CN116172583A - 一种采集双模信号的柔性电极及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性可穿戴设备相关技术领域，其公开了一种采集双模信号的柔性电极及其制备方法与应用，所述柔性电极包括第一电极层、绝缘薄膜、柔性介质层、第二电极层、柔性绝缘层及肌电电极层，所述柔性介质层相背的两表面分别设置有所述绝缘薄膜，两个所述绝缘薄膜远离所述柔性介质层的表面分别设置所述第一电极层及所述第二电极层；所述柔性绝缘层设置在所述第二电极层远离所述绝缘薄膜的表面上；所述肌电电极层设置在所述柔性绝缘层远离所述第二电极层的一侧。本发明能够实现双模传感、较高的皮肤共形性及良好的生物相容性。

Description

一种采集双模信号的柔性电极及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于柔性可穿戴设备相关技术领域，更具体地，涉及一种采集双模信号的柔性电极及其制备方法与应用。

背景技术

柔性可穿戴设备泛指具备机械柔性并且能够直接或间接与皮肤紧密贴合的电子装置或设备。柔性可穿戴设备具有较大的机械灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，并且满足人体对于设备的形变要求。目前，柔性可穿戴设备的研究应用已经进入了人类日常生活的众多方面，如电子皮肤、可穿戴生理监测治疗装置、柔性导电织物、柔性电路板等。柔性可穿戴设备在生物医疗领域以及军工设备领域发展极为迅速，各种人体信号的便携式以及多元化采集成为研究的主要方向，将成为未来医疗诊断的重要辅助手段以及用于外骨骼柔性设备研发的主要基础。

人体运动信号的监测一直以来都是研究的关键问题，人体结构具有冗余、复杂、变刚度等特点，为了采集人体运动信号，研究者们已经采用了关节角测量、光学捕捉***、EMG测量、电阻抗成像、超声波处理等方法，这些人体运动信号检测方法都能够在某一方面代表人体运动状态。传统关节角测量通过在人体测量部位粘贴标记点，调整相机，利用三维坐标算法得到角度信息，但其刚性结构会阻碍人体正常运动，且受场地限制很大；EMG通过贴附在肌肉表面采集肌电表面信号，能够用于预测运动类型、以及反映肌肉力，但表面肌电信号复杂而信噪比低，需要通过滤波整流积分等处理方式来提取有效信息，误差较大；电阻抗成像通过测量肌肉截面的阻抗变化来重构肌肉的变形方式，有相对完整的计算算法，但测量的方位角小，扩大测量范围时需要增加电极，影响运动状态。且大多数传感器只能采集一种运动信号，而人体运动特征往往与多种信号相关，因此目前的柔性可穿戴设备难以满足多模信号的采集需求，且加工工艺复杂，难以满足经济化、低成本、高良品率的制造要求。

发明内容

针对现有柔性可穿戴设备单模信号的采集以及结构复杂、贴附性差等技术问题，本发明提供了一种采集双模信号的柔性电极及其制备方法与应用，其通过结构设计使得柔性电极能够实现双模传感、较高的皮肤共形性及良好的生物相容性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性电极，该柔性电极用于同时采集肌肉形变及肌电信号，所述柔性电极包括第一电极层、绝缘薄膜、柔性介质层、第二电极层、柔性绝缘层及肌电电极层，所述柔性介质层相背的两表面分别设置有所述绝缘薄膜，两个所述绝缘薄膜远离所述柔性介质层的表面分别设置所述第一电极层及所述第二电极层；所述柔性绝缘层设置在所述第二电极层远离所述绝缘薄膜的表面上；所述肌电电极层设置在所述柔性绝缘层远离所述第二电极层的一侧。

