CN114469104A - 一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于在普通织物上实现具有生物电能源收集和生物电信号采集功能的阳极、阴极和柔性银导线以及信号提取电路、能量存储电路和信号输出电路，包括织物基底层1、弹性薄膜层2、碳纳米管层3和萘醌层4、氧化反应层5、还原反应层6、导电墨水层7、柔性银导线8、可拉伸密封层9、阳极接口10、阴极接口11、信号提取电路12、能量存储电路13和信号输出电路14。皮肤分泌物可使5发生氧化反应和6发生还原反应形成原电池，实现自发电；由12实现生物电信号提取，13实现生物电信号输出，14实现生物电能源储存。本发明有效利用人体生物电能源供电检测自身生物电信号，便于携带且可与可穿戴设备集成实现人体生命体征的检测与评估。

Description

一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法与装置
技术领域
本发明属于自发电可穿戴电子技术领域，具体涉及一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置。
背景技术
智能可穿戴技术是指将传感器、无线通信、多媒体等技术嵌入人们直接穿戴在身上的便携式医疗或健康电子设备中，在软件支持下感知、记录、分析、调控、干预甚至治疗疾病或维护健康状态。在智能穿戴技术里，如何提高设备的续航时间是要解决的重要问题。通过无线充电、极速充电、太阳能和生物充电等技术可以解决该问题，但这些充电技术大多处于研究阶段，尚未大规模商用。
丝网印刷技术是以机械式外力的方式将油墨从特殊模板向平滑基底印刷数次的过程，是一种简单方便的图案印刷技术,可以在各种基体表面印刷不同种类的原料,其中印刷基体包括各种类型的材质，印刷原料是水性乳液或油性乳液。与传统的光刻或蚀刻工艺不同，丝网印刷工艺不必在真空下进行，从而使该工艺与刚性基板(例如玻璃，硅片等)和柔性基板(例如纺织品，纸张，塑料等)更加兼容。
柔性生物电干电极是通过丝网印刷技术将柔性干电极印刷于基底的表面。丝网印刷是一种简单方便的图案印刷技术，可以在各种基体表面印刷不同种类的原料，其中印刷基体包括各种类型的材质，印刷原料是水性乳液或油性乳液。与传统的光刻或蚀刻工艺不同，丝网印刷工艺不必在真空下进行，从而使该工艺与刚性基板和柔性基板更加兼容。丝印印刷技术己经在很多领域得到了广泛应用。
自发电技术是一种新型发电技术，它是将周围环境中的各种能量转化成电能，从而驱动低功耗电子设备运作。目前，常见的自发电技术包括生物燃料电池、体温热电、摩擦发电机和太阳能发电。
目前，现有的干电极只具有单一的生命体征电信号采集功能，比如用于采集心电、脑电信号的干电极。这类干电极仅具有生物体表电势信号检测功能，功能单一，没有实现干电极的功能多样化，比如专利号为CN 111657917 A的“一种干电极心电图检测仪”、专利号为CN 113343921 A的“柔性生物电干电极及制作方法、柔性基地薄膜的制作方法”、专利号为CN 107690307 A的“用于生物电势和皮肤阻抗感测的干电极以及使用方法”、专利号为CN109044326 A的“一种基于印刷技术的全柔性干电极及其制备方法”，仅能检测人体皮肤表面心电信号，无法收集生物电能源。
目前，现有的干电极只具有单一的储能装置电能输入输出接口的功能，比如一种用于储能装置的电极。这类干电极只能用于储能装置的能量收集，不具有其他拓展功能，比如专利号为CN 113272994 A的“用于能量存储装置的断续地涂敷的干电极及其制造方法”、专利号为CN 109074961 A的“用于储能装置的电极以及用于制造干储能装置电极膜的方法”、专利号为CN 106169574 B的“电极活性材料及其制备方法、电极和能量存储装置”、专利号为CN 106953068 B的“电极活性材料、包括其的电极和二次电池、及其制备方法”，仅能传输电能，无法检测电信号。
为解决上述问题，本发明公开一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置。既能用于检测人体体表生物电信号，又能用于人体体表能量收集，实现自发电功能。便于携带、使用简单，能够充分利用人体体表能量，检测人体体表电信号。
本发明的直接效益是：一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置，方便佩戴，功能多样，既能收集生物电能，又能检测生物电信号。所述具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置通过分层丝网印刷技术实现自发电和生物电信号实时检测，可以有效利用生物能源检测生物信号，改善传统生物电极只能检测生物电信号的局限。所述具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置制造成本低、便于携带且可与可穿戴设备结合，通过智能云、移动端，实现人体生命体征的检测与评估。
