用于人体运动信号多重监测的表皮传感器及其制备方法与流程

本发明涉及人体运动监测相关，特别是涉及一种用于人体运动信号多重监测的表皮传感器及其制备方法。

背景技术：

1、在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件被不断开发出来，并在人们的日常生活中的各个领域展现出前所未有的应用前景。随着健康意识的逐渐增强，越来越多的人开始关注自己运动的健康情况。人体运动信号的监测对于科学合理地进行健身和康复训练有着至关重要的意义。而传统的运动监测设备存在着不够灵活、不够舒适，且单一信号采集难以全面检测人体运动状况等问题。为了解决这些问题，开发出多传感原理的可穿戴表皮传感器具有极其重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的以上缺点和不足，提供一种用于人体运动信号多重监测的表皮传感器。

2、一种用于人体运动信号多重监测的表皮传感器，包括多孔弹性体基底、设在所述多孔弹性体基底两端的第一电极和第二电极，所述多孔弹性体基底为多孔洞薄膜状，设有所述第一电极的所述多孔弹性体基底的一半部分沉积有负电性材料，设有所述第二电极的所述多孔弹性体基底的一半部分沉积有正电性材料，所述负电性材料和正电性材料均位于孔洞内，所述第一电极与所述负电性材料形成第一摩擦对，所述第二电极与所述正电性材料形成第二摩擦对；肌肉舒张或收缩时，所述第一电极和第二电极之间产生的电势差用于测量肌电信号，所述负电性材料与所述第一电极之间、所述正电性材料和所述第二电极产生感应电势，感应电势用于测量摩擦电信号。

3、本发明表皮传感器具有两种传感原理，一是通过电极测量肌电信号，二是基于摩擦发电原理测量肌肉运动信号，即摩擦电信号。肌电信号可以区分出肌肉在不同力度下的运动，摩擦电信号则可以区分出不同幅度下肌肉的运动，本发明将两种信号结合起来运用在同一传感器上，可以更加充分地反应出肌肉的运动。同时，本发明表皮传感器整体呈薄膜状，可直接贴附在人体肌肉表面上，相比于其他传感器更为舒适，并且避免了束缚和不透气等问题。

4、在其中一个实施例的实施方式中，所述多孔弹性体基底为长方形，所述多孔弹性体基底为多孔洞海绵状的弹性体。

5、在其中一个实施例的实施方式中，所述弹性体为聚二甲基硅氧烷、氟化硅橡胶、聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物等弹性材料。

6、在其中一个实施例的实施方式中，所述负电性材料可以采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺等容易得到电子材料。

7、在其中一个实施例的实施方式中，所述正电性材料可以采用纳米金颗粒、尼龙或乙基纤维素所述弹性体为聚二甲基硅氧烷、氟化硅橡胶、聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

8、在其中一个实施例的实施方式中，所述表皮传感器的两个短边通过医用胶带或双面胶与皮肤贴在一起。

9、在其中一个实施例的实施方式中，所述第一电极和所述第二电极呈条状，所述第一电极和所述第二电极为柔性可拉伸导电复合材料。

10、在其中一个实施例的实施方式中，所述柔性可拉伸导电复合材料为自碳纤维/聚合物复合材料、导电纤维/弹性材料复合材料、导电聚合物/弹性材料复合材料。

11、在其中一个实施例的实施方式中，肌肉收缩时，产生动作电位并顺着肌肉方向传播，依次经过第一电极和第二电极，使得两个电极之间产生电势差，多个动作电位同时叠加形成的肌电信号的频率在50～150hz的范围内。肌肉运动时，多孔弹性体基底孔洞里的摩擦对在外部力的作用下，接触分离后，负电性材料带负电，正电性材料带正电，这些孔洞共同在第一电极和第二电极处产生感应电势。当肌肉收缩时，负电性材料与第一电极、正电性材料与第二电极的距离减少，感应电势降低；当肌肉舒张时，负电性材料与第一电极、正电性材料与第二电极的距离增大，感应电势增大。这些变化的感应电势即为摩擦电信号，反映了肌肉的运动状态，所述摩擦电信号的频率在10hz以下，所述肌电信号和所述摩擦电信号通过滤波器分离。

