CN219578893U - 基于激光诱导石墨烯的表皮传感器及人体电信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于激光诱导石墨烯的表皮传感器及人体电信号采集系统。该系统包括均匀附着于PI材质衬底表面的表皮传感器，及与之电连接的生物电信号处理电路。本申请通过激光诱导石墨烯材质实现表皮传感器，能够完全贴合于人体皮肤表面实现柔性传感，并压缩生物电信号监测系统的整体体积。激光诱导石墨烯材质的表皮传感器能够方便地通过对石墨烯传感贴片结构的设计而实现对多种生物电信号的传感，通过同一系统同时检测多项生理数据。本申请能够在实现生理电信号监测的基本功能的前提下，减少硬件器件成本，通过轻量化电子元件实现实时检测，方便穿戴。

Description

基于激光诱导石墨烯的表皮传感器及人体电信号采集系统

技术领域

本申请涉及生理电信号监测技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导石墨烯表皮传感器的人体电信号采集系统。

背景技术

生理信号的采集与监控需要使用各种传感器，这些传感器通常属于医用传感器。医用传感器是应用于生物医学领域的传感器，是一种将人体产生的生理信号转换成具有一定数学表达的转换装置。这些传感器收集的信息是人体的生理信息，它们的输出通常用电信号表示。依据不同的操作原理，医用传感器被划分为化学传感器、生物传感器、物理传感器和生物电极传感器。

医院的传统监视器是通过使用包括心电图(ECG)、血压、血液中氧饱和度、呼吸、体温、呼末二氧化碳分压、心输出量、脉率等各种传感器技术连续监测患者的生命体征。根据临床需求，不同种类的监视器分别设置了重点，但监视器的基本结构主要由传感器、模拟信号处理器、数字信号处理器、通信显示交互、记录打印报告、报警提示等部分构成。

传统的生理信号监视器体积大、价格高，需要连接专业设备才能实现监测功能，穿戴不便捷，且对使用者的专业要求高，不能满足消费者对自身状况日常监测的需求。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的不足，本申请的目的在于提供一种基于激光诱导石墨烯(LIG)的表皮传感器及人体电信号采集系统，其通过LIG作为表皮电极传感器，可压缩整体采集系统体积，方便集成多种生物传感器，同时检测若干生理数据以有效降低检测成本。

为实现上述目的，本申请提供基于激光诱导石墨烯的表皮传感器，其包括：医用无敏透气胶布；PI材质衬底，其一侧附着于医用无敏透气胶布的粘性表面上；石墨烯传感贴片，其附着于PI材质衬底的另一侧表面，由医用无敏透气胶布贴合并附着于人体皮肤表面；导线，其与石墨烯传感贴片电连接，接受并传输生物电信号。

可选的，如上任一所述的基于激光诱导石墨烯的表皮传感器，其中，所述PI材质衬底的一侧边缘向外引出形成矩形引出端子，石墨烯传感贴片延伸至矩形引出端子表面形成连接脚；所述导线由导电胶带附着于石墨烯传感贴片的连接脚上，所述导线固定在导电胶带与衬底之间，保持导线与石墨烯传感贴片稳定电连接。

可选的，如上任一所述的基于激光诱导石墨烯的表皮传感器，其中，还包括：医用胶带，其附着于导电胶带上，将导电胶带、导线及衬底的矩形引出端子固定于医用无敏透气胶布的粘性表面；石墨烯传感贴片的连接脚由医用胶带覆盖，石墨烯传感贴片的其他部分保持裸露。

同时，本申请还提供一种人体电信号采集系统，其包括：表皮传感器，其包括附着于医用无敏透气胶布黏性表面的石墨烯传感贴片，所述石墨烯传感贴片由医用无敏透气胶布贴合并附着于人体皮肤表面，采集生物电信号；生物电信号处理电路，其与表皮传感器电连接，接收并转换处理人体皮肤表面的生物电信号，将生物电信号转换为交互信号进行显示。

