CN208693290U - 一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，该多通道凸形表面肌电极结构上主要包括阵列式分布的测量电极和植入在电极正下方使测量电极突起的圆柱形垫片以及网状结构分布的衬底、互联导线和封装层。本实用新型设计的电极结构具有很好的柔性、可延展性，能够适应并完美贴合在复杂曲面的皮肤表面。尤其是电极处采用凸起结构设计，测试时感知电极由于比周围封装层高从而更易与人体皮肤紧密接触，能有效的提高肌电信号的测试稳定性和质量。该多通道凸形表面肌电极轻便可穿戴、可重复使用，且在无需医用导电凝胶的情况下能够长期舒适地、非侵害式地测量足够空间分辨率和足够精度的肌电信号。

Description

一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极

技术领域

本实用新型涉及一种阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，属于生物表面肌电信号采集和生物医用器件制造、可穿戴、可延展柔性电子器件和移动医疗器械领域。

背景技术

表面肌电信号是人体肌肉活动过程中产生的微弱信号，包含着大量与人体生理健康相关的信息，在肌肉活动的局部疲劳程度和肌力水平评估，肌肉劳损部位精准定位以及肌肉康复治疗等肌肉医学诊断领域、手语手势识别，移动物联网等人机交互领域都发挥着关键的作用。当前表面肌电信号的采集都集中于利用传统导电凝胶的刚性电极进行测试，虽然短期内能够获取到稳定的高质量的肌电信号，但是受限于电极大的尺寸和导电凝胶长时间使用过程中电学性能显著下降等因素的影响，同时刚性的电极直接与柔软的皮肤接触也给患者带来不舒适感的缺点。因此，高密度多通道，可长时间在线测量的表面肌电极成为亟待解决的问题。

随着微纳加工方法和基于柔性印刷电路板技术的发展，柔性的、具备高空间密度的表面肌电极获得了广泛的关注和大量的研究。在某种程度上改善了之前电极空间分辨率不高、不轻便的问题，但是柔性的表面肌电极不具备可延展或可拉伸性能，整个柔性的电极器件不能与复杂曲面的皮肤完美的贴合测试，造成测量的肌电信号质量差，稳定性不好。在使用时，常常需要导电凝胶的辅助才能获取质量和稳定性好的肌电信号，但依然无法实现长期有效、且舒适地测量肌电信号。

近几年，可延展柔性电子技术和移动物联网技术的发展，给当前生物医学器件带来了重大的突破。一大批可穿戴式、可长期在线测量人体重要生理指标的移动医疗器械被设计和制备出来。这类穿戴设备较传统器件展现了诸多优点，主要体现在器件结构上非常柔软、厚度薄重量轻，与人体亲和力好且能适应皮肤复杂变形；重要的是，器件性能上提高了测量精度和测试舒适感等并能实现长期在线测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，主要针对现有柔性表面肌电极器件制备上凹形结构(通常电极表面略低于封装层表面)和器件结构上不具备可拉伸性能，与生物组织或皮肤亲和力差的不足，本实用新型可解决的问题包括但不限于：(1)凸形电极设计，本实用新型设计和制备的电极由于在电极正下方增加了圆柱形垫片，测量电极明显高于周围封装层材料，能有效增加测量过程中电极与皮肤接触性能，提高测量信号的稳定性和质量；(2)可拉伸性能，当前柔性的多通道表面肌电极基本都不具有可延展性，而人体皮肤在人正常活动过程中，往往会产生复杂的变形，导致电极在与生物组织或皮肤接触测量时，会约束皮肤的变形，造成不适感，同时也影响测量电极与皮肤的接触质量；(3)可穿戴、移动式测量的能力，本实用新型设计和制备的表面肌电极质量轻，结构柔软可拉伸，测试过程舒适且无需导电凝胶，因此可用于长期、在线监测人体表面肌电信号。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，它包括N个电极、互联导线、衬底、封装层、N个圆柱形垫片、引线接口；所述的衬底有上下两层，N个圆柱形垫片呈阵列式夹置于该上下两层衬底中，N个电极与N个圆柱形垫片相对应，电极位于衬底上并设于圆柱形垫片正上方，引线接口包括N个引线端，各电极分别通过互联导线连接至引线接口的一个引线端，封装层设置于表面肌电极最上方，且仅使各电极及引线接口裸露，各电极表面高于封装层表面，所述的互联导线、衬底、封装层均采用网状结构，衬底及封装层采用柔性材料。

上述技术方案中，所述的电极采用生物兼容的导电材料，包括金、银、氯化银或石墨烯。

所述的衬底及封装层采用聚合物材料，包括聚酰亚胺薄膜、PET或PDMS。

所述的圆柱形垫片采用聚酰亚胺、SU-8或PDMS。

该表面肌电极还可以包括设置于整个器件背面的生物兼容薄膜，所述的生物兼容薄膜采用医用半透薄膜、生物医用胶布、PDMS或Ecoflex。

所述的圆柱形垫片的厚度大于衬底中的上层厚度。

所述的网状结构是指整体呈网状，各局部均呈蛇形或S形、格珊结构或自相似结构。

上述的阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极采用微纳加工方法或半导体工艺结合的可延展柔性电子技术制备获得。