进一步地，所述柔性绝缘层开设有凹槽，所述凹槽用于固定所述肌电电极层。

进一步地，所述凹槽的数量与所述肌电电极层的数量均为两个，两个所述凹槽分别用于固定两个所述肌电电极层；所述肌电电极层是采用柔性基底材料混合导电材料制备而成的。

进一步地，所述柔性介质层是将柔性多孔泡沫材料浸泡在预设溶液中，预设溶液填充柔性多孔泡沫材料的孔隙后进行恒温干燥得到的。

进一步地，所述多孔柔性材料由柔性多孔材料掺杂导电材料组成。

进一步地，该柔性绝缘层的弹性模量大于所述肌电电极层的弹性模量。

进一步地，所述柔性绝缘层的厚度为1-2mm，弹性模量大于10MPa。

本发明还提供了一种如上所述的采集双模信号的柔性电极的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)将柔性多孔泡沫材料放入预设溶液中浸泡后进行恒温干燥以得到柔性介质层；

(2)在柔性介质层相背的两个表面分别制备绝缘薄膜，并分别在两个绝缘薄膜上贴附第一电极层及第二电极层；

(3)通过模具制备柔性绝缘层，再将Eclflex30溶液掺杂导电填料后倒入所述柔性绝缘层的凹槽内以得到肌电电极层；

(4)将柔性绝缘层设置在所述第二电极层上，进而得到所述柔性电极。

进一步地，还包括将电路板设置在所述第一电极层远离所述绝缘薄膜的表面上的步骤；所述柔性多孔泡沫材料为聚氨酯海绵，预设溶液为钛酸铜钙溶液或PEDOT:PSS水溶液；PDMS溶液本体与催化剂的质量比为10：1。

本发明还提供了一种如上所述的采集双模信号的柔性电极在可穿戴设备中的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的采集双模信号的柔性电极及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：

1.所述柔性电极包括第一电极层、柔性介质层、第二电极层、柔性绝缘层及肌电电极层，所述第一电极层、柔性介质层及其表面绝缘薄膜以及第二电极层构成多级平行板电容，所述柔性介质层使用多孔柔性材料降低弹性模量，掺杂导电物质提高介电常数，所述绝缘薄膜将介质层与第一电极层和第二电极层分离构成串联平行板电容，当肌肉发生膨胀或收缩时，肌肉力挤压柔性介质层，极板间距变化，从而改变平行板电容大小，通过所述铜导线的传输信号发生变化；同时肌电电极层用于采集肌电信号，如此所述柔性电极能够同时采集肌肉形变及肌电信号。

2.柔性绝缘层开设有凹槽，该凹槽用于固定肌电电极层，减少肌电电极在皮肤表面的滑移，如此能够良好的固定肌电电极层的同时保证肌肉形变所产生的压缩变形基本由该柔性介质层承担，减少肌电电极层在垂直皮肤表面方向上的形变，真实反馈运动过程中肌肉纤维中产生的动作电位。

3.该柔性介质层是采用柔性材料掺杂导电填料制备的，以提高介电常数以及降低弹性模量。

4.该肌电电极层使用柔性材料掺杂导电填料为原料、使用沉积成型法固化形成，制备得到的肌电电极和皮肤具有良好的接触阻抗，并且具有较高的皮肤共形性和生物相容性，能够提高肌电信号检测的稳定性与可靠性。

5.该柔性绝缘层的弹性模量远大于肌电电极，降低了肌电电极在垂直皮肤表面方向的形变，保证肌肉形变信号以及肌电信号的稳定性和准确性。

6.所配置的PDMS溶液本体与催化剂的质量比为10：1，保证固化后的弹性模量为20MPa，远大于肌电电极层，从而肌肉形变信号向上传输时，减少肌电电极层在垂直皮肤表面方向的形变，提高肌电信号的稳定性与准确性。

附图说明

图1是本发明提供的采集双模信号的柔性电极的结构示意图；

图2中的(a)、(b)分别是本发明实施例对肌肉形变的监测机理示意图；

图3是表面肌电信号监测机理示意图；

图4是一种柔性介质层的示意图；

图5是肌电电极层及柔性绝缘层的示意图；

图6是柔性电极的制备方法的流程示意图；

图7是检测单元在同时采集肌肉形变及肌电信号时的工作流程图；

图8是本发明得到的肌肉形变的信号示意图；

图9是本发明得到的肌电信号的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电路板，2-第一电极层，3-绝缘薄膜，4-柔性介质层，5-第二电极层，6-柔性绝缘层，7-肌电电极层，8-铜导线，9-柔性电极，10-骨骼肌，11-骨头，12-神经元及肌肉纤维。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

