TWI720837B

TWI720837B - 乾式電極及生理訊號感測裝置

Info

Publication number: TWI720837B
Application number: TW109107514A
Authority: TW
Inventors: 陳士勛; 柯立偉; 梁瑞庭
Original assignee: 國立臺灣科技大學; 國立交通大學
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-03-01
Also published as: TW202133796A

Abstract

本揭露提供一種乾式電極及生理訊號感測裝置。乾式電極包括軟性基質、多個導電粒子和多個導電添加物。多個導電粒子分佈於軟性基質中，且多個導電粒子中的至少一者具有不規則形狀。多個導電添加物分佈於軟性基質中，且多個導電添加物中的至少一者包括基材及具有含氧官能基的材料。

Description

乾式電極及生理訊號感測裝置

本發明是有關於一種電極和感測裝置，且特別是有關於一種乾式電極及生理訊號感測裝置。

為了讓醫生能夠輕易且快速地了解患者的身體狀況，藉由非侵式的量測方法來獲得各種生理訊息的技術逐漸受到重視。舉例來說，可藉由心電儀來接觸皮膚以偵測心電訊號或者藉由腦波儀來接觸頭皮以偵測腦波訊號。一般而言，藉由接觸皮膚來偵測生理訊號的儀器會將電極貼在身體上以擷取生理訊息，而為了降低皮膚/電極介面電阻（尤其是皮膚上的毛髮容易影響電極和皮膚之間的電阻），會進一步將導電膠塗抹於電極和身體之間。然而，導電膠易乾，因此需不斷重複塗抹於使用者的皮膚上而不適合用於需長時間監測病患之生理訊號的檢查。此外，電極常受到各種形變（例如彎折）以良好的貼附於身體的各個部位上，如此可能會導致電極因材料破碎、導電材質剝落、表面缺陷等問題而造成導電率下降，進而使得影響所偵測的生理訊號。

因此，本領域技術人員亟欲發展出一種具有良好機械性質和導電性的電極。

本發明提供一種乾式電極，其具有良好的機械性質和導電性。

本發明提供一種生理訊號感測裝置，其具有良好的靈敏度和安定時間（settle time）。

本發明的乾式電極包括軟性基質（matrix）、多個導電粒子和多個導電添加物。多個導電粒子分佈於軟性基質中，且多個導電粒子中的至少一者具有不規則形狀。多個導電添加物分佈於軟性基質中，且多個導電添加物中的至少一者包括基材（base material）及具有含氧官能基的材料。

在本發明的一實施例中，上述的多個導電添加物中的至少一者位於相鄰的兩個導電粒子之間。

在本發明的一實施例中，上述的多個導電粒子中的至少一者具有平坦的外部表面。

在本發明的一實施例中，上述的多個導電粒子中的至少一者為片狀或針狀導電材料。

在本發明的一實施例中，上述的含氧官能基包括氧自由基、羥基和羧基中的至少一個。

在本發明的一實施例中，上述的具有含氧官能基的材料為基材的氧化物。

在本發明的一實施例中，上述的基材包括石墨烯，而具有含氧官能基的材料包括氧化石墨烯。

在本發明的一實施例中，上述的多個導電添加物的尺寸小於多個導電粒子的尺寸。

在本發明的一實施例中，上述的軟性基質包括矽氧凝膠（silicone gel）。

本發明的生理訊號感測裝置包括基座和多個探針。多個探針設置於基座上，且多個探針中的至少一者包括如上所述的乾式電極。

基於上述，由於導電粒子具有不規則形狀，且導電添加物包含基材與具有含氧官能基的材料，如此可提升乾式電極的導電性和機械性質，且可避免乾式電極在形變的狀態下所導致例如材料破碎、導電材質脫落與表面缺陷所造成之導電率下降的問題。另一方面，由於導電添加物包括具有含氧官能基的材料，故能夠作為基材與欲接觸目標（例如皮膚）或是軟性基質之間的橋梁，如此能夠降低乾式電極與欲接觸目標間的介面電阻，進而改善因接觸不良所導致之安定時間較長的問題。

以下將參照本實施例之圖式以更全面地闡述本新型創作。然而，本新型創作亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似之參考號碼表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。另外，實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本新型創作。

應當理解，當諸如元件被稱為在另一元件「上」或「連接到」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者也可存在中間元件。若當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到」另一元件時，則不存在中間元件。

