CN113974635B - 一种可穿戴的HD-sEMG传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴的HD‑sEMG传感器及其制备方法，包括：电极阵列结构、凝胶电极单元以及超弹性连接部，所述电极阵列结构为阵列式布置的多个子阵列结构，包括基层、第一电极层、第二电极层、第一封装层和第二封装层；所述凝胶电极单元设置在所述第一封装层的外侧，并被配置成可与被试体黏贴；所述超弹性连接部由超弹性材料制成，并被配置成将所述多个子阵列结构相互连接起来；所述凝胶电极单元包括与多个相对应的干电极中的每一对相对应的凝胶电极，所述凝胶电极通过竖直布置并穿过各层的通孔与相对应的干电极对进行电连接。本发明具有很好的拉伸性、可重复使用，可用于颈部吞咽肌电采集。

Description

一种可穿戴的HD-sEMG传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及肌电信号采集技术领域，尤其涉及一种可穿戴的HD-sEMG传感器及其制备方法。
背景技术
目前研究的高密度表面肌电(High-density surface electromyography,HD-sEMG)传感器。HD-sEMG的导线有金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等，支撑导线所用基材与封装导线所用材料有聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜、Ecofelx硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜、silbione硅橡胶、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)薄膜等。HD-sEMG的电极有Au、Ag、Ag/AgCl。传感器制作所用工艺有光刻刻蚀、激光切割、丝网印刷、喷墨打印等。
Au材料延展性好，作为导线可提升传感器柔性，但是不能过度拉伸否则断裂、作为电极可以降低接触阻抗，Ag相比Au次之，Cu为最末。PI材料柔性好但没有拉伸性，需要结构化后才能拉伸；Ecoflex、PDMS、silbione材料本身具有柔性与拉伸性，属于超弹性材料，但是其存在与导线之间的结合问题；PET薄膜具有柔性与拉伸性，但是韧性不好，容易断裂。Au、Ag、Ag/AgCl作为干电极，在拉伸时容易被移动而产生运动伪迹，严重者会使信号淹没在噪声中。目前常使用导电膏辅助，绷带贴合来解决运动伪迹问题。
光刻刻蚀工艺需要净化间、耗时长、工艺复杂，不太适合批量生产，使用此工艺不易制作厚度较厚的HD-sEMG传感器，而较薄的传感器可以保型贴敷，但是不能多次重复使用。激光切割方式制作传感器，时间段、配合适合可切割材料，但是需要考虑封装。丝网印刷法也是一种简单的方法，但是丝网印刷法的导线线宽有一定的限制，对导电的材料有一定的要求，同时导线与基材的贴合也是一个难点。喷墨打印同丝网印刷，仅仅取消了线宽的限制，其他难点目前仍然存在，相比之下，喷墨打印对基材的要求更高，它还需要考虑喷墨强度对基材的影响等问题。
例如：申请号为CN201810209677.4的中国专利，公开了一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极及其制备方法，该传感器只能靠薄弱的范德华力附着在皮肤上，不能多次反复使用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种可穿戴的HD-sEMG传感器及其制备方法，具有很好的拉伸性、可重复使用，可用于颈部吞咽肌电采集。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种具有很好的拉伸性、可重复使用的可穿戴的HD-sEMG传感器，可用于颈部吞咽肌电采集。
为实现上述目的，本发明提供了一种可穿戴的HD-sEMG传感器，包括：电极阵列结构，所述电极阵列结构为阵列式布置的多个子阵列结构，包括基层；第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层分别设置在所述基层的两侧，所述第一电极层和第二电极层分别包括阵列式布置并通过互联导线电连接的多个相对应的干电极；以及第一封装层和第二封装层，所述第一封装层和第二封装层分别设置在所述第一电极层和第二电极层的外侧；凝胶电极单元，所述凝胶电极单元设置在所述第一封装层的外侧，并被配置成可与被试体黏贴；以及超弹性连接部，所述超弹性连接部由超弹性材料制成，并被配置成将所述多个子阵列结构相互连接起来；其中，所述多个相对应的干电极中的每一对中具有竖直布置并穿过所述基层、第一电极层、第二电极层、第一封装层和第二封装层的通孔，所述凝胶电极单元包括与所述多个相对应的干电极中的每一对相对应的凝胶电极，所述凝胶电极通过所述通孔与相对应的干电极对进行电连接。
