一种半柔性金属干式生物医用电极及其制造方法与流程

本发明涉及生物医用电极，尤其是涉及一种半柔性金属干式生物医用电极及其制造方法。

背景技术：

生物电是生物生命活动中器官和组织产生的电位和极性变化。它是生命活动中很重要的一类物理化学变化，是生物活体组织的一个基本特征。在现代医学的研究中，很重视生物电的采集和测量，而电极系统作为生物电采集系统的最前端，与人体皮肤直接接触作用，影响着整个测量系统的精度和稳定性。

目前的生物电采集设备一般使用湿式凝胶电极和金属板式电极：湿式凝胶电极因其噪声小、测量精度高的特点，被广泛应用于心电和脑电等医学检测和科学研究中；金属板式电极测量的信号精度虽不及湿式凝胶电极，但因使用方便，能长时间重复使用而被应用于便携式设备当中。但以上两种电极也各有不足，湿式凝胶电极在测量之前，必须对测量部位进行去除角质层处理，之后还需要涂抹导电凝胶，以达到降低阻抗的目的。这种方法采集生物电因为需要大量的时间用于准备工作，所以很难在日常生活中普及。其次，导电凝胶的性能也会随着采集时间的变化而变化，导致采集到的生物电信号出现失真，影响采集质量。最后，导电凝胶还可能会引起皮肤的过敏反应，使被测对象产生不适。干式电极的测量精度极易受到来自于运动和汗液的干扰，而在便携式设备的使用环境又无法避免这两种干扰，因此测量到的噪声很大，信号精度不高。

随着近几年微电子技术、微纳科学技术和光电子技术的发展，干电极生物电采集技术展现出良好的发展前景。干电极生物电测量技术克服了湿电极需要除去角质层和涂抹导电胶的弊端，其采用干电极表面的微针刺破皮肤表面具有高阻抗的角质层，以获得更小的接触阻抗和更加稳定的测量性能。目前研究的微针型电极常采用了硅、金属等材料，因此大多数都是刚性结构，导致了在使用过程中，电极不能完全地与皮肤贴合，而且还会引起人体不适。虽有一些柔性生物电极，但因其使用方法也会造成人体不适。例如：秦歌等人公开了一种植入式柔性生物电极及其制造方法(CN103446665A[P].2013.)，这种电极植入人体腿部的腓神经元附近，此会造成某些人群的不适。王乘风公开一种新型的柔性一次性医用电极(CN101658418A[P].2010.)，这种电极具有低阻抗低噪音等优点，且可改善皮肤过敏现象，但其不能重复使用。因此，制造出一种半柔性金属干式生物医用电极，对提高生物电的采集和测量精度具有重要作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对生物电采集与测量过程中，湿式凝胶电极无法长期使用和一些微针式电极与皮肤贴合不紧密等问题，提供具有柔性基底和刚性微针的一种半柔性金属干式生物医用电极及其制造方法。

所述半柔性金属干式生物医用电极设有柔性基底、刚性微针、医用胶布和屏蔽导线；所述刚性微针与柔性基底连接；所述医用胶布贴合在柔性基底后；所述屏蔽导线穿过医用胶布并与柔性基底相连。

所述屏蔽导线与柔性基底的连接方式可以是嵌入或粘接，但必须保证其连接紧密。

所述半柔性金属干式生物医用电极的制造方法包括以下步骤：

1)由激光加工刚性微针；

在步骤1)中，所述由激光加工刚性微针的具体方法可为：选用厚度为1.0～1.5mm的金属片作为微针的材料，将金属片夹紧在加工平台上，加工过程中激光聚焦在金属片的表面上，被照射的材料会被熔化或汽化，经过重铸过程后，形成一片表面具有微针阵列的金属芯；采用稀盐酸除去氧化层和杂质，再用无水乙醇清洗后，在金属芯上电镀Ag/AgCl镀层；将微针阵列从金属芯上分离，即得到刚性微针；所述激光加工的功率必须高于使对应加工金属液化的阈值并低于使其汽化的阈值，否则不会在金属表面产生具有针尖形状的结构，在采用微秒脉冲激光器的情况下，一般选用30W的输出功率和1000mm/s的扫描速度；所述激光加工的深度必须略小于金属片的高度，并保证激光加工过程中，阵列中的微针不会分离；所述电镀Ag/AgCl镀层的厚度可为5～10μm，要求镀层结构紧实，不易脱落；所述将微针阵列从金属芯上分离可采用机械式分离或化学腐蚀使钢性微针从金属芯上分离，分离后得到的刚性微针的高度必须大于1mm，钢性微针顶端的半径需小于50μm。