人体运动信号的监测一直以来都是研究的关键问题，人体结构具有冗余、复杂、变刚度等特点，为了采集人体运动信号，研究者们已经采用了关节角测量、光学捕捉***、EMG测量、电阻抗成像、超声波处理等方法，这些人体运动信号检测方法都能够在某一方面代表人体运动状态。传统关节角测量通过在人体测量部位粘贴标记点，调整相机，利用三维坐标算法得到角度信息，但其刚性结构会阻碍人体正常运动，且受场地限制很大；EMG通过贴附在肌肉表面采集肌电表面信号，能够用于预测运动类型、以及反映肌肉力，但表面肌电信号复杂而信噪比低，需要通过滤波整流积分等处理方式来提取有效信息，误差较大；电阻抗成像通过测量肌肉截面的阻抗变化来重构肌肉的变形方式，有相对完整的计算算法，但测量的方位角小，扩大测量范围时需要增加电极，影响运动状态。且大多数传感器只能采集一种运动信号，而人体运动特征往往与多种信号相关，因此多模信息传感、高柔性以及生物相容性是目前柔性电子突破的关键。

请参阅图1、图2及图3，基于以上，本发明提供了一种采集双模信号的柔性电极9，所述柔性电极9能够同时采集肌肉形变及肌电信号。所述柔性电极9包括电路板1、第一电极层2、绝缘薄膜3、柔性介质层4、第二电极层5、柔性绝缘层6、肌电电极层7及铜导线8。所述柔性介质层4相背的两表面分别设置有绝缘薄膜3，两个所述绝缘薄膜3远离所述柔性介质层4的表面分别设置所述第一电极层2及所述第二电极层5。所述电路板1设置在所述第一电极层2远离所述绝缘薄膜3的表面上。所述柔性绝缘层6设置在所述第二电极层5远离所述绝缘薄膜3的表面上。所述肌电电极层7设置在所述柔性绝缘层6远离所述第二电极层5的一侧。所述肌电电极层7通过所述铜导线8与其他元件进行信号传输。

其中，图2显示柔性电极的设置及骨骼肌10与骨头11在及柔性变过程中的状态。图3中显示了神经元及肌肉纤维12，神经元发送神经信号传输至肌肉纤维，产生动作电位，经过肌肉，皮下组织以及皮肤形成的容积导体由肌电电极监测。

请参阅图7、图8及图9，本实施方式中，所述电路板的底部带有绝缘底座，该绝缘底座使用PMDS或者Ecoflex固化后形成。所述柔性介质层是以柔性材料掺杂导电材料为原料，以填充的方式制备而成的，以提高介电常数及降低弹性模量。

所述柔性绝缘层用于解耦肌肉形变及肌电信号，将肌肉形变信号无损的向上传输至所述柔性介质层，还用于固定所述肌电电极层，减少肌电电极层在皮肤表面的滑移，且所述柔性绝缘层的弹性模量远大于所述肌电电极层，如此降低了肌电电极层在垂直于皮肤表面方向的形变，保证了肌肉形变信号及肌电信号的稳定性和准确性。

所述肌电电极层是采用柔性基底材料混合导电材料制备而成的，它与皮肤进行直接接触，采集肌肉纤维中的动作电位，具有较低的皮肤接触阻抗以及较高的生物相容性；在信号采集过程中，它始终与皮肤表面保持良好的共形接触，减少运动伪影的产生。其中，从第一电极层和第二电极层分别引出铜导线，用于传输肌肉形变信号；从肌电电极层两测量电极分别引出铜导线，用于传输肌电信号。