进一步地，所述电极阵列结构为柔性印刷电路板结构。
进一步地，所述基层、第一封装层和第二封装层由柔性材料制成。
进一步地，所述基层、第一封装层、第二封装层、第一电极层和第二电极层为网状连接结构，所述网状连接结构包括矩形连接结构和可拉伸的异形连接结构中的一种或多种。
进一步地，所述干电极和周围的封装之间设有间隙。
进一步地，所述凝胶电极单元由耐高温自粘性凝胶材料制成。
进一步地，耐高温自粘性凝胶材料包含N-丙烯酰基甘氨酰胺和溶剂，所述溶剂包含水和甘油中的一种或多种，所述N-丙烯酰基甘氨酰胺与溶剂的质量比例为2∶50-3∶5。
进一步地，耐高温自粘性凝胶材料还包含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，所述N-丙烯酰基甘氨酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的质量比例为为1∶100-1∶1。
进一步地，所述超弹性连接部包括聚二甲基硅氧烷层和硅橡胶层，所述聚二甲基硅氧烷层设置在所述硅橡胶层的上表面上。
本发明还提供了一种如上所述的可穿戴的HD-sEMG传感器的制备方法，包括以下步骤：
制作电极阵列结构；
制作耐高温自粘性凝胶材料；
制作超弹性材料印刷需要的掩模版；
将耐高温自粘性凝胶材料滴涂在电极阵列结构上；
将超弹性材料依次印刷到待隔开的多个子阵列结构的相互之间，形成超弹性连接部；
将待隔开的多个子阵列结构相互之间的原有连接去除。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
1、通过在电极阵列结构上设置超弹性结构及耐高温自粘性凝胶电极，即在电极阵列结构中最中间两行两列干电极之间引入超弹性材料，使得传感器具有很好的拉伸性，能配合吞咽时皮肤形变的大小范围，在传感器产生大形变确保电极点不会产生相对移动，满足吞咽动作需求，解决吞咽期间肌电采集的问题；通过采用耐高温自粘性凝胶电极，使得传感器不需要外界粘贴辅助从而很好的固定在皮肤上，简化了传感器的结构；同时耐高温自粘性凝胶电极可以配合PI可承受温度进行传感器的高温消毒，促使传感器适于极端环境中工作。
2、通过使电极阵列结构中Au电极与封装之间的间隙，使传感器可以和粘性电极很好的固定在一起。
3、耐高温自粘性凝胶电极可承受高达500℃的温度，替换3M的Ag/AgCl凝胶，可粘贴重50g的砝码不掉。
4、有较低的接触阻抗，可以得到很好的信号质量，并且佩戴舒适。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的用于颈部吞咽肌电采集的可穿戴HD-sEMG传感器的结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的用于颈部吞咽肌电采集的可穿戴HD-sEMG传感器的电极阵列结构示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的耐高温自粘性凝胶电极制作流程图；
图4是本发明的一个较佳实施例的制作超弹性材料印刷需要的掩模版的结构示意图。
其中，1-电极阵列结构，2-耐高温自粘性凝胶电极，3-超弹性结构，101-顶面覆盖膜，102-顶层铜，103-中间PI层，104-底层铜，105-底面覆盖膜，106-盲孔，107-通孔，31-水，32-甘油，33-NAGA，34-AMPS，35-APS，36-TRMED，37-耐高温自粘性凝胶材料。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
参照图1所示，本实施例提供一种用于颈部吞咽肌电采集的可穿戴HD-sEMG传感器，包括：电极阵列结构1、超弹性结构3和耐高温自粘性凝胶电极2。
电极阵列结构1为传感器的框架，起支撑作用；并且保证传感器的柔性分区布局、可拉伸性。超弹性结构3设置于电极阵列结构1上，用于传感器产生大形变而电极不会产生相对移动，满足吞咽动作需求。耐高温自粘性凝胶电极2设置于电极阵列结构1上，用于接触并黏贴皮肤以获取生物电信号，并使传感器黏贴在皮肤上。