本文使用的「約」、「近似」或「實質上」包括所提到的值和在所屬技術領域中具有通常知識者能夠確定之特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量（即，測量系統的限制）。例如，「約」可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內。再者，本文使用的「約」、「近似」或「實質上」可依光學性質、蝕刻性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。

使用本文中所使用的用語僅為闡述例示性實施例，而非限制本新型創作。在此種情形中，除非在上下文中另有解釋，否則單數形式包括多數形式。

圖1是本發明一實施例的乾式電極的俯視示意圖。圖2A是本發明一實施例的乾式電極貼附於皮膚上的剖面示意圖。圖2B是圖2A中區域R1的放大示意圖。圖2C是圖2B中區域R2的微觀示意圖。

請參照圖1，乾式電極10可包括軟性基質100和分佈於軟性基質100中的多個導電粒子110和多個導電添加物120。在本實施例中，乾式電極10可作為生理訊號感測裝置中的電極，如圖2A至圖2C所示，可藉由將生理訊號感測裝置中的乾式電極10貼附在待測生物皮膚20上來擷取生理訊息。在一些實施例中，乾式電極10可應用於量測腦波訊號（electroencephalography，EEG）和心臟訊號（electrocardiography，ECG）等非侵入式的生理訊號感測裝置中。乾式電極10可直接接觸於人體或待測生物皮膚來直接測量由生物體內所傳遞之電訊號，其不需要任何膠狀或液態介質（例如導電膠）來幫助傳導。本實施例是以乾式電極10貼在皮膚20上作為示範性實施例進行說明，但本發明不以此為限。在其他實施例中，乾式電極10也可貼附在其他待測物上。在本實施例中，圖1所示之乾式電極10是以片狀電極為示範性實施例來進行說明，但本發明不以此為限，乾式電極10的形狀可依照設計進行調整。

在本實施例中，軟性基質100可包括高分子材料。舉例來說，軟性基質100可包括矽氧凝膠（silicone gel）或矽氧橡膠（例如PDMS）。

在本實施例中，導電粒子110可分佈於軟性基質100中，如此可使得軟性基質100形成為軟性導電基質，不僅降低昂貴之導電材的使用量（相比於塊材而言）且可使乾式電極10在使用上具有良好的機械特性。在本實施例中，多個導電粒子110可彼此電性連接。在本實施例中，多個導電粒子110中的至少一者具有不規則形狀，如此可避免乾式電極10在形變的狀態下所導致例如材料破碎、導電材質脫落與表面缺陷所造成之導電率下降的問題。在本實施例中，具有不規則形狀的導電粒子110可具有平坦的外部表面，例如片狀或針狀等導電材料。導電粒子110的材料可包括金屬、金屬氧化物或合金。舉例來說，金屬可以是銀（Ag）、銅（Cu）等導電性良好的金屬；金屬氧化物可以是銦-錫氧化物（ITO）、氟-錫氧化物（FTO）、鋁-鋅氧化物（AZO）或銻-錫氧化物（ATO）等。在本實施例中，導電粒子110可例如是材料為Ag/Cu的片狀導電材料。

在本實施例中，多個導電添加物120中的至少一者可位於相鄰的兩個導電粒子110之間，如此可藉由提供額外的導電路徑來提升導電粒子110之間的電性連結能力，此可進一步讓乾式電極10具有良好的導電率。在本實施例中，導電添加物120的尺寸可小於導電粒子110的尺寸。如此一來，分佈於軟性基質100中的導電粒子110之間的導電添加物120以及分佈於導電粒子110與欲接觸目標（如圖2A至圖2C所示之皮膚20）之間的導電添加物120能夠具有良好的堆積密度，進而提升乾式電極10的導電率。

在本實施例中，多個導電添加物120中的至少一者可包括基材（base material）及具有含氧官能基的材料，如此可藉由含氧官能基的高分性散之特性，使得導電粒子110和導電添加物120能夠均勻的分散於軟性基質100，以形成緊密之導電網絡。除此之外，具有含氧官能基的材料不僅在製程上可替代界面活性劑，且其本身也具有導電特性，故不需額外純化之繁瑣製程步驟。另一方面，導電添加物120的具有含氧官能基的材料具有良好的親合性（affinity），能夠作為導電添加物120中的基材與欲接觸目標或是軟性基質100之間的橋梁，如此乾式電極10能夠良好的貼附於皮膚20上，進而降低因接觸不良所導致之安定時間（settle time）較長的問題。上述所提到的「安定時間」是因為當乾式電極貼附於皮膚上時，電極與皮膚之間仍會因兩者的表面粗糙度的關係或是皮膚上之毛髮的關係而出現一些不可避免的空隙V，此時需等待一些分泌物（例如從皮膚分泌出的油）來填補這些空隙，而這個等待的時間可稱為安定時間（或可稱為穩定等待時間）。

