新型无源柔性光学电极的制作方法

本发明涉及应用于人体表面生物电检测的和微弱低频脑电信号的检测领域，特别是涉及一种基于电光效应、可用于脑电检测的无源柔性光学电极。

背景技术：

脑电是人体内部神经细胞活动的外在表现形式，并作为一种最基本的生理现象之一，在医学临床诊断、疾病预防、脑机接口和人工智能等方面具有重大应用价值和研究意义。脑电属于微弱低频信号，仅只有微伏量级，所以为了提高检测精度，便需要对生物检测电极提出更高的性能指标。

目前常用的生物检测电极有传统的ag/agcl电极、微针电极、柔性衬底电极、泡沫结构电极、纺织柔性电极等。但它们在脑电信号检测中仍存在着不同方面的缺陷，例如：

1)传统的ag/agcl电极由于采用金属作为主体部分，导致其抗干扰能力弱，灵敏度低，且由于导电凝胶的存在，易造成皮肤敏感、不利于长时间脑电检测。

2)微针电极由于穿透到导电表皮区，避免了高阻抗的角质层，从而大大减少接触阻抗，在信号采集上体现了良好的性能，但因制备工艺复杂和不同个体角质层的差异性，不利于推广使用。

3)柔性衬底电极、泡沫结构电极和纺织柔性电极在可穿戴上有良好的应用性能，且稳定性好，但在脑电测量中无法克服毛发引起的干扰问题，影响脑电信号的质量。

另外，传统生物干电极主要应用于电学方法的脑电检测系统，在复杂环境下的脑电检测中存在信号保真度低、抗电磁干扰能力弱和信息特征富裕度有限的问题。

基于光学原理的脑电测量在提高抗干扰性和精度上有巨大的优势，近年来，国外已有利用光学晶体的电光效应进行脑电检测的方法，但在检测过程中会受传统干电极的限制和遇到电光传感兼容性不高的问题，影响高信噪比脑电信号的提取。因此，发明一种应用于光学原理测量脑电的生物电极，以提高电光传感兼容性和灵敏度是必要的。

现有技术中，专利号cn204351823u公开了《生物电采集用干电极》。该专利记载了“采用平板式碗帽获取人体表面生物电，导电通道采用多支腿结构输入到电路板上的缓冲电路，后端用导线与缓冲电路连接。该专利可以有效提高生物电的采集稳定度和可靠性。但在脑电检测中无法克服毛发引起的高阻抗问题，且由于加入了信号缓冲电路，导致复杂环境下脑电测量的信噪比下降，无法满足采集系统前端无源要求。”

专利号cn107411735a公开了《一种生物电信号柔性干式电极及其制备方法》。该专利记载了“电极由电极本体和电联接件组成。电极本体采用柔性复合材料，并制备成三维弧形曲面与皮肤表面贴合，提高了采集信号的稳定性和舒适度，而且电联接件与电极本体采用一体成型工艺一体浇注而成，有效减少了电联接件-电极本体接触阻抗，有利于测量电路的连接。但因整体贴合，在多发区域严重影响了脑电检测的精度，且由于测量过程中需要引线外接电光器件，导致电光传感的兼容性不足。”

技术实现要素：

针对上述在先申请的专利中，电极在生物电采集过程中存在的信噪比低、电光传感灵敏度和兼容性不足的问题，本发明提出了一种新型无源柔性光学电极，整体设计为保证脑电信号在检测传输过程中的稳定传输，让基体、电导联层与光学敏感器件间呈三明治结构。

本发明提出一种新型无源柔性光学电极，由光学敏感器件1、柔性探头2、基体4、电导联层5和过渡层7五部分组成；其中：所述柔性探头2阵列式嵌入基体4中，所述柔性探头2包括自由端和底端，自由端直接与生物体接触，底端穿过过渡层7与电导联层5贴合；所述电导联层5设置于过渡层7的上表面；在所述电导联层5上设置有根据阵列式柔性探头位置形成的电极槽结构，作为与光学敏感器件1的接口。

还包括静电屏蔽层6，所述光学敏感器件1被置放于静电屏蔽层6内。

所述柔性探头2具有由聚砒咯石墨烯涂层3构成的实现离子与电子交换的导电通道。

根据所述柔性探头2与基体4一体成型。

所述电导联层5与基体4之间还设置一过渡层7；所述聚砒咯石墨烯层3穿过所述过渡层7紧紧与所述电导联层5贴合。

可选的，所述柔性探头2的阵列式结构设置为张成一定角度。

可选的，所述柔性探头上2铺设一层壳聚糖。

可选的，所述电极槽结构之间设立导联通道，整体作为一体化设计。

与现有技术相比，本发明有效地降低了头发干扰以及电极与头皮间的接触阻抗，并与光学敏感器件一体化，去除导线引起的噪声干扰和运动伪迹，提高电光传感灵敏度和兼容性，实现基于光学原理的可穿戴长期稳定脑电信号检测。

