CN115517649A - 一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置 - Google Patents

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宋忠乾
牛利
李伟燕
陈敏祺
刘盛杰
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Abstract

本发明涉及可穿戴监测领域，且公开了一种用于人体皮肤组织弹性模量快速监测的柔性传感装置，包括参比传感器、结构传感层以及超薄电极；参比传感器由一个标准柔性压力传感器组成，包括柔性基底、叉指电极一以及结构化电极层三部分组成；结构传感层由微结构、叉指电极二和柔性聚合物薄膜组成，叉指电极二与聚苯乙烯微球连接，柔性聚合物薄膜与叉指电极二连接；超薄电极由导电金属化网络构成，该用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，首次采用柔性传感装置实现人体皮肤的弹性模量的便携化测量，无需复杂仪器设备即可检测，在皮肤老化诊断、皮肤炎症监测和医美领域具有潜在的应用价值。

Description

一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置
技术领域
本发明涉及可穿戴监测设备领域，具体为一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置。
背景技术
人体皮肤是一种杨氏模量在0.1-2MPa左右的软器官。皮肤组织病变如皮肤硬化、炎症、外力受损等均会伴随着皮肤组织模量的变化。因此，对皮肤组织弹性模量的快速准确测量具有重要意义
当前用于软体物质测量的方法包括静态压痕法和动态共形薄膜传感法两种，但都难以实现便携式或可穿戴的实时监测。当前，皮肤组织弹性模量的测试，尚未实现柔性可穿戴的便携式监测。而随着柔性传感装置在健康监测领域的飞速发展，开发能用于人体皮肤组织弹性模量便携式和可穿戴监测具有重要意义。
为此我们提出了一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，解决了上述的问题。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于人体皮肤组织弹性模量快速监测的柔性传感装置，包括参比传感器、结构传感层以及超薄电极；
参比传感器由一个标准柔性压力传感器组成，包括柔性基底、叉指电极一以及结构化电极层三部分组成；
结构传感层由微结构、叉指电极二和柔性聚合物薄膜组成，叉指电极二与聚苯乙烯微球连接，柔性聚合物薄膜与叉指电极二连接；
超薄电极由导电金属化网络构成，超薄电极设置在结构传感层下方，结构传感层设置在参比传感器下方。
优选的，所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯等聚合物薄膜，厚度为一百微米到一毫米。
优选的，所述叉指电极一材质为铬金或铜镍材质，采用磁控溅射、热蒸镀或电沉积方法制备。
优选的，结构化电极层可以为球状、金字塔状、柱状或无序分布的凹凸结构等。
优选的，所述结构传感层中的微结构为采用聚苯乙烯微球嵌入柔性聚合物薄膜表面形成的球状凸起，凸起高度为十至两百微米，聚苯乙烯微球的直径为十至五百微米。
优选的，所述结构传感层中的叉指电极一为磁控溅射法制备的铬金叉指电极。
优选的，所述超薄电极的导电金属化网络是表面镀金的电纺丝聚乙烯醇无纺布薄膜，其中镀金厚度为五十纳米，无纺布薄膜为一至五百微米厚度。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，具备以下有益效果：
1、该用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，首次采用柔性传感装置实现人体皮肤的弹性模量的便携化测量，无需复杂仪器设备即可检测，在皮肤老化诊断、皮肤炎症监测和医美领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明示意图。
图中：1、柔性基底；2、叉指电极一；3、结构化电极层；4、柔性聚合物薄膜；5、叉指电极二；6、聚苯乙烯微球；7、超薄电极；8、皮肤组织。
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。
请参阅图1，一种用于人体皮肤组织弹性模量快速监测的柔性传感装置，包括参比传感器、结构传感层以及超薄电极7；
参比传感器由一个标准柔性压力传感器组成，包括柔性基底1、叉指电极一2以及结构化电极层3三部分组成；
结构传感层由微结构、叉指电极二5和柔性聚合物薄膜4组成，叉指电极二5与聚苯乙烯微球6连接，柔性聚合物薄膜4与叉指电极二5连接；
超薄电极7由导电金属化网络构成，超薄电极7设置在结构传感层下方，结构传感层设置在参比传感器下方。
进一步的，柔性基底1为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯等聚合物薄膜，厚度为一百微米到一毫米。
进一步的，叉指电极一2材质为铬金或铜镍材质，采用磁控溅射、热蒸镀或电沉积方法制备。
进一步的，结构化电极层3可以为球状、金字塔状、柱状或无规分布的凹凸结构等。
进一步的，结构传感层中的微结构为采用聚苯乙烯微球6嵌入柔性聚合物薄膜4表面形成的球状凸起，凸起高度为十至两百微米，聚苯乙烯微球6的直径为十至五百微米。