该柔性绝缘层通过硅胶粘结剂与所述第二电极层连接，这种结构不仅能够采集肌肉形变信号，还能采集肌电信号，通过该柔性绝缘层能够保证与皮肤间的良好接触，保证了高质量肌肉运动信号的采集。

所述柔性介质层及其表面微米级绝缘薄膜以及第二电极层构成多级平行板电容，所述柔性介质层的制备原料中有多孔柔性材料，以降低弹性模量，掺杂导电物质来提高介电常数。

所述绝缘薄膜将柔性介质层与第一电极层和第二电极层分离构成串联平行板电容，当肌肉发生膨胀或收缩时，肌肉力挤压柔性介质层，极板间距变化，从而改变平行板电容的大小，通过所述铜导线的传输信号发生变化。

所述肌电电极层的数量为两个，两个所述肌电电极层构成肌电信号采集的两测量电极，其是采用柔性硅橡胶材料掺杂导电填料方式制备，使得具有良好的生物相容性与皮肤共形性，嵌入所述柔性绝缘层的凹槽中，减小肌电电极层采集肌电信号时垂直皮肤表面方向形变，以降低双模信号的耦合，与皮肤、皮下组织、肌肉等形成容积导体来监测肌肉纤维中产生的动作电位，通过所述铜导线进行信号传输。

在一种实施方式中，所述柔性介质层与第一电极层、第二电极层构成平行板电容模型，以用于采集肌肉形变信号；所述柔性介质层的厚度为3-5mm，弹性模量小于100KPa，优选地弹性模量为80KPa，该柔性介质层为长条形，更易贴合肌腹表面，用于吸收肌肉形变所产生的形变，常见的符合该特性的材料有Ecoflex30固化物、聚氨酯海绵以及聚乙烯醇凝胶等。

请参阅图4，在一个实施方式中，所述柔性介质层是将柔性多孔泡沫材料浸泡在预设溶液中，预设溶液填充柔性多孔泡沫材料的孔隙后进行恒温干燥得到的。所述预设溶液可以是钛酸铜钙溶液或PEDOT:PSS水溶液，为了避免平行板电容被击穿的问题，该柔性介质层上下表面以快速固化硅橡胶为原料、使用棒料涂敷法形成一层微米级绝缘薄膜，该快速固化硅橡胶可以是Ecoflex35溶液。

在一个实施方式中，所述第一电极层及所述第二电极层使用焊接法或者导电银浆引出导线，以接入电路板。所述第一电极层及所述第二电极层是采用导电织物制备而成的，不仅有良好的导电性能，还具有轻薄、易裁剪、高柔性等特点，提高了人体表面的粘附性。

在一个实施方式中，该柔性绝缘层通过配置PDMS溶液在预制模具中固化成型，下表面预留两个凹槽，用于固定该肌电电极层。所述柔性绝缘层的厚度为1-2mm，弹性模量约为10MPa以上，优选地弹性模量为20MPa，形状与柔性介质层统一，为长条形，远大于肌电电极层的弹性模量，以保证肌肉形变信号的准确性，通过自身绝缘特性解耦肌肉形变信号以及肌电信号，提高双模信号传感的信噪比。以上结构的柔性绝缘层能够良好的固定肌电电极层的同时保证肌肉形变所产生的压缩变形基本由该柔性介质层承担，减少肌电电极层在垂直皮肤表面方向的形变，真实反馈运动过程中肌肉纤维中产生的动作电位。

在一个实施方式中，请参阅图5，所述肌电电极层以柔性材料掺杂导电填料为原料、使用沉积成型法固化形成，优选的，该柔性材料使用PMDS溶液或者Ecoflex30溶液，导电填料使用碳纳米管或者银纳米线，将配置好均匀混合的溶液倒入该柔性绝缘层的预留凹槽中，固化后得到该肌电电极层，减小肌电电极层采集肌电信号时垂直皮肤表面方向形变以降低双模信号耦合，保证采集肌电信号的安全性、稳定性以及准确性。同时，上述材料制备得到的肌电电极和皮肤只有具有良好的接触阻抗，并且具有较高的皮肤共形性和生物相容性，能够提高肌电信号检测的稳定性与可靠性。