以下，以圖2A至圖2C來作為示範性實施例進行說明，但本發明不以此為限。在此實施例中，導電添加物120的基材120a可為石墨烯（graphene），而導電添加物120中具有含氧官能基的材料120b可為氧化石墨烯（graphene oxide）。具有含氧官能基的材料120b除了在軟性基質100中可作為基材120a與軟性基質100之間的橋梁，其在乾式電極10與皮膚20之間的介面中還可作為基材120a與皮膚20之間的橋梁（如圖2C所示）。

導電添加物120中的含氧官能基可包括氧自由基、羥基和羧基中的至少一個。在本實施例中，具有含氧官能基的材料為基材的氧化物。舉例來說，基材可為石墨烯（graphene），而具有含氧官能基的材料可為氧化石墨烯（graphene oxide）。可採用化學方式將石墨（graphite）變為氧化石墨烯，再藉由強還原劑將氧化石墨烯還原成石墨烯。

圖3是本發明一實施例的生理訊號感測裝置的剖面示意圖。

請參照圖3，生理訊號感測裝置1可包括基座2和設置於其上的多個探針3。在本實施例中，多個探針3可分別垂直直立於基座2上，且探針20為錐形的探針，以利岔入毛髮中而與頭皮接觸。多個探針3中的至少一者可包括乾式電極10。在本實施例中，多個探針3中的每一者是由乾式電極10構成。

綜上所述，在本發明的乾式電極中，由於導電粒子具有不規則形狀，且導電添加物包含基材與具有含氧官能基的材料，如此可提升乾式電極的導電性和機械性質，且可避免乾式電極在形變的狀態下所導致例如材料破碎、導電材質脫落與表面缺陷所造成之導電率下降的問題。另一方面，由於導電添加物包括具有含氧官能基的材料，故能夠作為基材與欲接觸目標（例如皮膚）或是軟性基質之間的橋梁，如此能夠降低乾式電極與欲接觸目標間的介面電阻，進而改善因接觸不良所導致之安定時間較長的問題。

1:生理訊號感測裝置 2:基座 3:探針 10:乾式電極 20:皮膚 100:軟性基質 110:導電粒子 120:導電添加物 120a:基材 120b:具有含氧官能基的材料 V:空隙

圖1是本發明一實施例的乾式電極的俯視示意圖。圖2A是本發明一實施例的乾式電極貼附於皮膚上的剖面示意圖。圖2B是圖1A中區域R1的放大示意圖。圖2C是圖1B中區域R2的微觀示意圖。圖3是本發明一實施例的生理訊號感測裝置的剖面示意圖。

10:乾式電極

100:軟性基質

110:導電粒子

120:導電添加物

Claims

一種乾式電極，包括：軟性基質；多個導電粒子，分佈於所述軟性基質中，且所述多個導電粒子中的至少一者為片狀或針狀導電材料；以及多個導電添加物，分佈於所述軟性基質中，且所述多個導電添加物中的至少一者包括基材及具有含氧官能基的材料，所述多個導電添加物的尺寸小於所述多個導電粒子的尺寸。
如請求項1所述的乾式電極，其中所述多個導電添加物中的至少一者位於相鄰的兩個導電粒子之間。
如請求項1所述的乾式電極，其中所述多個導電粒子中的所述至少一者具有平坦的外部表面。
如請求項1所述的乾式電極，其中所述含氧官能基包括氧自由基、羥基和羧基中的至少一個。
如請求項1所述的乾式電極，其中所述具有含氧官能基的材料為所述基材的氧化物。
如請求項5所述的乾式電極，其中所述基材包括石墨烯，所述具有含氧官能基的材料包括氧化石墨烯。
如請求項1所述的乾式電極，其中所述軟性基質包括矽氧凝膠(silicone gel)。
一種生理訊號感測裝置，包括：基座；以及多個探針，設置於所述基座上，且所述多個探針中的至少一者包括如請求項1至請求項7中任一項所述的乾式電極。