CN110338781A - 一种非金属柔性干电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非金属柔性干电极,电极包括:电极层、电极导线连接点和电极支撑层,其中:电极支撑层的上表面上设置电极层;电极层和电极导线连接点的材料由导电纳米材料和PEDOT:PSS复合而成;电极层上设置电极导线连接点,用于固定电极导线;电极支撑层为柔性的聚合物薄膜。本发明从增大电极表面积和增强电极和皮肤的接触程度两个方面达到了降低了电极和皮肤的接触阻抗的效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域的电极,具体地,涉及一种非金属柔性干电极及其制备方法。
背景技术
生物电是生物体产生的电现象,它包含生物体的多种生理状态的重要信息。生物电不仅能辅助一些疾病的诊断和健康状况的监测,还能应用于人机交互。因此,便捷,长期的记录生物电信号是极其重要的。通常用于记录生物电信号的是湿电极。湿电极需要配合导电一起使用,但随着时间的增长导电胶脱水,导致电极皮肤的接触阻抗增大,从而引起电极记录的生物电信号失真。因此湿电极不能长期记录生物电。由于导电胶的存在,湿电极的体积较大,无法实现高密度的同时记录多通道信号。而干电极不需要导电胶,使用方便,因此通过干电极能实现便捷,长期的,多通道的记录生物电信号。
经检索发现,公布号为CN104510466A的中国专利,公开了一种柔性复合型干电极及其制备方法,电极包括:从上到下依次排布的电极、电极导线连接点和电极支撑层,其中,所述电极上有两个不同材料的电极点,分别是Ag电极点和Ag/AgCl电极点;所述电极支撑层为柔性的聚合物薄膜。但是上述专利中采用了金属材料,金属材料会被强大的磁场吸引,因此带有金属的电极会影响MRI检测,不适用于MRI(核磁共振)等场合,而且制备工艺复杂。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种非金属柔性干电极及其制备方法。
根据本发明提供一种非金属柔性干电极,电极层、电极导线连接点和电极支撑层,其中:
所述电极支撑层的上表面上设置所述电极层;
所述电极层上设置所述电极导线连接点,用于固定电极导线;
所述电极层和所述电极导线连接点的材料由导电纳米材料和PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸)复合而成;
所述电极支撑层为柔性的聚合物薄膜。
上述结构中:电极导线连接点用于固定电极导线,电极导线连接记录信号的设备。整个电极通过微加工的方式制备,完成后在电极导线连接点固定导线即可记录生物电信号。本发明中非金属柔性干电极尺寸不受限制,可以根据实际情况进行调整;非金属柔性干电极可以为任意形状。
优选地,所述导电纳米材料与所述PEDOT:PSS的质量比的范围为:10:1-1:1。
PEDOT:PSS和导电纳米材料的复合材料的质量比与复合材料的导电性关,在一定范围内,导电性能随着导电纳米材料的质量分数提高而提高。
优选地,所述导电纳米材料为碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的任意一种。
优选地,所述柔性的聚合物薄膜的材料为聚对二甲苯C型(Parylene C)、聚酰亚胺(PI)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中任意一种。
优选地,所述电极层的厚度是为0.1μm-10μm。PEDOT:PSS和导电纳米材料的复合材料制备的导电膜的导电性能与膜的厚度有关,在一定范围厚度内,导电性能随着膜的厚度增大而提高。
优选地,所述电极支撑层厚度为1μm-100μm。为了电极能紧密的贴合皮肤,以减少运动伪迹的影响,电极的支撑层不应过厚。
本发明第二个方面,提供一种非金属柔性干电极的制备方法,所述制备方法包括:
将导电纳米材料分散在PEDOT:PSS溶液中,得到由所述PEDOT:PSS和所述导电纳米材料组成的复合材料;
在基底上沉积柔性的聚合物薄膜作为电极支撑层;
在所述柔性的聚合物薄膜上旋涂光刻胶,曝光,显影,图形化光刻胶层;
在所述图形化光刻胶层上旋涂、喷涂或者滴涂一层所述复合材料,之后固化,形成电极层和电极导线连接点;
最后,除去所述柔性的聚合物薄膜上剩余光刻胶,得到电极。
进一步,在除去光刻胶之后,还包括电极后处理,增强导电性能,将所述电极放入二甲基亚砜溶液中浸泡,之后再用去离子水浸泡、清洗电极,从基底取下所述电极,在所述电极导线连接点处固定导线。
优选地,所述基底为玻璃或硅片。