上述电极阵列结构1是传感器的核心框架，是由异形结构的双层布线形成的高度集成化的64个干电极的导线连接，便于形成可穿戴设备，用于支撑整个可穿戴设备，并且保证可穿戴设备多类柔性分区布局和可拉伸性；耐高温自粘性凝胶电极2位于电极阵列结构1中Au电极的表面，用于与皮肤接触获取生物电信号，并且用于将传感器黏贴在皮肤上，超弹性结构3放置于电极阵列结构1中间映射于颈部的喉结区域的大皮肤形变区域，用于传感器产生大形变而电极不会产生相对移动，满足吞咽动作需求。上述传感器可在人的舌下肌群和舌上肌群这种曲率较小的皮肤区域使用，同时也可在手臂、大腿、面部和背部使用，采集信号质量好，适用于采集生物电信号，柔性好、佩戴舒适。
在其他部分优选实施例中，为了使传感器更好的贴合皮肤，从而采集高质量的信号。在传感器电极阵列结构1中使用不同宽度封装的蛇形结构，如图2所示。
在其他部分优选实施例中，参照图2所示，电极阵列结构1的结构由上层到下层依次包括：顶面覆盖膜101作为第一封装层、顶层铜102作为第一电极层、中间PI层103作为基层、底层铜104作为第二电极层和底面覆盖膜105作为第二封装层；电极阵列结构1上设有盲孔106和通孔107。
在其他部分优选实施例中，超弹性结构3设置于电极阵列结构1中最中间两行、两列的电极点之间，通过超弹性结构3使中间两行中相对的两个电极点分别沿竖向连接，两列中相对的两个电极点分别沿水平连接。超弹性结构3将电极阵列结构1分成2×2的子阵列结构。
在其他部分优选实施例中，超弹性结构3也可将电极阵列结构1分成m×n的子阵列结构。
在其他部分优选实施例中，电极阵列结构1中电极点之间互连或者封装采用矩形连接结构或异形连接结构连接；该异形结构为蛇形、螺旋形或任意可拉伸的异形结构。作为一优选方式，电极阵列结构1中除了最中间两行两列电极是简单矩形连接，其他电极之间的所有互连及其封装均是蛇形的，且非导线存在的互连宽度窄。
在其他部分优选实施例中，电极阵列结构1中圆形电极和圆形电极周围封装之间设有一定距离间隙，可以嵌入耐高温自粘性凝胶电极2，使耐高温自粘性凝胶电极2很好地固定于电极阵列结构1的Au电极点之上。
顶层铜102通过盲孔106与底层铜104上的互联导线连接，并从金属焊盘引出。耐高温自粘性凝胶电极2通过通孔107与电极阵列结构1的Au电极点连接。
在其他部分优选实施例中，耐高温自粘性凝胶电极2的材料包含N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和溶剂，N-丙烯酰基甘氨酰胺与溶剂质量比例为2∶50-3∶5。溶剂是水和甘油的混合物，比例可以是1∶1。作为一优选方式，N-丙烯酰基甘氨酰胺与溶剂的质量比为1∶5。
在其他部分优选实施例中，耐高温自粘性凝胶电极的材料还包含具有亲水性的可调节凝胶热塑性材料，具有亲水性的可调节凝胶热塑性材料与N-丙烯酰基甘氨酰胺共聚形成超分子共聚物水凝胶。具有亲水性的可调节凝胶热塑性材料选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)。
在其他部分优选实施例中，NAGA与AMPS的质量比例为1∶100-1∶1，作为一优选方式，NAGA与AMPS的质量比例为1∶1。
在其他部分优选实施例中，耐高温自粘性凝胶电极材料中包含具有良好导电性的带负电的水分散体，水分散体与溶剂的质量比例为1∶100-500∶1。
在其他部分优选实施例中，超弹性结构3由聚二甲基硅氧烷层和硅橡胶(例如Ecoflex、silbione)层叠加成复合层，其中，聚二甲基硅氧烷层设置于硅橡胶层的上表面。
在另一实施例中，上述用于颈部吞咽肌电采集的可穿戴HD-sEMG传感器可以采用以下方法制备，包括：
S101、制作电极阵列结构。具体地，通过柔性印刷电路板(Flexible PrintedCircuit,FPC)技术制作电极阵列结构，FPC工艺成熟，效率高，成品具有卓越的复用性。
S102、制作耐高温自粘性凝胶材料：参照图3所示，将水31与甘油32按质量比为1∶1进行混合，漩涡振荡混合均匀，得到溶剂。将NAGA 33、溶剂和AMPS 34混合，漩涡振荡混合均匀，加入过硫酸铵(Ammonium persulfate,APS)35，继续漩涡振荡，加入N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)36；置于100℃烘箱干燥，得到耐高温自粘性凝胶材料37；其中APS 35和TEMED 36用于电极的交联。
