一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极及其制备方法，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。本发明专利技术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。

Flexible stretchable multi-channel convex surface muscle electrode and preparation method thereof

The invention discloses a flexible stretchable multi-channel convex surface muscle electrode and a preparation method thereof. The structure of the multi-channel convex surface muscle electrode mainly comprises an array-type measuring electrode, a cylindrical gasket implanted under the electrode to protrude the measuring electrode, and a substrate, an interconnected wire and a package with a network structure distribution. Layer. The electrode structure designed by the invention has good flexibility and ductility, and can be adapted to and perfectly adhered to the skin surface of a complex surface. Especially when the electrode is designed with convex structure, the sensing electrode is easier to contact the human skin closely because it is higher than the surrounding encapsulation layer, which can effectively improve the stability and quality of EMG signals. The multi-channel convex surface muscle electrode is portable, wearable and reusable, and it can measure the electromyography signal with sufficient spatial resolution and sufficient accuracy without any need of medical conductive gel for a long time.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极及其制备方法
本专利技术涉及一种阵列式柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极及其制备方法，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极及制备方法，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，本专利技术可解决的问题包括但不限于：(1)凸形电极设计，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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器件整体呈网状，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，本专利技术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，本专利技术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本专利技术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本专利技术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本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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。本专利技术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的间距为本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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。

【技术特征摘要】
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，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。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，所述的电极(1)采用生物兼容的导电材料，包括金、银、氯化银或石墨烯。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，所述的衬底(3)及封装层(4)采用聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成军，宋吉舟，陈伟球，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33