成型，这有助于制作超尖细的阵列状微针20，以及减少微针20与导线30之间的应力，同时，通过先制备微针20及导线30，然后再将其转移到柔性基板上的工艺，能够降低整体的厚度，进一步地提高其延展性，以适应人体皮肤小区域、大曲率及大形变位置的测量需要。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (12)
1.一种阵列微针式柔性肌电电极，其特征在于：包括柔性基底、微针及导线，所述微针阵列布设于所述柔性基底上，所述导线设置于所述柔性基底上，每一所述微针均与一所述导线相连，所述导线呈蜿蜒状延伸。
2.如权利要求1所述的阵列微针式柔性肌电电极，其特征在于：所述导线包括基线层、导线本体及保护层，所述基线层设置于所述柔性基底上，所述导线本体设置于所述基线层上，所述保护层覆盖于所述导线本体上。
3.如权利要求2所述的阵列微针式柔性肌电电极，其特征在于：所述微针包括微针本体及导电层，所述微针本体设置于所述柔性基底上，所述导电层覆盖于所述微针本体上，所述微针本体与所述基线层一体成型。
4.如权利要求3所述的阵列微针式柔性肌电电极，其特征在于：所述导电层与所述导线本体相连，且所述导电层与所述导线本体一体成型。
5.如权利要求4所述的阵列微针式柔性肌电电极，其特征在于：所述导电层及所述导线本体均包括第一金属层及第二金属层，所述第一金属层形成于所述基线层上，所述第二金属层形成于所述第一金属层上，所述保护层覆盖于所述第二金属层上。
6.如权利要求2所述的阵列微针式柔性肌电电极，其特征在于：所述基线层、所述导线本体及所述保护层的形状相同。
7.一种阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
提供电极胚板，在所述电极胚板上形成有阵列设置的微针本体；
在所述微针本体上形成导电层，并在所述电极胚板的板面上形成导线本体，使每一所述微针本体上的导电层均与一所述导线本体相连；
在所述导线本体上形成保护层；
提供一柔性基底，将形成有保护层的电极胚板固定至所述柔性基底上；
去除所述微针本体上导电层的区域外及所述导线本体上保护层的区域外的所述电极胚板。
8.如权利要求7所述的阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，其特征在于：该方法还包括，制作电极胚板，并在所述电极胚板上一体形成阵列设置的微针本体。
9.如权利要求7所述的阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，其特征在于：在所述微针本体上形成导电层，并在所述电极胚板的板面上形成导线本体的步骤中，其还包括：
在所述电极胚板上形成导电胚层，去掉所述微针本体的区域外及所述导线本体的区域外的导电胚层。
10.如权利要求7所述的阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，其特征在于：所述导线本体在所述电极胚板的板面上呈蜿蜒状延伸。
11.如权利要求7所述的阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，其特征在于：在所述导线本体上形成保护层后，该方法还包括：
在所述导电层上及所述保护层上覆盖掩膜牺牲层；
以及在去除所述微针本体上导电层的区域外及所述导线本体上保护层的区域外的所述电极胚板后，去掉所述掩膜牺牲层。
12.如权利要求11所述的阵列微针式柔性肌电电极的制作方法，其特征在于：所述掩膜牺牲层为钛金属层。
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|---|---|---|---|---|
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2019
- 2019-02-03 CN CN201910109128.4A patent/CN109875557A/zh not_active Withdrawn
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