可选的，如上任一所述的人体电信号采集系统，其中，所述石墨烯传感贴片附着于PI材质衬底的一侧表面，所述衬底的另一侧表面黏附于医用无敏透气胶布上；表皮传感器与生物电信号处理电路之间连接有导线，导线的一端连接石墨烯传感贴片，导线的另一端连接生物电信号处理电路的信号接口，提供电连接。

可选的，如上任一所述的人体电信号采集系统，其中，所述PI材质的衬底为一侧设有矩形引出端子的圆形薄片；石墨烯传感贴片均匀附着于衬底表面，由圆形薄片的一侧表面沿矩形引出端子向外延伸形成连接脚；

可选的，如上任一所述的人体电信号采集系统，其中，所述表皮传感器还包括：导电胶带，其附着于石墨烯传感贴片的连接脚上，将导线固定在导电胶带与衬底之间，保持导线与石墨烯传感贴片稳定电连接；医用胶带，其附着于导电胶带上，将导电胶带、导线及衬底固定于医用无敏透气胶布中，并裸露石墨烯传感贴片的圆形部分。

可选的，如上任一所述的人体电信号采集系统，其中，所述石墨烯传感贴片由PI材质衬底表面激光雕刻转化获得，石墨烯传感贴片完全贴合于PI材质衬底表面。

可选的，如上任一所述的基于激光诱导石墨烯的人体电信号采集系统，其中，所述生物电信号处理电路包括：信号调理电路，其与表皮传感器电连接，接收石墨烯传感贴片所采集获得的生物电信号，对生物电信号进行滤波、放大，输出样本信号；微控制器，其连接信号调理电路，接收滤波、放大所得样本信号，将样本信号转化为数据信号；交互模块，其连接微控制器，接收微控制器所输出的数据信号，根据数据信号相应触发显示生物电信号波形和/或相应数据。

可选的，如上任一所述的基于激光诱导石墨烯的人体电信号采集系统，其中，所述交互模块包括：蓝牙模块和/或显示屏；所述蓝牙模块接收微控制器所输出的数据信号并向蓝牙配对设备转发，触发蓝牙配对设备显示生物电信号波形和/或相应数据；所述显示屏直接接收微控制器所输出的数据信号，显示生物电信号波形和/或相应数据。

可选的，如上任一所述的基于LIG的人体电信号采集系统，其中，生物电信号处理电路由电池供电，所述电池集成在人体电信号采集系统中。

可选的，如上任一所述的基于LIG的人体电信号采集系统，其中，所述生物电信号处理电路设置在圆形封闭外壳中，所述表皮传感器设置在圆形封闭外壳外。

可选的，如上任一所述的基于激光诱导石墨烯的人体电信号采集系统，其特征在于，所述信号调理电路(2)由芯森微电子的KS108X以及KS109X系列芯片及其外部电路构成，微控制器(3)为Seeed公司的XIAO RP2040芯片，蓝牙模块(4)由大夏龙雀公司的DX-BT24-T低功耗蓝牙芯片及其外部电路构成，显示屏(7)为嵌入圆形封闭外壳中的OLED屏幕，电池(5)为401030的锂聚合物电池。

本申请和现有方案相比具有如下技术效果:

本申请所提供的基于LIG的人体电信号采集系统，其通过均匀附着于PI材质衬底表面的表皮传感器采集生物电信号，通过与表皮传感器电连接的生物电信号处理电路实现对生物电信号的调理与显示。本申请的生物电信号处理电路自身可设置蓝牙模块或显示屏作为交互模块，通过蓝牙配对设备或显示屏自身实现对生物电信号波形和/或相应数据的交互与显示。本申请通过LIG材质实现表皮传感器，能够完全贴合于人体皮肤表面实现柔性传感，并压缩生物电信号监测系统的整体体积。LIG材质的表皮传感器能够方便地通过对LIG传感贴片结构的设计而实现对多种生物电信号的传感，通过同一系统同时检测多项生理数据。本申请能够在实现该生理电信号监测的基本功能的前提下，减少硬件器件成本，通过轻量化电子元件实现实时检测，方便穿戴。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1为根据本申请的人体电信号采集系统的工作方式示意图；