发明内容
本发明针对现有干电极只能单一收集生物电能源或检测生物电信号的问题，提出一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置，所述装置的核心为阳极和阴极及信号提取、输出电路和能量存储电路的实施，所述方法核心为生物电信号与生物电能量的获取、分离与处理。
本发明针对现有干电极只能单一收集生物电能源或检测生物电信号的问题，提出一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的装置。应用分层丝网印刷技术，在普通织物表面印制弹性薄膜层，并在弹性薄膜层表面印制具有生物电能源收集和生物电信号采集功能的阳极、阴极和柔性银导线以及信号提取电路、能量存储电路和信号输出电路。所述阳极由内部和外部两个区域构成，内部区域具有生物电能源收集功能，由碳纳米管层、萘醌层和氧化反应层构成；外部区域具有生物电信号采集功能，由导电墨水层构成；内部区域的氧化反应层通过导电墨水与外部区域相连；所述氧化反应层由乳酸氧化酶形成。所述阴极由内部和外部两个区域构成，内部区域具有生物电能源收集功能，由碳纳米管层和还原反应层构成；外部区域具有生物电信号采集功能，由导电墨水层构成；内部区域的还原反应层通过导电墨水与外部区域相连；所述还原反应层由氧化银形成。所述阳极和阴极外部区域分别经柔性银导线引出阳极接口和阴极接口，两个接口与信号提取电路相连，信号提取电路分别与能量存储电路和信号输出电路相连；所述信号提取电路由分压电路构成，一部分分压元件的输出电压表征生物电信号的电压，经信号输出电路的滤波降噪电路和放大电路，实现生物电信号的采集；另一部分分压元件的输出电压及电流，经能量存储电路的升压电路和稳压电路处理，将能量存储于超级电容。
本发明针对现有干电极只能单一收集生物电能源或检测生物电信号的问题，提出一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法，即生物电能源收集和生物电信号采集协同工作方法。利用阳极发生氧化反应和阴极发生还原反应形成原电池，该原电池输出电压即反映生物电信号，通过信号提取电路，实现生物电信号的提取，再由信号输出电路对提取的原始生物电信号进行降噪、放大处理，由能量存储电路对原电池输出电压进行升压、稳压处理，实现生物电能源收集和生物电信号的采集。所述阳极发生氧化反应，指阳极的乳酸氧化酶催化皮肤表面分泌物中的乳酸发生氧化反应，产生自由电子，形成带正电的生物有机分子团。所述阴极发生还原反应，指阴极的氧化银在皮肤表面分泌物环境中得到自由电子，发生还原反应，形成带负电的氧离子溶液环境。所述阳极和阴极结构中有面积较大的导电墨水层，该层用于传感皮肤表面的生物电信号，且该层又用于传导原电池的电流，使得所述原电池输出电压表征了生物电信号。
附图说明
图1为本发明提出的生物电能源收集及生物电信号采集装置示意图。
图2为本发明提出的生物电能源收集和生物电信号采集协同工作方法流程图。
图3为本发明提出的生物电能源存储与生物电信号提取电路示意图。
图4为本发明提出的原电池化学反应结构示意图。
图5权力要求5的实施方案的装置示意图。
图6权力要求6的实施方案的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本发明。
本发明提出了一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置，该装置包含：织物基底层1、弹性薄膜层2、碳纳米管3和萘醌层4、氧化反应层 5、还原反应层6、导电墨水层7、柔性银导线8、可拉伸密封层9、阳极接口10、阴极接口11、信号提取电路12、能量存储电路13和信号输出电路14。皮肤分泌物可使5发生氧化反应和6发生还原反应形成原电池，实现自发电。由12实现生物电信号提取，13实现生物电信号输出，14实现生物电能源储存。具体实施方式：
步骤1：由分层印刷技术在织物基底层表面印制聚氨酯弹性薄膜层；
步骤2：在聚氨酯弹性薄膜层表面印制阳极：
分步骤1：在聚氨酯弹性薄膜层表面阳极区内部区域印制碳纳米管层；
分步骤2：在碳纳米管层表面印制萘醌层；
分步骤3：在萘醌层表面印制乳酸酶反应层；
分步骤4：在聚氨酯弹性薄膜层表面阳极区外部区域印制导电墨水层，并使其与内部区域的乳酸酶反应层相连接；