该肌电电极层的厚度为0.5-0.8mm，弹性模量小于等于100KPa，表面电阻小于20Ω/sq，皮肤接触阻抗在100Hz频率测试条件下小于100KΩ，应变率大于30％时表面电阻变化小于5％。优选地，该肌电电极层的弹性模量为100KPa，表面电阻为10Ω/sq，皮肤接触阻抗在100Hz频率测试条件下为80KΩ，应变率为50％，该种结构能够很好的贴附肌肉延申方向，从而提高肌电信号检测的准确性。

带有该肌电电极层的该柔性绝缘层通过硅胶粘接剂与该第二电极层连接，该种结构能够保证肌肉形变信号向上传输至该柔性介质层，并且保证该肌电电极层与皮肤间保持良好的共性接触，减少运动伪影的产生。

请参阅图6，本发明还提供了一种如上所述的采集双模信号的柔性电极的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：

S1：将柔性多孔泡沫材料放入预设溶液中浸泡，并使用超声容器进行充分振荡。

优选的，该柔性多孔泡沫材料为聚氨酯海绵，预设溶液为钛酸铜钙溶液或PEDOT:PSS水溶液，振荡时长为40min。

S2：取出柔性多孔泡沫材料，在恒温干燥箱中静置1小时，得到柔性介质层。

优选的，柔性介质层的厚度为3-5mm，弹性模量为80KPa，形状为长条形，能够较好地贴附在肌腹表面。

S3：在柔性介质层上下表面涂敷Ecoflex35溶液，以形成柔性绝缘层，并贴附第一电极层以及第二电极层。

优选的，使用棒料涂敷法涂敷Ecoflex35溶液，保证所形成的绝缘表面具有充分的柔性和尽可能防止介电常数的减小，并且能够保证所形成的平行板电容在采集肌肉形变信号时不被击穿。

优选的，该第一电极层以及第二电极层材料使用导电织物剪裁而成，具备良好的导电性能的同时，能够保证整体尺寸轻薄且和人体表面具有良好的贴合性。

S4：配置PDMS溶液倒入预制模具中，固化后形成柔性绝缘层。

优选的，预制模具使用3D打印工艺制造，减少加工难度。

优选的，所配置的PDMS溶液本体与催化剂的质量比为10：1，保证固化后的弹性模量为20MPa，远大于肌电电极层，从而肌肉形变信号向上传输时，减少肌电电极层在垂直皮肤表面方向的形变，提高肌电信号的稳定性与准确性。

优选的，该柔性绝缘层下表面预留凹槽，用于固化成型肌电电极层。

S5：配置Eclflex30溶液，掺杂导电填料，倒入柔性绝缘层凹槽中，等待固化后形成肌电电极层。

优选的，导电填料使用碳纳米管或银纳米线，导电填料在Ecoflex30溶液中的质量分数为4-8wt％，例如4.5wt％、5wt％、6wt％或8wt％，使用该种材料的肌电电极层具有良好的皮肤接触阻抗，保证肌电信号采集时的准确性与稳定性。

优选的，肌电电极层的厚度为0.5-0.8mm，形状为窄条形，间距为2-3cm，弹性模量为100KPa，表面电阻为10Ω/sq，皮肤接触阻抗在100Hz频率测试条件下为80KΩ，应变率为50％，以保证良好的贴合肌肉延申方向。

优选的，肌电电极层固化时的温度为40-80摄氏度，时间为20-60分钟。

S6：使用硅胶粘接剂连接柔性绝缘层与第二电极层，得到柔性电极本体。

优选的，采用该种结构的柔性电极能够将稳定采集肌电信号的同时，将肌肉形变信号完整的向上传输至柔性介质层，在具有良好的柔性的同时，也具有优异的生物相容性，长时间信号采集时，避免对皮肤造成伤害。