将圆柱形垫片阵列式分布包裹在上下两层衬底中间，使圆柱形垫片处形成凸出结构，在上述做好的衬底结构上沉积、光刻，刻蚀出N个电极、网状的互联导线、引线接口，并使各电极正好处在一个圆柱形垫片的正上方位置上。最后沉积一层封装材料，并采用微加工的方法刻蚀出相应的网状图形，仅使电极和引线接口裸露，制备好的器件中电极处的高度要明显高于周围封装层。

相比当前传统肌电极和柔性表面肌电极，本实用新型具有以下几个突出的优点和效果：

①相对于传统肌电极的凹形结构设计，本实用新型设计和制备的阵列式表面肌电极由于在电极正下方植入了较厚的圆柱形垫片，使电极具有类似突起的半球形三维几何结构，最终使电极高于周围的封装材料，从而使电极在使用过程中更加容易与测试皮肤接触到，能有效增加信号采集质量和稳定性。

②本实用新型设计和制备的阵列式表面肌电极可在无需导电凝胶的情况下采集到与传统湿电极信号质量相当的肌电信号，能实现长期高质量的表面肌电信号测量。

③本实用新型设计和制备的阵列式表面肌电极整体结构采用网状结构设计，可实现器件柔性可拉伸，器件质量轻厚度薄，能够有效改善器件与皮肤之间的亲和力，在使用过程中能适应皮肤的变形，提高测试舒适感，可长期穿戴式使用。

④本实用新型设计和制备的阵列式表面肌电极制备方法与传统微加工方法或半导体工艺兼容，器件加工精度精细，易于高密度电极整列、低价大批量生产。

附图说明

图1为本实用新型柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极从下到上各层(a-e)分层结构示意图及断面示意图(f)；

图2为本实用新型实施例的柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极结构示意图和细节处截面图；

图3为本实用新型实施例的柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极制备流程图；

图中：1-电极；2-互联导线；3-衬底；4-封装层；5-圆柱形垫片；6-引线接口。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施举例进一步说明。

本实用新型的柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，包括N个电极1、互联导线2、衬底3、封装层4、N个圆柱形垫片5、引线接口6；所述的衬底3有上下两层，N个圆柱形垫片5呈阵列式夹置于该上下两层衬底中，N个电极1与N个圆柱形垫片5相对应，电极1位于衬底上并设于圆柱形垫片正上方，引线接口6包括N个引线端，各电极分别通过互联导线连接至引线接口6的一个引线端，封装层4设置于表面肌电极最上方，且仅使各电极及引线接口裸露，各电极表面高于封装层表面，所述的互联导线、衬底、封装层均采用网状结构，衬底及封装层采用柔性材料。

所述的网状结构是指整体呈网状，各局部均呈蛇形或S形、格珊结构或自相似结构。

下面结合实例说明：

如图1所示，为本实例阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电电极从下到上各层分层结构，主要包括9个电极1、蛇形网状的互联导线2、引线接口6；蛇形网状的衬底3、阵列式分布的圆柱形垫片5、蛇形网状的封装层4。

9个电极1的排列方式为：左侧阵列式排列着5个电极1，从上到下依次编号为1到5；右侧阵列式排列着4个电极1，从上到下依次编号为6到9。下侧引线接口6从左到右依次编号为1到9，测量电极按编号1到9分别和引线接口6的序号1到9利用蛇形网状的互联导线2对应相连。电极1直径为4.5mm，同一列相邻电极1的间距为10mm，两列电极1的间距为10mm。

在电极的正下方，由两层蛇形网状柔性可拉伸衬底3包裹着尺寸略微小于电极尺寸的圆柱形垫片5，用于抬高电极1的高度，便于测量时电极更容易与皮肤接触，提高测量信号的质量。圆柱形垫片的直径为3mm，高度为200微米。在除电极1表面和引线接口6外，全部覆盖有网状蛇形柔性可拉伸封装层4用于绝缘蛇形网状柔性可拉伸互联导线2与皮肤的接触。

如图2所示，为本实用新型阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电电极结构示意图和细节截面图。器件整体结构包括互联导线、衬底和封装层都设计成蛇形网状，可以使器件具备很好的柔软性和可延展性能，能适应复杂不规则曲面形状，包括人体生物组织和皮肤。在电极1处，植入的圆柱形垫片不仅能抬高电极的高度，还能扮演减少电极材料内应变的岛结构，能进一步提高结构的延展性能和使用稳定性。在使用过程中，可按需要使用生物兼容薄膜和导电凝胶粘贴或涂抹在电极表面，用于提高器件与皮肤的良好接触能力。