步骤3：在聚氨酯弹性薄膜层表面印制阴极：
分步骤1：在聚氨酯弹性薄膜层表面阴极区内部区域印制碳纳米管层；
分步骤2：在碳纳米管层表面印制氧化银反应层；
分步骤3：在聚氨酯弹性薄膜层表面阴极区外部区域印制导电墨水层，并使其与内部区域的氧化银反应层相连接；
步骤4：分别从阳极和阴极外部区域的导电墨水层引出柔性银导线；
步骤5：在柔性银导线层表面印制可拉伸密封层；
步骤6：在引出的柔性银导线末端分别印制阳极接口和阴极接口。
步骤7：印制信号提取电路：
分步骤1：在硅基表面印刷信号提取电路；
分步骤2：在聚氨酯弹性薄膜层表面纺织印制分步骤1中的硅基电路；
步骤8：印制信号输出电路：
分步骤1：在硅基表面印刷信号输出电路；
分步骤2：在聚氨酯弹性薄膜层表面纺织印制分步骤1中的硅基电路；
步骤9：印制能量存储电路：
分步骤1：在硅基表面印刷能量存储电路；
分步骤2：在聚氨酯弹性薄膜层表面纺织印制分步骤1中的硅基电路；
本发明提出了一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置，该方法为生物电能源收集和生物电信号采集协同工作方法，即利用阳极发生氧化反应和阴极发生还原反应形成原电池，该原电池输出电压即反映生物电信号，通过信号提取电路，实现生物电信号的提取，再由信号输出电路对提取的原始生物电信号进行降噪、放大处理，由能量存储电路对原电池输出电压进行升压、稳压处理，实现生物电能源收集和生物电信号的采集。如图3所示，为用于实现该方法的电路结构，也即本发明提出的装置对应的电路结构，具体实施流程如下：
流程S01：由生物电能源收集及生物电信号采集阳极、阴极及柔性银导线构成的原电池产生输出电压；如图3所示，虚线框14即对应原电池及其输出。如图4所示，为原电池化学反应结构示意图，18为阳极接口，19为阴极接口，20 (Lactate)为乳酸，21(Pyruvate)为丙酮酸盐，22(e-)为自由电子，23(Ag2O) 为氧化银，24(Ag)为银原子，25(O2-)为氧离子。
流程S02：信号提取电路为电阻分压电路，检测较小电阻两端的电压，由此提取生物电信号，提取参数为该电阻两端电压；较大电阻两端输出用于能量存储；如图3所示，为生物电能源存储与生物电信号提取电路示意图，其中虚线框14 内模块表示原电池；虚线框15内模块表示所述信号提取电路，Zsignal为所述较小电阻，其两端电压表征生物电信号，Zstore表示所述较大电阻，其两端输出用于能量存储。
流程S03：由流程S02得出的生物电信号，经信号输出电路中的降噪电路和放大电路处理后进行输出；如图3所示，虚线框16内模块表示生物电信号电压放大与降噪电路，其输出即为所需生物电信号。
流程S04：在流程S02较大电阻两端输出接入升压电路和稳压电路，而后接入超级电容，实现电能存储；如图3所示，虚线框17内模块表示原电池输出电压的升压、稳压电路，并将电能存储与超级电容SC中。
本发明提出了一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置，该装置中的阳极和阴极还有如权力要求5所述的实施方法，如图5所示，该装置由织物基底层26、聚氨酯弹性薄膜层27、碳纳米管层28、萘醌层29、乳酸酶反应层30、导电墨水层31、氧化银反应层32、柔性银导线层33、可拉伸密封层34、阳极接口35和阴极接口36构成，具体实施方式：
步骤1：由分层印刷技术在织物基底层表面印制聚氨酯弹性薄膜层；
步骤2：在聚氨酯弹性薄膜层表面印制阳极，印制方式如权利要求1所述方案阳极印制方式。
步骤3：在聚氨酯弹性薄膜层表面印制阴极；
分步骤1：在聚氨酯弹性薄膜层表面阴极区印制碳纳米管层；
分步骤2：在碳纳米管层表面印制氧化银反应层；
步骤4：分别从阳极和阴极的导电墨水层引出柔性银导线层；
步骤5：在柔性银导线层表面印制可拉伸密封层；
步骤6：在步骤4引出的柔性银导线层末端分别印制阳极接口和阴极接口。
本发明提出了一种具有生物电能源收集及生物电信号采集的方法及装置，该装置中的阳极和阴极还有如权力要求6所述的实施方法，如图6所示，该装置由织物基底层37、聚氨酯弹性薄膜层38、碳纳米管层39、萘醌层40、乳酸酶反应层41、导电墨水层42、氧化银反应层43、柔性银导线层44、可拉伸密封层45、阳极接口46和阴极接口47构成，具体实施方式：
步骤1：由分层印刷技术在织物基底层表面印制聚氨酯弹性薄膜层；
步骤2：在聚氨酯弹性薄膜层表面印制阳极：
分步骤1：在聚氨酯弹性薄膜层表面阳极区印制碳纳米管层；
分步骤2：在碳纳米管层表面印制萘醌层；
分步骤3：在萘醌层表面印制乳酸酶反应层；