图2是本申请系统中蓝牙模块的电路原理图；

图3是本申请系统中电源模块的原理图；

图4是本申请系统中信号调理电路的原理图；

图5是本申请系统中表皮传感器的爆炸图；

图6是本申请系统中电路模块的3D模型；

图7是不同扫描速率下激光加工所获得的LIG电极结构的电阻状况；

图8是将LIG电极结构弯折至不同角度时LIG电极结构的电阻状况。

图中，1表示表皮传感器；11表示医用无敏透气胶布；12表示衬底；13表示导线；14表示导电胶带；15表示医用胶带；2表示信号调理电路；3表示微控制器；4表示蓝牙模块；5表示电池；6表示电源模块；7表示显示屏。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对外壳本身而言，由外壳表面指向内部为控制器的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者佩戴本申请的人体电信号采集系统时，由人体指向装置外表面的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请所提供的基于LIG的人体电信号采集系统，其包括：

表皮传感器1，其包括附着于医用无敏透气胶布11黏性表面的LIG传感贴片，所述LIG传感贴片由医用无敏透气胶布11贴合并附着于人体皮肤表面，采集生物电信号；

生物电信号处理电路，其通过导线13与表皮传感器1电连接，接收生物电信号，将生物电信号转换为交互信号进行显示。由于本申请在生物电信号处理电路中直接集成有信号调理电路2、微控制器3、由蓝牙模块4和/或显示屏7构成的交互模块，以及电池5和相应的电源模块6，因此，本申请能够直接通过一个微控制器(MCU)结合自主设计的电路板完成信号调理、电源管理、蓝牙通讯以及其他扩展电路的功能，通过各种类型的表皮传感器1采集多种生理电信号，并保持信号的高精度、高保真，同时限制整套设备耗电量，实现对人体生理电信号的实时采集的交互显示。

本申请可通过蓝牙模块将上述系统与智能手机等移动设备实现配对，通过手机APP对采集到的点电信号进行实时可视化监测，甚至响应于肌电信号通过蓝牙模块对机械手进行控制，通过嵌入式机器学习将训练好的模型部署到系统中，对动作进行分类推理，实现各种不同交互功能。

具体参照图5所示，本申请所采用的LIG传感贴片通过激光直写技术(DLW)直接附着于PI材质衬底12的一侧表面，所述衬底12的另一侧表面黏附于医用无敏透气胶布11上，通过医用无敏透气胶布11将PI材质衬底12激光诱导转化生成的石墨烯(LIG)表皮电极传感器附着于人体皮肤表面实现对生物电信号的采集。

本申请的表皮传感器1与生物电信号处理电路之间由导线13直接提供物理电连接。导线13的一端连接LIG传感贴片，导线13的另一端连接生物电信号处理电路的信号接口。生物电信号处理电路由信号调理电路2、微控制器3、交互模块，以及电池5和相应的电源模块6组装形成一个功能强大、低能耗的三合一数据采集小型系统。其微控制器(MCU)和两个信号调理芯片具有高吞吐量和低能耗的特性，能够通过蓝牙低功耗(BLE 5.1)收发器(见图2)实现无线数据传输。由于数据采集(DAQ)和数据传输模块的低能耗，本申请直接在系统中集成小容量(130mAh)可充电锂(Li-Po)离子电池即可保证4小时连续运行。由此，本申请还能够进一步压缩传感器系统尺寸大小，通过轻重量的优势提高佩戴、使用的舒适程度。

本申请可通过图6所示通过成熟的光固化3D打印技术生成的圆形封闭保护外壳实现对上述生物电信号处理电路中电子器件的装配和保护。表皮传感器1可设置在圆形封闭外壳外，通过导线13连接圆形封闭外壳中的电路系统。