2)加工柔性基底，所述柔性基底为混合有导电颗粒的PDMS；

在步骤2)中，所述加工柔性基底的具体方法可为：将导电颗粒、PDMS的主剂和固化剂以质量比10︰10︰1混合，搅拌均匀后放入真空箱，使气泡分离；所述柔性基底可采用高分子有机物作为基底材料；所述柔性基底可采用0.1～0.2mm的金属薄片作为基底材料，所述金属薄片上可采用激光打出直径略小于刚性微针的通孔，所述刚性微针的顶端穿过小孔，刚性微针底部和孔壁相连；通过挤压、钎焊、电阻焊等方式将刚性微针和金属薄片连接；所述导电颗粒可采用石墨粉末或金属粉末，但所使用的粉末必须对人体无毒无害。

3)将步骤1)所得的刚性微针放入模具中，并倒入混合有导电颗粒的PDMS，再烘烤，即得半柔性金属干式生物医用电极。

在步骤3)中，所述烘烤可在烘箱中80℃下烘烤1h；所述刚性微针与柔性基底的结合方式还可以是嵌入、粘合、焊接等；对柔性基底和刚性微针的结合体喷涂或溅射一层导电金属层，所述半柔性金属干式生物医用电极为干式电极，会因为使用过程中的弯折，导致表面镀层的局部断裂和分离，从而使阻抗增大；所述刚性微针与柔性基底的结合体中，刚性微针的针尖必须露出柔性基底，且高度必须大于300μm，刚性微针嵌入柔性基底的深度在500μm以上；所述烘烤可以根据需要柔性基底的硬度来修改烘烤温度和时间。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

本发明结合了刚性的微针和柔性的基底，制作出一种新型的生物医用电极。该种电极一方面具有柔性电极的特点，能够很好的贴合皮肤，减少人体不适；另一方面又结合了微针电极，阻抗小、信号精确的特点。此外还具有可重复使用、适应人群广、稳定性好的优点。这种生物电极在推进干式电极测量生物电的领域上将发挥重要作用。

附图说明

图1为本发明所述半柔性金属干式生物医用电极的制造模具图。

图2为本发明所述半柔性金属干式生物医用电极的原始刚性基底电极片示意图。

图3为本发明所述半柔性金属干式生物医用电极片的获取过程示意图。

图4为本发明所述半柔性金属干式生物医用电极的结构分解示意图。

图5为本发明所述半柔性金属干式生物医用电极的结构示意图。

具体实施方式

下面就本发明的具体实施方法作进一步的说明。

以下给出实施例：

制造工艺方法包括以下步骤：

第一步：利用激光加工得到刚性微针；选用厚度为1.0～1.5mm的金属薄片作为微针的材料，将金属片夹紧在加工平台上，加工过程中激光聚焦在金属片的表面上，被照射的材料会被熔化或汽化，经过重铸过程后，会形成一片表面具有微针阵列的金属芯。

第二步：清洗、电镀；采用稀盐酸除去氧化层和杂质，再用无水乙醇清洗后，在金属芯上电镀Ag/AgCl镀层。

第三步：获得所需刚性微针；将第二步中的刚性微针阵列放入图1模具1中，后利用化学腐蚀使微针从金属芯上分离。即得到所需刚性微针。

第四步：柔性基底与刚性微针的结合；所采用的柔性基底为混合有导电颗粒的PDMS：将导电颗粒，PDMS的主剂和固化剂以10︰10︰1的比例混合，搅拌均匀后放入真空箱使其中的气泡分离。将所述刚性微针放入模具中，并倒入混合有导电颗粒的PDMS，最后放入烘箱，在80摄氏度的环境下烘烤1h。经以上步骤后，即得到柔性基底和刚性微针的结合体。

第五步：焊接导线；采用钎焊的方法将柔性基底电极片与导线连接起来，需保证焊接良好不虚焊，以使其有良好的接触性防止脱落。

第六步：装配；将导线穿过医用胶带，并将电极片背面粘贴在医用胶布内表面，完成生物医用电极的装配，获得一种具有柔性基底和刚性微针结构的生物医用电极。

本发明所述半柔性金属干式生物医用电极的原始刚性基底电极片示意图参见图2，在图2中，标记2为原始刚性基底电极片，本发明所述半柔性金属干式生物医用电极片的获取过程示意图参见图3。

如图4和5所示，所述半柔性金属干式生物医用电极实施例由电极片3、医用胶布4、导线5三部分组成，所述电极片3粘贴在医用胶布4的内表面，导线5从医用胶布4中穿过并与电极片3相连。在图4中标记6为刚性微针，7为柔性基底，8为导电银胶。

利用此方法制造的具有柔性基底和刚性微针结构的生物医用电极，具有柔性电极的特点，能够很好的贴合皮肤，减少人体不适；另一方面又结合了微针电极，阻抗小、信号精确的特点。此外还具有可重复使用、适应人群广、稳定性好的优点。