步骤3：在聚氨酯弹性薄膜层表面印制阴极；印制方式如权利要求1所述方案阴极印制方式。
步骤4：分别从阳极和阴极的导电墨水层引出柔性银导线层；
步骤5：在柔性银导线层表面印制可拉伸密封层；
步骤6：在步骤4引出的柔性银导线层末端分别印制阳极接口和阴极接口。

Claims (7)

1.一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于(1)本发明装置采用分层丝网印刷技术，在普通织物表面印制弹性薄膜层，并在弹性薄膜层表面印制具有生物电能源收集和生物电信号采集功能的阳极、阴极和柔性银导线以及信号提取电路、能量存储电路和信号输出电路。所述阳极和阴极皆由内部和外部两个区域构成，内部区域具有生物电能源收集功能，外部区域具有生物电信号采集功能，内部区域通过导电墨水与外部区域相连，外部区域经柔性银导线引出阳极接口和阴极接口，两个接口与信号提取电路相连，信号提取电路分别与能量存储电路和信号输出电路相连。(2)本发明采用生物电能源收集和生物电信号采集协同工作方法，即利用阳极发生氧化反应和阴极发生还原反应形成原电池，该原电池输出电压即反映生物电信号，通过信号提取电路，实现生物电信号的提取，再由信号输出电路对提取的原始生物电信号进行降噪、放大处理，由能量存储电路对原电池输出电压进行升压、稳压处理，实现生物电能源收集和生物电信号的采集。
2.根据权利要求1所述的一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于该装置中的阳极由内部和外部两个区域构成，所述内部区域由碳纳米管层、萘醌层、氧化反应层构成，所述外部区域由导电墨水层构成。所述氧化反应层由乳酸氧化酶形成，用于催化人体体表分泌物中的乳酸进行氧化反应，使乳酸分子失去电子形成带正电的分子团，构成原电池的阳极。所述氧化反应层经导电墨水与外部区域的导电墨水层相连，实现氧化反应层失去的电子的传导。所述阳极接口由柔性银导线与外部区域的导电墨水层连接，用于连接信号提取电路实现生物电能源与生物电信号的分离。
3.根据权利要求1所述的一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于该装置中的阴极由内部和外部两个区域构成，所述内部区域由碳纳米管层、还原反应层构成，所述外部区域由导电墨水层构成。所述还原反应层由氧化银形成，用于在人体体表分泌物环境中发生还原反应，得到所述环境中的自由电子，形成原电池的阴极。所述还原反应层经导电墨水与外部区域的导电墨水层相连，人体体表分泌物环境中的自由电子的传导。
4.根据权利要求1所述的一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于该装置中的阳极接口和阴极接口与信号提取电路相连，由信号提取电路提取生物电信号，再由信号输出电路对提取的生物电信号进行降噪、放大处理并输出，由能量存储电路对输出电压进行升压、稳压处理并存储电能。
5.根据权利要求1所述的一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于该装置中的阳极和阴极可由另一种实施方法，即阳极由内部和外部两个区域构成，内部区域具有生物电能源收集功能，外部区域具有生物电信号采集功能，内部区域通过导电墨水与外部区域相连，外部区域经柔性银导线引出阳极接口；阴极只具有生物电能源收集功能，即只具有所述权利要求1中阴极内部区域的结构，并经柔性银导线与阴极接口连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于该装置中的阳极和阴极可由另一种实施方法，即阴极由内部和外部两个区域构成，内部区域具有生物电能源收集功能，外部区域具有生物电信号采集功能，内部区域通过导电墨水与外部区域相连，外部区域经柔性银导线引出阴极接口；阳极只具有生物电能源收集功能，即只具有所述权利要求1中阳极内部区域的结构，并经柔性银导线与阳极接口连接。
7.根据权利要求1所述的一种具有生物电能源收集和生物电信号采集的方法及装置，其特征在于该方法与装置可以应用于可穿戴设备：1)可以应用该方法与装置制作具有自发电功能的柔性干电极心电胸带，该胸带可以利用人体体表分泌物中的乳酸发生氧化还原反应形成原电池实现自发电，同时检测人体心电信号与呼吸阻抗；2)可以应用该方法与装置制作具有自发电功能的柔性干电极脑电帽，可检测脑电信号同时实现自发电；3)可以用该方法与装置制作具有自发电功能的柔性干电极腕带，该腕带可以检测人体体表肌电信号和脉搏信号，同时实现自发电。
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