具体参照图5所示，本申请中，PI材质的衬底12可设置为圆形薄片结构，其一侧设有矩形的引出端子。聚酰亚胺(PI)薄膜(厚50μm)通过二氧化碳(CO2)激光雕刻机(10.6μm波长、200μm光束尺寸、50W最大功率和500mm/s最大扫描速度)照射可直接将表面PI材质转化为LIG材质。由此，本申请可根据所需检测的人体电信号而设计不同图案结构的石墨烯传感贴片团，通过控制激光功率和扫描速度以优化LIG的电导率，获得针对不同生物电信号的传感探测头。一般，仅考虑电阻时，优选采用12W功率和65mm/s速度的二氧化碳(CO2)转化制备LIG材质。转化获得的图案化的LIG表皮电极传感器可直接由20W功率和65mm/s速度的激光束从PI材质的衬底12上切割下来，附着在医用无敏透气胶布11中实现固定。

激光转化获得的LIG传感贴片均匀附着且完全贴合于衬底12表面，其具体结构可设置为由圆形薄片的一侧表面沿矩形引出端子向外延伸形成连接脚以通过该连接脚连接导线。激光转化获得的石墨烯传感贴片可通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄确认其表面结构，还可通过LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪使用532nm激光收集拉曼光谱。其薄层电阻阻值可由HPS 2524四点探针仪测量，或由VICTOR 4092A LCR表测量其电阻。

为确保电连接稳定，避免导线接头摩擦皮肤引起不适或影响电信号采样效果，本申请的表皮传感器1还可进一步设置包括图5所示的如下结构：

导电胶带14，其附着于LIG传感贴片的连接脚上，将导线13固定在导电胶带14与衬底12之间，保持导线13与LIG传感贴片稳定电连接；

医用胶带15，其附着于导电胶带14上，将导电胶带14、导线13及衬底12固定于医用无敏透气胶布11中，并裸露石墨烯传感贴片的圆形部分。

上述表皮传感器1具体可通过如下方式制备获得：以CO2激光在PI衬底上扫描雕刻，使PI材料碳化形成相应图形的LIG。调大CO2激光功率沿LIG图形边缘切割形成独立的LIG传感贴片。用双面导电铜胶作为导电胶带14，将其一端粘连LIG另一端用锡丝焊接导线。最后将医用无敏透气胶布裁剪成合适大小的圆形贴片结构，将LIG背面PI材质的衬底12贴在医用无敏透气胶布上，通过医用无敏透气胶布将石墨烯传感贴片贴附至皮肤表面进行生物电信号测量。测量中，为确保LIG探头结构能够更好的贴合皮肤，可进一步将裸露的铜胶结构贴上医用无敏透气胶布，防止其与皮肤接触，以确保信号采集质量，减少铜胶摩擦皮肤产生干扰信号。整个传感器共分为图5所示的5层，实际穿戴状态下，各层结构由从上到下依次是：医用无敏透气胶布11、铜箔导电胶带、导线、和直接接触人体皮肤表面的LIG材料以及医用胶带15。

为确保表皮传感器的高导电性以便电生理信号采集本申请还采用传统的四探针技术来测量验证LIG薄层电阻是否符合采样要求。验证发现LIG结构的电阻是由激光参数决定的。参照图7所示，在10.5-12.5W范围内，随着激光功率的增加，薄层电阻先减小后增加。这是因为足够的激光能量可以改善PI的石墨化，但过多的激光能量会引起烧蚀。激光速度的影响在50-70mm/s范围内也显示出相同的趋势。据报道，散焦可以提高源自某些原材料的LIG的电导率，例如聚醚酰亚胺(PEI)，但在我们的实验中不适用于PI。本申请优选在12W功率、65mm/s速度和聚焦的激光参数下，获得最低的薄层电阻(9.50Ω/□)，略低于报道的(10.96Ω/□)。此外，LIG的高导电性可以在图8弯曲测试期间保持。使用更高功率(20W)激光束从阵列上切断的LIG表皮传感器弯曲为0-90°。传感器的电阻随弯曲角度的变化可以忽略不计。因此，即使使用过程中，皮肤上的传感器由用户运动引起变形，也不会像传统金属电极一样直接失效，而是会借助于PI衬底的韧性在弯曲状态下始终保持对生物电信号的采集测了。这一优点能够极高地提高本申请系统对生物电信号测量的鲁棒性，克服了使用场景中传感贴片器件变形对测量精度的限制。