12、在其中一个实施例的实施方式中，所述第一电极和所述第二电极处涂抹有导电膏或导电凝胶，设置导电膏或导电凝胶的目的是降低第一电极和第二电极与皮肤的接触阻抗。

13、一种用于人体运动信号多重监测的表皮传感器的制备方法，包括如下步骤：

14、步骤1、取质量分数为5％-15％的聚乙烯醇水溶液，涂布在洁净的玻璃片上，然后将玻璃片置于旋涂机上，以200-500rpm的转速旋涂1-3分钟，之后将玻璃片放置于热板上，75-95℃的条件下加热25-35分钟，得到聚乙烯醇层；

15、步骤2、将掩膜贴在聚乙烯醇层上，然后用刮刀刮取膏状的导电复合材料，使其透过掩膜沉积在聚乙烯醇层上，之后剥离掩膜，得到图案化的导电复合材料层，作为电极；

16、步骤3、将5g液态的弹性体与10g可溶性颗粒混合，涂布在聚乙烯醇层上；

17、步骤4、将玻璃片置于烘箱中，100-130℃的条件下加热1.5-2.5小时，使得弹性体与导电复合材料完全固化；

18、步骤5、将玻璃片放于水中，80-95℃的条件下加热7-10小时，使得弹性体中的可溶性颗粒完全溶解，得到多孔弹性体基底，同时聚乙烯醇层也溶于水中，从玻璃片上剥离获得样品；

19、步骤6、将多孔弹性体基底以长边中点为分界，将其下半部分浸入负电性材料溶液中，浸泡25-40分钟，然后取出放入恒温干燥箱中，以65-85℃的温度加热1.5-2.5h，使得负电性材料溶液中的溶剂初步缓慢蒸发，然后放在热板上，在110-130℃的温度下加热25-40min，以完全去除负电性材料中残留的溶剂；

20、步骤7、将多孔弹性体基底的另一半浸入正电性材料溶液中浸泡25-40分钟，然后取出放入恒温干燥箱中，以65-85℃的温度加热1.5-2.5h，使得正电性材料中的溶剂初步缓慢蒸发，然后放在热板上，在110-130℃的温度下加热25-40min，以完全去除正电性材料中残留的溶剂，传感器制造完成；

21、在其中一个实施例的实施方式中，所述步骤3中，可溶性颗粒为蔗糖颗粒、盐颗粒、碳酸钠颗粒、碳酸氢钠颗粒或柠檬酸颗粒。优选地，可溶性颗粒为蔗糖颗粒。

22、在其中一个实施例的实施方式中，所述步骤6中，负电性材料溶液选择聚四氟乙烯乳液，其中聚四氟乙烯的质量分数为60％。

23、在其中一个实施例的实施方式中，所述步骤7中，正电性材料溶液选择纳米金胶体，其中中纳米金颗粒的含量为0.2mg/ml，纳米金颗粒的粒径小于20nm。

24、当人体运动时，将本发明表皮传感器贴附在人体肌肉表面，肌电信号和摩擦电信号共同作用可以在电极中形成交流脉冲信号输出，并且不同运动状态下肌肉的力度不同、肌肉运动的幅度不同，所测得的信号幅值不同，从而可以区分肌肉力的大小和运动幅度大小，进而更加全面地监测出肌肉的运动。与现有技术相比，本发明提供表皮传感器具备以下有益效果：

25、1、多功能化，相比于传统的传感器单一信号采集难以全面检测人体运动状况，本发明表皮传感器能将多种信号进行分析、加权和集成，能够获得更全面、准确的人体运动信号；

26、2、可穿戴性好，本发明中表皮传感器采用柔性材料制成，呈薄膜状，与人体皮肤能够实现良好的贴合，并且将传感器由人体手部转移到人体特定前臂肌肉处，解除了其对人体手部正常活动的限制，并且所采用的多孔弹性体基底具有良好的柔性和透气性，因此本发明表皮传感器具备良好的可穿戴性和舒适性；

27、3、非侵入性，与其他监测方法相比，表皮传感器不需要穿透皮肤或进入人体内部，无需进行手术操作，可以减少感染和疼痛等副作用；

28、4、灵敏度高。本发明表皮传感器精度高，可以准确监测到人体的微弱肌肉运动信号。