本发明还提供了一种如上所述的采集双模信号的柔性电极在可穿戴设备中的应用。

综上所述，本发明的该柔性电极首先使用了分层结构同时采集肌肉形变信号以及肌电信号，肌电电极层与皮肤间的接触阻抗较低，且具有良好的柔性以及生物相容性，保证采集肌电信号时与皮肤间良好的共形接触，且柔性介质层采用柔性多空泡沫材料浸泡导电溶液制备，具有高介电常数和低弹性模量，同时使用柔性绝缘层隔离上下电极，防止采集肌肉形变信号时，平行板电容被击穿而导致信号失真。使用该种结构的柔性电极同时采集肌肉形变及肌电信号时，能够良好的贴合皮肤表面，减少运动伪影的产生，降低双模信号之间的干扰，从而实现人体运动时肌肉多源信息的采集。

其次，在第一电极层的顶部用于承载底部带有绝缘底座的采集电路板，通过此种方式连接柔性电极本体与采集电路板能够减少引出导线的长度，不仅能够降低寄生电容还能减少运动伪影，从而保证人体运动肌肉信号采集的稳定性与准确性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采集双模信号的柔性电极，该柔性电极用于同时采集肌肉形变及肌电信号，其特征在于：

所述柔性电极包括第一电极层、绝缘薄膜、柔性介质层、第二电极层、柔性绝缘层及肌电电极层，所述柔性介质层相背的两表面分别设置有所述绝缘薄膜，两个所述绝缘薄膜远离所述柔性介质层的表面分别设置所述第一电极层及所述第二电极层；所述柔性绝缘层设置在所述第二电极层远离所述绝缘薄膜的表面上；所述肌电电极层设置在所述柔性绝缘层远离所述第二电极层的一侧。

2.如权利要求1所述的采集双模信号的柔性电极，其特征在于：所述柔性绝缘层开设有凹槽，所述凹槽用于固定所述肌电电极层。

3.如权利要求2所述的采集双模信号的柔性电极，其特征在于：所述凹槽的数量与所述肌电电极层的数量均为两个，两个所述凹槽分别用于固定两个所述肌电电极层；所述肌电电极层是采用柔性基底材料混合导电材料制备而成的。

4.如权利要求1-3任一项所述的采集双模信号的柔性电极，其特征在于：所述柔性介质层是将柔性多孔泡沫材料浸泡在预设溶液中，预设溶液填充柔性多孔泡沫材料的孔隙后进行恒温干燥得到的。

5.如权利要求4所述的采集双模信号的柔性电极，其特征在于：所述多孔柔性材料由柔性多孔材料掺杂导电材料组成。

6.如权利要求1-3任一项所述的采集双模信号的柔性电极，其特征在于：该柔性绝缘层的弹性模量大于所述肌电电极层的弹性模量。

7.如权利要求5所述的采集双模信号的柔性电极，其特征在于：所述柔性绝缘层的厚度为1-2mm，弹性模量大于10MPa。

8.一种权利要求1-7任一项所述的采集双模信号的柔性电极的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：

(1)将柔性多孔泡沫材料放入预设溶液中浸泡后进行恒温干燥以得到柔性介质层；

(2)在柔性介质层相背的两个表面分别制备绝缘薄膜，并分别在两个绝缘薄膜上贴附第一电极层及第二电极层；

(3)通过模具制备柔性绝缘层，再将Eclflex30溶液掺杂导电填料后倒入所述柔性绝缘层的凹槽内以得到肌电电极层；

(4)将柔性绝缘层设置在所述第二电极层上，进而得到所述柔性电极。

9.如权利要求1所述的采集双模信号的柔性电极的制备方法，其特征在于：还包括将电路板设置在所述第一电极层远离所述绝缘薄膜的表面上的步骤；所述柔性多孔泡沫材料为聚氨酯海绵，预设溶液为钛酸铜钙溶液或PEDOT:PSS水溶液；PDMS溶液本体与催化剂的质量比为10：1。

10.一种权利要求1-7任一项所述的采集双模信号的柔性电极在可穿戴设备中的应用。

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