本申请系统所采用的生物电信号处理电路包括图1至图4所示的：

信号调理电路2，如图4所示，其与表皮传感器1电连接，接收石墨烯传感贴片所采集获得的生物电信号，对生物电信号进行滤波、放大，输出样本信号；

微控制器3，其连接信号调理电路2，接收滤波、放大所得样本信号，将样本信号转化为数据信号；

交互模块，其连接微控制器3，接收微控制器3所输出的数据信号，根据数据信号相应触发显示生物电信号波形和/或相应数据。其中，所述交互模块可任选包括：蓝牙模块4和/或显示屏7。蓝牙模块4能够用于接收微控制器3所输出的数据信号并向蓝牙配对设备转发，触发蓝牙配对设备显示生物电信号波形和/或相应数据；显示屏7能够直接设置在保护外壳上，通过接收微控制器3所输出的数据信号，而相应显示生物电信号波形和/或相应数据。

该生物电信号处理电路可直接由集成在外壳内的电池5供电，所述电池5可选用小型锂电池以在人体电信号采集系统中提供更多电能。

舒适性是评判一个可穿戴电子设备的重要指标。为了提高用户的舒适度，在保持必要功能的同时，应将传感系统的重量和尺寸保持在最低水平。针对此，本申请可将三个电生理信号(生物电)的原始数据分别由3个LIG皮上电极传感器收集，其配置为三导联(P为正导联，N为负导联，R为参考导联)。然后采用两个信号调节芯片KS1081和KS1091(KINGSENSE)构建信号调理电路来处理原始数据。KS1081和KS1091(KINGSENSE)这两个芯片具有高精度、高保真、高抗干扰性能和低能耗的特点。心电、肌肉电的毫伏(mV)级信号和脑电的微伏(μV)级信号分别被分配到KS1081和KS1091调理后，由于调理信号所得信号依旧是模拟值，因此需采用内置与微控制器MCU(XIAO RP2040，Seeed Studio)中的12位模数转换器(ADC)将其转换为数字信号以方便进行后续信号处理、识别和显示。至止，数据采集单元(DAQ)单元已经完成。

数据传输和电源模块也是感知系统的必要条件。本申请中微控制器所得数字信号可直接显示在屏幕上(0.49”OLED,ZHONGJINGYUAN)，也可使用高吞吐量且低能耗的BLE 5.1(DX-BT24-T,DX-Smart)模块与安卓手机进行无线通信传输，通过移动应用程序实时显示BLE 5.1传输的生理电信号，并在0.49英寸OLED屏幕作之外，利用智能设备的运算能力和信号处理技术，基于生理电信号通过机器学习信号分类全过程，将不同运动状态下的肌电信号，通过BP神经网络将训练好的模型部署在微控制器上，以准确的判断出空闲/挤压握力器/举哑铃三种状态。

上述生物电信号处理电路中具体器件可通过如下方式选型：

选择Seeed公司生产的XIAO RP2040作为微控制器。其尺寸仅有拇指般大小(20×17.5mm)。同时，树莓派公司生产的RP2040相较于传统单片机的ATmega328系列芯片更为强大，不仅可以灵活运行高达133MHz频率的时钟，还保证了低功耗。XIAO RP2040板载了264KB的SRAM和2MB的板载内存，完全保证了整套传感系统对数据采集、传输、分析时对资源占用和性能的要求。此外，微控制器XIAO RP2040还具有十分丰富的接口功能，其包括14个GPIO引脚，其中有11个数字引脚、4个模拟引脚、11个PWM引脚、1个I2C接口、1个UART接口、1个SPI接口。并且，该微控制器价格低廉，仅需5.4美元。