S103、制作超弹性材料印刷需要的掩模版。参照图4所示，通过激光切割技术制作出所需掩模版。
S104、将耐高温自粘性凝胶材料滴涂在电极阵列结构上。
S105、将超弹性材料依次印刷到电极阵列结构中最中间两行两列干电极之间的简单矩形连接上。
S106、将电极阵列结构中最中间两行两列干电极之间的简单矩形连接剪除。
较佳实施例中，通过激光切割技术制作出所需掩模版，参照图4所示，直径和电极点封装的大小相同，同时电极点和封装之间的间隙宽度是0.1mm，这样可以使耐高温自粘性凝胶电极2牢靠嵌入。
较佳实施例中，为了使传感器更好的贴合皮肤不随皮肤形变而产生电极的相对位移，电极阵列结构1中最中间两行两列干电极之间为简单矩形连接，矩形连接的材料选择超弹性材料。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，包括：
电极阵列结构、凝胶电极单元以及超弹性连接部，
所述电极阵列结构为阵列式布置的多个子阵列结构，所述电极阵列结构包括基层、第一电极层和第二电极层以及第一封装层和第二封装层；
所述第一电极层和第二电极层分别设置在所述基层的两侧，所述第一电极层和第二电极层分别包括阵列式布置并通过互联导线电连接的多个相对应的干电极；
所述第一封装层和第二封装层分别设置在所述第一电极层和第二电极层的外侧；
所述凝胶电极单元设置在所述第一封装层的外侧，并被配置成可与被试体黏贴；所述超弹性连接部由超弹性材料制成，并被配置成将所述多个子阵列结构相互连接起来；
其中，所述多个相对应的干电极中的每一对中具有竖直布置并穿过所述基层、第一电极层、第二电极层、第一封装层和第二封装层的通孔，所述凝胶电极单元包括与所述多个相对应的干电极中的每一对相对应的凝胶电极，所述凝胶电极通过所述通孔与相对应的干电极对进行电连接。
2.如权利要求1所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，所述电极阵列结构为柔性印刷电路板结构。
3.如权利要求1所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，所述基层、第一封装层和第二封装层由柔性材料制成。
4.如权利要求1所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，所述基层、第一封装层、第二封装层、第一电极层和第二电极层为网状连接结构，所述网状连接结构包括矩形连接结构和可拉伸的异形连接结构中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，所述干电极和周围的封装之间设有间隙。
6.如权利要求1所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，所述凝胶电极单元由耐高温自粘性凝胶材料制成。
7.如权利要求6所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，耐高温自粘性凝胶材料包含N-丙烯酰基甘氨酰胺和溶剂，所述溶剂包含水和甘油中的一种或多种，所述N-丙烯酰基甘氨酰胺与溶剂的质量比例为2∶50-3∶5。
8.如权利要求7所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，耐高温自粘性凝胶材料还包含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，所述N-丙烯酰基甘氨酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的质量比例为1∶100-1∶1。
9.如权利要求1所述的可穿戴的HD-sEMG传感器，其特征在于，所述超弹性连接部包括聚二甲基硅氧烷层和硅橡胶层，所述聚二甲基硅氧烷层设置在所述硅橡胶层的上表面上。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的可穿戴的HD-sEMG传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制作电极阵列结构；
制作耐高温自粘性凝胶材料；
制作超弹性材料印刷需要的掩模版；
将耐高温自粘性凝胶材料滴涂在电极阵列结构上；
将超弹性材料依次印刷到待隔开的多个子阵列结构的相互之间，形成超弹性连接部；
将待隔开的多个子阵列结构相互之间的原有连接去除。
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