本发明的工作原理:PEDOT:PSS是一种导电聚合,在PEDOT:PSS加入导电纳米材料后能提高PEDOT:PSS的导电性能,并且PEDOT:PSS是一种离子可以通过的材料。进一步的,通过二甲基亚砜的处理,PEDOT:PSS的导电性能得到了进一步的提高。制成电极后,使用一段时间后,由于电极和皮肤间汗液的聚集,电极和皮肤的接触阻抗会降低。由于导电纳米材料的加入,增大了电极的表面积,从而降低了电极和皮肤的接触阻抗。电极采用了柔性非金属材料,整个电极具有良好的柔性,能和被测试者皮肤紧密接触,有利于抵抗运动伪迹的干扰,提高生物电信号的记录质量。
与现有技术相比,本发明具有如下至少一种的有益效果:
1)本发明的上述结构中,电极层的材料由PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸)和导电纳米材料复合而成,由于导电纳米材料的加入,使制备的电极表面具有一定粗糙度,增大了电极的表面积,从而降低了电极和皮肤的接触阻抗;采用了柔性非金属材料作为电极的支撑层,使整个电极具有良好的柔性,能和被测试者皮肤紧密接触,有利于抵抗运动伪迹的干扰,提高生物电信号的记录质量。本发明从增大电极表面积和增强电极和皮肤的接触程度两个方面达到降低了电极和皮肤的接触阻抗的效果。
2)本发明的上述制备方法中采用微加工工艺制备,其优势在于能便捷,长期稳定的记录生物电信号。
3)本发明的上述制备方法中通过二甲基亚砜的处理,进一步,使PEDOT:PSS的导电性能得到了提高。
4)现有技术中湿电极,在使用时需要导电胶而导致的不能长期记录信号和不能密集的多通道记录信号,与湿电极相比,本发明的电极尤其适用于长期的记录生物电信号,且与现有的干电极相比,性能突出、制备简单。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明一优选实施例的整体结构示意图;
图2是本发明一优选实施例的电极剖面示意图;
图3是本发明一优选实施例的电极制备工艺流程图;
图4是本发明一优选实施例的电极制备工艺流程图;
图中标记分别表示为:电极层1、电极导线连接点2、电极支撑层3。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1、图2所示,为一种非金属柔性干电极的结构示意图,图中包括:电极层1、电极导线连接点2和电极支撑层3,其中:电极支撑层3的上表面上设置电极层1,电极层1上设置电极导线连接点2,用于固定电极导线,电极导线连接记录信号的设备。电极层1和电极导线连接点2的材料由PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸)和导电纳米材料复合而成。电极支撑层3为柔性的聚合物薄膜。
本实施例中非金属柔性干电极尺寸不受限制,可以根据实际情况进行调整;非金属柔性干电极可以为任意形状。
在其他优选实施例中:电极层1的厚度为0.1μm-10μm。
在其他优选实施例中:电极支撑层3厚度为1μm-100μm。
在其他优选实施例中:导电纳米材料可以为碳纳米管、石墨烯、金纳米线或银纳米线中的任意一种。
在其他优选实施例中:柔性的聚合物薄膜的材料可以为Parylene C、PI或PDMS。
在一具体实施例中,提供一种非金属柔性干电极的制备方法,参照图3所示,为一种非金属柔性干电极的制备方法的流程图,包括以下步骤:
1)在PEDOT:PSS溶液中加入CNTs(CNTs和PEDOT:PSS的质量比为2:1),超声分散,得到导电的PEDOT:PSS、CNTs复合材料溶液,在该比例下的PEDOT:PSS、CNTs复合材料成膜后的方块电阻比PEDOT:PSS成膜后的方块电阻低2个数量级。
2)以玻璃为基底,在玻璃基底上沉积5μm厚的Parylene C薄膜作为电极支撑层3,如图3中(a)所示。
3)在Parylene C薄膜上旋涂光刻胶,曝光,显影,图形化光刻胶层,如图3中(b)所示。
4)在图形化光刻胶层上旋涂的PEDOT:PSS、CNTs复合材料溶液,加热固化PEDOT:PSS、CNTs复合材料溶液,同时形成电极层1和电极导线连接点2,如图3中(c)所示。
5)清洗掉聚合物薄膜上剩余的光刻胶,如图3中(d)所示。
6)将电极放入二甲基亚砜中浸泡1小时后,用去离子水浸泡、清洗电极。
7)如图3中(e)所示,从玻璃基底上取下整个电极,在电极导线连接点2处固定导线。
在另一具体实施例中,提供一种上述非金属柔性干电极的制备方法,参照图4所示,为非金属柔性干电极的制备方法的流程图,包括以下步骤:
1)在PEDOT:PSS溶液中加入金纳米线(AuNWs)(AuNWs和PEDOT:PSS的质量比为:3:1),超声分散,得到导电的PEDOT:PSS、AuNWs复合材料溶液,在该比例下的PEDOT:PSS、CNTs复合材料成膜后的方块电阻比PEDOT:PSS成膜后的方块电阻低3个数量级。
2)以玻璃为基底,在玻璃上旋涂2μm厚的PI后,得到PI薄膜作为电极支撑层3,如图4中(a)所示。
3)在PI薄膜上旋涂光刻胶,曝光,显影,图形化光刻胶层,如图4中(b)所示。
4)在图形化光刻胶层上滴涂的PEDOT:PSS、AuNWs复合材料溶液,加热固化PEDOT:PSS、AuNWs复合材料溶液,同时形成电极层1和导线连接点2,如图4中(c)所示。
5)清洗掉PI薄膜上剩余的光刻胶,如图4中(d)所示。
6)将电极放入二甲基亚砜中浸泡1小时后,用去离子水浸泡、清洗电极。
7)如图4中(e)所示,从玻璃上取下整个电极,在电极导线连接点2处固定导线。
本实施例中,当电极应用于生物电信号记录时,电极的电极面固定在皮肤上适当的位置;该电极以非金属柔性聚合物作为电极支撑层3,具有柔性能与皮肤紧密贴合,提高了电极和皮肤的稳定性,从而能增强了记录生物电信号的质量和稳定性。
本发明采用微加工工艺制备非金属柔性干电极,其优势在于所用电极材料是由PEDOT:PSS和导电纳米材料复合而成,此复合材料具有良好的导电性能,PEDOT:PSS是一种离子可以通过的导电材料,制成电极后,使用一段时间后,由于电极和皮肤间汗液的聚集,电极和皮肤的接触阻抗会降低。由于导电纳米材料的加入,增大了电极的表面积,从而降低了电极和皮肤的接触阻抗。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种非金属柔性干电极,其特征在于,所述电极包括:电极层、电极导线连接点和电极支撑层,其中:
所述电极支撑层的上表面上设置所述电极层;
所述电极层上设置所述电极导线连接点,用于固定电极导线;
所述电极层和所述电极导线连接点的材料由导电纳米材料和PEDOT:PSS复合而成;
所述电极支撑层为柔性的聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种非金属柔性干电极,其特征在于,所述导电纳米材料与所述PEDOT:PSS的质量比的范围为:10:1-1:1。
3.根据权利要求1所述的一种非金属柔性干电极,其特征在于,所述导电纳米材料为碳纳米管、石墨烯、金纳米线或银纳米线中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种非金属柔性干电极,其特征在于,所述柔性的聚合物薄膜的材料为聚对二甲苯C型、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷中任意一种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种非金属柔性干电极,其特征在于,所述电极层的厚度是为0.1μm-10μm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种非金属柔性干电极,其特征在于,所述电极支撑层厚度为1μm-100μm。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的非金属柔性干电极的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
将导电纳米材料分散在PEDOT:PSS溶液中,得到由所述PEDOT:PSS和所述导电纳米材料组成的复合材料;
在基底上沉积柔性的聚合物薄膜作为电极支撑层;
在所述柔性的聚合物薄膜上旋涂光刻胶,曝光,显影,图形化光刻胶层;
在所述图形化光刻胶层上旋涂、喷涂或者滴涂一层所述复合材料,之后固化,形成电极层和电极导线连接点;
最后,除去所述柔性的聚合物薄膜上剩余光刻胶,得到电极。
8.根据权利要求7所述的一种非金属柔性干电极的制备方法,其特征在于,在除去光刻胶之后,还包括电极后处理,增强导电性能,将所述电极放入二甲基亚砜溶液中浸泡,之后再用去离子水浸泡、清洗电极,从基底取下所述电极,在所述电极导线连接点处固定导线。
9.根据权利要求7所述的一种非金属柔性干电极的制备方法,其特征在于,所述基底为玻璃或硅片。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191018 |
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