蓝牙作为一种常见的短距离无线通讯方式，本申请可利用其功耗低、成本低、安全性高的特性进行人机设备交互。本申请中所采用的低功耗蓝牙(BLE)相较于传统蓝牙，能够在相同的通讯范围内，实现更低的功耗，并向下兼容传统蓝牙。本申请中可选择大夏龙雀公司生产的DX-BT24-T低功耗蓝牙(BLE5.1)模块通过图2所示电路实现蓝牙传输。其采用DIALOG14531芯片方案，工作频率为2.4GHz，支持协议BLE5.1，通过UART串口接受和发送微控制器的命令。更值得一提的是，该蓝牙模块是目前市面上最小可售模块之一，体积仅有8.3×7.6×2mm。在具备如此小体积的同时，兼具优秀的性能表现：其在室内有效通讯范围5米，室外空旷地区可达80米；超过10K数据量高速且稳定的透传；微安级别低功耗，低功耗模式19uA、工作模式270uA、透传数据时341uA。

本申请所采用的有机发光二极管(Oled，Organic Light Emitting Diode)技术具有对比度高、厚度薄、快速响应、制造简单等有点。其相对于传统的LCD技术，其最大的优点在于无需背光、显示效果好。本申请可选择中景园电子所生产的0.49英寸Oled屏幕，标准电压为3.3V，分辨率为64x32，通信协议支持IIC，控制芯片为SSD1306，尺寸大小为14.5×11.5×1.2mm，能够满足监测设备最小尺寸设计要求。在无法连接蓝牙设备时，该屏幕可以较低功耗用作本地设备显示。

为了尽可能缩小设备体积，本套方案选择型号为401030的锂聚合物(li-po)电池。相比于传统的锰锌电池或纽扣电池，该种电池具有能量密度高、循环寿命长、安全性高、价格低廉、环境友好无污染的优势。型号为401030的锂聚合物(li-po)电池的具体参数如下：电池容量为130mAh，额定电压为3.7V，体积尺寸为30×10×4mm。其可通过正负极引线焊接在PCB上，同时用热熔胶实现固定。

图4所示信号调理电路的主要作用就是将采集到的微伏(μV)或毫伏(mV)级别的生物电信号滤除杂波并放大到微控制器可以利用电阻分压原理识别到的值。其一般需要实现0-5V分压。本申请的信号调理电路中，可选择芯森微电子的KS1081芯片设计毫伏级(ECG/EMG)信号调理电路，选择KS1091芯片设计微伏级(EEG)信号调理电路。此两种芯片是集成高精度运算放大、模拟信号调理电路、基准电路、精密线性电路的高保真生物电采集的前端芯片，并已经获得权威的测试报告。以KS1081为例，其采集心电信号时动态功耗仅为120μA，休眠模式下低于0.1μA，能够适用于本申请小型锂电池电量状态。芯片采用QFN20封装，外围IC元件少于5个，1.65-3.7V供电，50-360倍可编程信号放大倍数。此外，每一个信号采集端都有一个静电保护器(ESD)，用于保护调理电路中的芯片，防止其被环境中或人体上产生的静电击穿。

整套系统中，供电问题十分重要：既要满足锂电池充电放电的需求，又要满足标准系统供电电压3.3V的需求。所以，图2所示的供电电路被设计为能够满足两个基本要求——电池充放电转换、3.3V恒压供电。其中，图2左侧为充放电转换电路，图2右侧为稳压电路。在充放电电路中，选择基于ETA6003芯片的电路，其具有动态电源路径控制和输入电流限制功能，高达2.5A的电流能够快速充电，在电池电量耗尽或没有电池时立即启动充电功能，有高达95％的DC-DC效率；在恒压稳压电路中，选择基于ETA3410芯片的电路，其可将3.7V输出的锂聚合物电池稳定到系统的3.3V输入电压，可提供高达2A的输出电流，转换效率高达96％，并具有内部补偿和时钟抖动的特点。

上述电路系统装配过程参照图6所示。装配所需保护外壳可采用CREALITY LD-006高分辨率光固化(DLP)3D打印机制作保护壳。印刷材料为CREALITY UV固化树脂。外壳的3D结构在CAD软件(Creo)中设计，并使用切片软件(Cura)转换为G代码脚本来控制打印机。3D打印后，对保护壳进行抛光处理。然后将微控制器(XIAO RP2040)和0.49”Oled屏幕插入对应底座中；将蓝牙模块(DX-BT24-T)贴片焊接在直径为38毫米、厚度为1.6毫米的印刷电路板(PCB)上。再将前述其余元件被紧密地焊接在PCB的两面。为了保护集成电路板，上述电路器件均可设置嵌入到一个塑料外壳中(图6)。插入了集成电路板的保护壳，其整体直径可控制在42毫米作业，其整体高度可设置为18毫米左右。