进一步的，结构传感层中的叉指电极一2为磁控溅射法制备的铬金叉指电极。
进一步的，超薄电极7的导电金属化网络是表面镀金的电纺丝聚乙烯醇无纺布薄膜，其中镀金厚度为五十纳米，无纺布薄膜为一至五百微米厚度。
柔性传感装置的工作原理如下：
首先在皮肤表面贴附超薄电极7，具体如下：用水蒸气润湿皮肤表面，将镀金的聚乙烯醇无纺布薄膜贴附在皮肤表面，聚乙烯醇遇水溶解，在皮肤表面形成一层金膜，即为超薄电极7。
当结构传感层接触超薄电极7时，会随着压力的增加，接触面积增大，导致接触电阻变小。皮肤组织模量的大小直接影响结构传感层中聚苯乙烯球6嵌入的深度，因此，结构传感层与超薄电极7之间的接触电阻可以间接反映皮肤组织模量的大小。
由于压力不同，结构传感层与超薄电极7之间的接触电阻不同，因此采用参比传感器进行校准，可计算不同压力下结构传感层与超薄电极7之间的接触电阻的变化，计算出皮肤组织模量的大小。
示例：如图所示
柔性叉指电极制备：选择厚度为50微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜为柔性基底1，再用磁控溅射的方法，在带掩膜的柔性基底1上先后沉积5纳米铬金属和50纳米金，去除掩膜后得到线宽50微米，线长5毫米，线距50微米的10×10柔性叉指电极一2。
带有微结构的柔性聚合物薄膜4制备：首先，将浓度为5mg/mL的石墨烯乙醇溶液喷涂在聚四氟乙烯板材表面，形成一层导电石墨烯薄膜。然后，配置质量浓度为15wt％的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液，加入等量的平均直径为80微米的聚苯乙烯微球6，搅拌均匀后，采用溶液刮涂法在石墨烯薄膜表面制备柔性聚合物薄膜4，70度烘干3h，得到薄膜厚度为30微米的一面带有轻微凸起的结构化电极层3，另一面为带有较高凸起的聚苯乙烯球6。
在带有聚苯乙烯球6的聚偏氟乙烯聚合物薄膜表面制备叉指电极；用磁控溅射的方法，在带掩膜的薄膜表面先后沉积5纳米铬金属和50纳米金，去除掩膜后得到线宽1毫米，线长6毫米，线距0.5毫米的5×5柔性叉指电极二5。
超薄电极7制备：超薄电极7为一种导电金属化网络，首先采用静电纺丝法制备厚度为10微米的聚乙烯醇无纺布薄膜，采用磁控溅射法在其表面镀金50纳米，得到导电无纺布。采用水雾润湿皮肤表面，将导电无纺布贴至皮肤表面，聚乙烯醇溶解后，在皮肤表面形成一层超薄的金薄膜电极，即为超薄电极7。
柔性传感装置组装：将上述柔性叉指电极二5、带有微结构的柔性聚合物薄膜4和叉指电极一2等层层组装，周边采用环氧树脂胶水封装，得到柔性传感装置。
将柔性传感装置放置在待检测的皮肤表面，与超薄电极7接触，在不同压力下聚苯乙烯微球6嵌入至皮肤，收集铬金叉指电极二5的电阻或电容信号。多次改变施加在柔性基底1上的压力，收集铬金叉指电极5的电阻或电容信号，推算出皮肤组织的弹性模量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于人体皮肤组织弹性模量快速监测的柔性传感装置，其特征在于，包括参比传感器、结构传感层以及超薄电极(7)；
参比传感器由一个标准柔性压力传感器组成，包括柔性基底(1)、叉指电极一(2)以及结构化电极层(3)三部分组成；
结构传感层由微结构、叉指电极二(5)和柔性聚合物薄膜(4)组成，叉指电极二(5)与聚苯乙烯微球(6)连接，柔性聚合物薄膜(4)与叉指电极二(5)连接；
超薄电极(7)由导电金属化网络构成，超薄电极(7)设置在结构传感层下方，结构传感层设置在参比传感器下方。
2.根据权利要求1所述的一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，其特征在于：所述柔性基底(1)为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或者聚苯乙烯其中聚合物薄膜的任意一种，厚度为一百微米到一毫米。
3.根据权利要求1所述的一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，其特征在于：所述叉指电极一(2)材质为铬金或铜镍材质，采用磁控溅射、热蒸镀或电沉积方法制备。
4.根据权利要求1所述的一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，其特征在于：所述结构化电极层(3)为球状、金字塔状、柱状或无序分布的凹凸结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，其特征在于：所述微结构为采用聚苯乙烯微球(6)嵌入柔性聚合物薄膜(4)表面形成的球状凸起，凸起高度为十至两百微米，聚苯乙烯微球(6)的直径为十至五百微米。
6.根据权利要求1所述的一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，其特征在于：所述结构传感层中的叉指电极一(2)为磁控溅射法制备的铬金叉指电极。
7.根据权利要求1所述的一种用于皮肤组织弹性模量快速测量的柔性传感装置，其特征在于：所述超薄电极(7)的导电金属化网络是表面镀金的电纺丝聚乙烯醇无纺布薄膜，其中镀金厚度为五十纳米，无纺布薄膜为一至五百微米厚度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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