蛇形网状柔性可拉伸衬底3和蛇形网状柔性可拉伸封装层4采用的材料均为聚酰亚胺或PET，厚度为10微米或者25微米或者50微米。

电极1、蛇形网状柔性可拉伸互连导线和引线接口5的材料为铬/金复合，铬、金厚度分别为10nm和200nm。

圆柱形垫片的材料为SU-8或PDMS或聚酰亚胺，直径为3mm，厚度为200微米。

生物兼容薄膜的材料为3M胶布或医用泡沫胶，可贴在器件反面，增加器件与皮肤之间的粘合力。

如图3所示，该阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极的一种制备方法，包括以下步骤：

1)设计并制作用于制备图形化的蛇形网状柔性可拉伸衬底、蛇形网状柔性可拉伸互连导线、电极和引线接口、蛇形网状柔性可拉伸封装层、圆柱形垫片的掩膜版；

2)在玻璃上贴合一层或旋涂一层柔性聚酰亚胺薄膜作为衬底材料；

3)在聚酰亚胺薄膜衬底上旋涂一层SU-8薄膜并利用掩膜版光刻，显影图形化出10个圆柱形垫片；对应9个电极只需9个相应的圆柱形垫片即可，多余的一个圆柱形垫片起维持结构对称性，保持结构稳定性的作用。此外，相对较刚性的圆柱形垫片也能有效消除电极处的应变，提高器件的延展性能。

4)在制备好的样品上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，可以观察到在SU-8部分处，聚酰亚胺薄膜有明显的突出。；

5)在聚酰亚胺薄膜上依次溅射沉积金属铬、金薄膜并利用微加工方法光刻、刻蚀出9个电极、蛇形网状柔性可拉升互联导线和引线接口；

6)在图形化的功能层上旋涂聚酰亚胺封装层，并利用掩膜版光刻、刻蚀出蛇形网状柔性可拉伸衬底、蛇形网状柔性可拉伸封装层，并选择性移除9个电极处和引线接口处的封装层材料；所述的蛇形网状柔性可拉伸衬底和蛇形网状柔性可拉伸封装层可以采用相同的结构设计，封装层覆盖住整个蛇形网状柔性可拉伸互联导线，只是在电极和引线接口处裸露，用于信号测量和引线，蛇形网状柔性可拉伸封装层的宽度要稍微比蛇形网状柔性可拉伸互联导线宽一些，从而将互联导线包裹住；

7)将制备好的器件从玻璃上释放下来并在预留的引线接口处连接上软的排线方便数据采集；

8)将器件直接贴合到皮肤上或者通过生物兼容薄膜贴合到皮肤上进行肌电信号采集，完成阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极的制备。

本实用新型设计的电极结构具有很好的柔性、可延展性，能够适应并完美贴合在复杂曲面的皮肤表面。尤其是电极处采用凸起结构设计，测试时感知电极由于比周围封装层高从而更易与人体皮肤紧密接触，能有效的提高肌电信号的测试稳定性和质量。本实用新型的多通道凸形表面肌电极制备所用材料均为生物兼容性好的材料，包括金、聚酰亚胺、PET等，且制备过程中所用的可延展柔性电子技术能和传统微纳加工方法或半导体技术兼容并能有效结合，为测量电极的通道数扩展到更多通道、高密度情况提供了简单有效的途径。该多通道凸形表面肌电极轻便可穿戴、可重复使用，且在无需医用导电凝胶的情况下能够长期舒适地、非侵害式地测量足够空间分辨率和足够精度的肌电信号。在未来肌电信号穿戴式、实时在线监测、实时人机交互，移动医疗设备和物联网等领域有重要应用价值。

Claims (5)

1.一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，其特征在于，它包括N个电极(1)、互联导线(2)、衬底(3)、封装层(4)、N个圆柱形垫片(5)、引线接口(6)；所述的衬底(3)有上下两层，N个圆柱形垫片(5)呈阵列式夹置于该上下两层衬底中，N个电极(1)与N个圆柱形垫片(5)相对应，电极(1)位于衬底上并设于圆柱形垫片正上方，引线接口(6)包括N个引线端，各电极分别通过互联导线连接至引线接口(6)的一个引线端，封装层(4)设置于表面肌电极最上方，各电极及引线接口裸露，各电极表面高于封装层表面，所述的互联导线、衬底、封装层均为网状结构，衬底及封装层为柔性材料。

2.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，其特征在于，所述的圆柱形垫片(5)为聚酰亚胺、SU-8或PDMS。

3.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，其特征在于，该表面肌电极还包括设置于整个器件背面的生物兼容薄膜(7)，所述的生物兼容薄膜采用医用半透薄膜、生物医用胶布、PDMS或Ecoflex。

4.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，其特征在于，所述的圆柱形垫片(5)的厚度大于衬底(3)中的上层厚度。

5.如权利要求1所述的一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，其特征在于，所述的网状结构是指整体呈网状，各局部均呈蛇形、S形、格珊结构或自相似结构。