全部组装好的传感系统(包括包装好的集成电路板、LIG皮上传感器和连接电缆)的重量和成本分别为22.146克和25美元：

传感系统所采用的可充电的锂离子电池(130mAh 3.7V，亚洲电子公司)通过一组电源模块调节，其包括一个充/放电控制芯片(ETA6003，ETA)和一个电压调节芯片(ETA3410，ETA)，用于将电压从3.7V(电源电压)转换到3.3V(工作电压)。尽管该电池的容量很小，但它在耐久性测试中表现出为电子感应系统提供4小时连续供电的能力。这归功于本申请系统的低能耗设计。该电池尺寸小(31mm×10mm×4mm)，重量轻(2.2克)，能够有效提高系统的佩戴舒适度。4小时相对较短的工作时间可以通过较短的充电时间(15分钟)在一定程度上得到补偿，或者以牺牲舒适度为代价，通过更换大容量电池来解决。此外，本申请还可具体在实际产品中进一步安装一个静电放电(ESD)装置用于静电保护，并设置预留四个扩展端口用于其他测量传感器的扩展(包括3.3V供电、SPI总线、数字信号接口、模拟信号接口、PWM控制)。在一些实例中，这些接口可以连接一个MAX30205模块来测量另一个关键的物理信号——体温。本申请的系统，其微控制器选择Seeed Studio公司的XIAO RP2040,不仅价格低廉，仅需5.4美元；而且同时具备整套传感系统所需的高频率、低功耗、多路高精度模数转换通道、串口通信等特点。脑电和心电/肌电信号调理电路采用芯森微电子公司的KS1081和KS1091单通道芯片，其集滤波放大功能为一体，价格分别为3.5和5.5美元。电源管理电路里分别使用了钰泰半导体的ETA6003和ETA3410两个芯片，功能分别为充放电转换和降压稳压，价格分别为1美元和0.5美元。整套电子传感系统供电方面使用130mAh的3.7V锂聚合物电池，价格为1美元。信号传输模块为大夏龙雀的DX-BT24-T模块，能够实现低功耗蓝牙通讯，价格为1.5美元。中景园电子的0.49英寸的Oled屏幕用于设备本地显示，价格为2美元。PCB电路板参考Seeed Studio公司收费标准，每片价格约为0.5美元。电路中用到的其他常见电子元件(如电容、电阻等)，可直接采购立创商城现有设备，成本约为2.5美元。光固化3D打印保护壳成本，依据切片软件预估重量和整瓶光敏树脂的价格，成本在1美元左右。由于PI薄膜的廉价性，三个LIG探头和导线的制造成本可直接由传统价格高昂的银介质探头压缩至约仅0.6美元。整套传感系统25美元的总成本折合人民币约为170元，相比于传统的生物电信号测量设备，本申请通过激光转化工艺，直接由PI衬底12加工获得LIG传感贴片能够有效压缩器件成本。

本申请的优势在于：

(1)、通过一步到位、成本低廉且可大规模生产的激光直写技术(DLW)制造激光诱导石墨烯(LIG)表皮电极传感器，能够在完全贴合人体生理曲线，在弯曲状态下保证采样精度。