附图标记

图1为本发明的新型无源柔性光学电极结构示意图；

图2为本发明的新型无源柔性光学电极剖面图；

图3为本发明的新型无源柔性光学电极实物图；

图4为本发明的电导联层和光学敏感器件结构示意图。

1、光学敏感器件，2、柔性探头，3、聚砒咯石墨烯涂层，4、基体，5、电导联层，6、静电屏蔽层，7、过渡层，11、信号输入端口，12、光纤输入端口，13、光纤输出端口，51、电极槽结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。其中，对所述未明确的参数，技术人员均可参照现有技术理解来实现。

如图1和图2所示，本发明的一种新型无源柔性光学电极包括由pdms聚合物制成的柔性探头2；在柔性探头2后端以pdms基体4为支撑位，柔性探头2阵列式地嵌入进基体4直接与金膜形成的电导联层5接触。为增加金膜与基体4的粘附度，可在两者之间加设一层柔性pi聚合物作为过渡层7；同时为增加与金膜的接触面积，减少接触阻抗，聚砒咯石墨烯涂层3紧紧与蒸镀在过渡层7表面的金膜成圆盘式贴合。

由光学敏感器件(1)、柔性探头(2)、基体(4)、电导联层(5)和过渡层(7)五部分组成；其中：所述柔性探头(2)阵列式嵌入基体(4)中，所述柔性探头(2)包括自由端和底端，自由端直接与生物体接触，底端穿过过渡层(7)与电导联层(5)贴合；所述电导联层(5)设置于过渡层(7)的上表面；在所述电导联层(5)上设置有根据阵列式柔性探头位置形成的电极槽结构，作为与光学敏感器件(1)的接口

进一步，在本实施例的新型无源柔性光学电极的结构中，柔性探头直接嵌入基体中，并与基体一体成型，以增加柔性探头的稳固性。所述柔性探头利用聚砒咯石墨烯涂层作为离子与电子交换的导电通道，利用其高导电率和载流子迁移率，极大提高脑电信号采集强度。实施时，作为一种优选，柔性探头采用阵列式结构，并可张成一定角度，以减少密集头发区域带来的阻抗和干扰，提高检测灵活性和舒适度。柔性探头上可选地铺设一层壳聚糖，以便增加与皮肤的水合程度和杀菌的作用。根据本专利发明的一方面，采用柔性材料作为基体层，用于支撑。可选的，上述柔性材料涉及泡沫、pdms聚合物、橡胶、硅胶。优选的，用一层过渡材料涂敷在基体层上，其中过渡材料涉及pi聚合物、tio2/tin2等，以保证制备工艺和增加基体与电导联层的粘附度，提高信号采集稳定性。进一步实施时，根据本发明的另一方面，电导联层可采用mems工艺与相应光学敏感器件一体化成型设计，其中，光学敏感器件具体涉及mems电光器件和其他微调制、换能器结构(光学晶体、光波导结构)。作为一种可选，电导联层涉及普通金属膜(金、银、铜等导电材料)、纳米线与导电聚合物制备的透明柔性电极片结构等。且电导联层可制成电极槽阵列结构，与所述柔性探头阵列结构对应。电极槽之间亦可参考光学敏感器件设立导联通道，以便与不同光学敏感器件一体化集成，提高电光传感兼容性和灵敏度。进一步实施时，电极外表面增加静电保护层，以便静电隔离和装配使用。所述静电保护层优先选用绝缘纺织布、绝缘硅胶、橡胶材料。

如图4所示，本发明中的光学敏感器件以选用一种m-z模型的linbo3电光调制器为例：选择x切y向传播的linbo3基底，金膜采用整体覆盖方式形成导电通道，其上根据阵列式柔性探头位置形成两电极槽结构51，实现与电光调制器的相应信号输入端口11集成，调制器的两侧集成光纤输入12、输出端口13作为调制器载波通道口。

本发明解决了基于光学原理的脑电采集过程中存在的头皮与电极间接触阻抗高、稳定性差、运动伪迹明显和电光传感兼容性和灵敏度不足的问题，有效提高脑电采集的信噪比。

以上实施例是对本发明的具体描述。但需要理解的是，本发明并不局限于上述具体的实施方式，它不带有限制性。本领域的技术人员在本发明的启示下、不脱离本发明宗旨理念的前提下所做出的相应变形，均属于保护范围之内。