(2)、设计并组装了一个功能强大、低能耗的三合一数据采集单元。

(3)、在人机交互方面，我们还开发了一款移动应用程序，能够实时显示BLE 5.1传输的生理电信号，并以0.49英寸OLED屏幕作为另一种交互方式。

(4)、我们开发的传感器系统成本低至25美元，其拥有在不干扰日常活动的情况下实时监测EEG、ECG和EMG的能力。

(5)、本申请的传感电子系统中所采用的人体表皮传感器以PI膜为衬底的LIG，其制造方法简单，对激光的功率要求很低，适合大规模大批量的生产。在为控制器方面，XIAORP2040采用双核ARM Cortex M0+,保持着低功耗高性能的特点。在数据传输方面，采用低功耗蓝牙BLE 5.1技术，既保证了高吞吐量，也实现了低功耗数据传输。在信号调理电路方面，采用的KS1081和KS1091芯片在功耗、体积、精度上都保持着国际一流水准。整套传感电子系统，经测试，5V充电电源给小容量的130mAh锂聚合物电池充满电，仅需15分钟。在充满电后，可连续使用时长达4小时，完全满足人们未来数天的使用需求。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光诱导石墨烯的表皮传感器，其特征在于，包括：

医用无敏透气胶布（11）；

PI材质衬底（12），其一侧附着于医用无敏透气胶布（11）的粘性表面上；

石墨烯传感贴片，其附着于PI材质衬底（12）的另一侧表面，由医用无敏透气胶布（11）贴合并附着于人体皮肤表面；

导线（13），其与石墨烯传感贴片电连接，接受并传输生物电信号。

2.如权利要求1所述的基于激光诱导石墨烯的表皮传感器，其特征在于，所述PI材质衬底（12）的一侧边缘向外引出形成矩形引出端子，石墨烯传感贴片延伸至矩形引出端子表面形成连接脚；

所述导线（13）由导电胶带（14）附着于石墨烯传感贴片的连接脚上，所述导线（13）固定在导电胶带（14）与衬底（12）之间，保持导线（13）与石墨烯传感贴片稳定电连接。

3.如权利要求2所述的基于激光诱导石墨烯的表皮传感器，其特征在于，还包括：医用胶带（15），其附着于导电胶带（14）上，将导电胶带（14）、导线（13）及衬底（12）的矩形引出端子固定于医用无敏透气胶布（11）的粘性表面；

石墨烯传感贴片的连接脚由医用胶带（15）覆盖，石墨烯传感贴片的其他部分保持裸露。

4.一种人体电信号采集系统，其特征在于，包括：

表皮传感器（1），其包括附着于医用无敏透气胶布（11）黏性表面的石墨烯传感贴片，所述石墨烯传感贴片由医用无敏透气胶布（11）贴合并附着于人体皮肤表面；

生物电信号处理电路，其与表皮传感器（1）电连接。

5.如权利要求4所述的人体电信号采集系统，其特征在于，所述石墨烯传感贴片附着于PI材质衬底（12）的一侧表面，所述衬底（12）的另一侧表面黏附于医用无敏透气胶布（11）上；

表皮传感器（1）与生物电信号处理电路之间连接有导线（13），导线（13）的一端连接石墨烯传感贴片，导线（13）的另一端连接生物电信号处理电路的信号接口。

6.如权利要求4所述的人体电信号采集系统，其特征在于，PI材质的衬底（12）为一侧设有矩形引出端子的圆形薄片；

石墨烯传感贴片均匀附着于衬底（12）表面，由圆形薄片的一侧表面沿矩形引出端子向外延伸形成连接脚。

7.如权利要求6所述的人体电信号采集系统，其特征在于，所述表皮传感器（1）还包括：

导电胶带（14），其附着于石墨烯传感贴片的连接脚上，将导线（13）固定在导电胶带（14）与衬底（12）之间，保持导线（13）与石墨烯传感贴片稳定电连接；

医用胶带（15），其附着于导电胶带（14）上，将导电胶带（14）、导线（13）及衬底（12）固定于医用无敏透气胶布（11）中，并裸露石墨烯传感贴片的圆形部分。

8.如权利要求5所述的人体电信号采集系统，其特征在于，所述石墨烯传感贴片由PI材质衬底（12）表面激光雕刻转化获得，石墨烯传感贴片完全贴合于PI材质衬底（12）表面。

9.如权利要求5所述的人体电信号采集系统，其特征在于，所述生物电信号处理电路设置在圆形封闭外壳中，所述表皮传感器（1）设置在圆形封闭外壳外。