用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极及其制备方法

1.本发明属于mems传感器技术领域：：，具体涉及一种用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极及其制备方法，该芯片是通过mems微加工和微组装技术在su‑8衬底和pdms衬底上实现心电(ecg)电极的制备与集成。背景技术：：：2.如今，尽管可穿戴柔性ecg传感器已经实现了小型化和无线传输，日常ecg记录系统的使用依然受到湿电极带给患者的不舒适和使用不便的限制，这就对具有高性能和良好生物相容性的ecg电极提出了新的要求。标准的用于ecg信号检测的商用ag/agcl电极主要通过导电胶来维持电极和皮肤之间良好的导电性。然而，这种导电胶会随着时间的增加而变得干燥，进而导致电极‑组织界面阻抗的变化以及信号质量的急剧降低。另外，这种导电胶还会刺激患者皮肤，从而引起患者过度的不适。此外，汗液是导致湿电极信号变差的另外一个因素。以上这些问题使得传统的ag/agcl电极不适合用于心血管疾病监测中例行的以及重复的ecg记录。因此，亟需研发一种能够实现24小时不间断心电监测的可穿戴柔性ecg干电极，解决心血管疾病监测中对于高信噪比和高稳定性ecg信号采集的需求。3.日本大阪府立大学的yukiyamamoto等人在论文“efficientskintemperaturesensorandstablegel‑lessstickyecgsensorforawearableflexiblehealthcarepatch”中提出一种基于碳纳米管(cnt)和聚乙氧基乙烯亚胺(peie)掺杂pdms复合材料的黏性ecg传感器。该复合材料中，cnt主要提高ecg电极的导电特性，peie主要提高ecg电极与皮肤的贴附特性。尽管通过调控复合材料中cnt和peie的浓度可以提高记录ecg信号的质量，但这种ecg电极的性能还是会受到汗液以及运动状态的影响。韩国嘉泉大学的afraiztariqsatti等人在论文“fabricationofparylene‑coatedmicroneedlearrayelectrodeforwearableecgdevice”中提出了一种基于su‑8微针阵列的ecg传感器，通过穿刺皮肤角质层的方式来降低电极‑组织的界面阻抗，实现了运动心电监测以及长期心电监测。然而，这种基于不锈钢的su‑8微针阵列的生物相容性还未得到验证，因此还不适合在人体上应用。技术实现要素：4.本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，利用mems微加工技术在su‑8表面形成中空su‑8微针阵列，采用溅射和电镀在su‑8微针表面形成金属与导电聚合物构成的接触电极点，结合物理穿刺、电化学修饰和电解液释放实现低接触阻抗ecg电极的制备。5.本发明一种用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极，包括电极部、柔性衬底和金属焊盘。电极部包括su‑8微针和支撑层。所述的su‑8微针和支撑层的材质为su‑8或pi。支撑层上设置电极位；电极位上设置有多根呈锥形的su‑8微针。su‑8微针上设置有贯穿su‑8微针和支撑层的流体孔道。支撑层上设置有金属焊盘。支撑层上沉积有金属层。金属层覆盖各su‑8微针，并在支撑层形成连接电极位与金属焊盘的导线。各su‑8微针的表面设置有导电聚合物。支撑层贴合在pdms柔性衬底上。pdms柔性衬底中设置有流体腔室。流体腔室内存储有电解液，并与su‑8微针上的流体孔道连通。6.作为优选，所述的su‑8微针通过在支撑层上进行背面曝光得到的。支撑层和pdms柔性衬底是通过对表面进行等离子体处理后热压键合在一起的。su‑8微针的表面通过电化学沉积电镀上一层导电聚合物；导电聚合物的材质为pedot:pss。7.作为优选，电极位呈直径0.5‑2厘米的圆形；所述的su‑8微针呈锥形，且底部直径为100‑500微米，高度为50‑700微米。su‑8微针内的流体孔道的直径为10‑100微米。支撑层的厚度为5‑100微米，pdms柔性衬底的厚度为0.1‑2毫米。8.作为优选，在使用过程中，凸起的su‑8微针穿过角质层进入真皮，通过物理穿刺降低电极‑皮肤的界面阻抗。pdms柔性衬底内部的流体腔室通过su‑8微针上的流体孔道向皮肤释放电解液，使得su‑8微针上的导电聚合物通过离子和空穴进行导电，降低电极‑皮肤的界面阻抗。9.作为优选，所述的导电聚合物的材质为pedot:pss，通过电化学沉积的方式电镀在su‑8微针上。10.作为优选，所述支撑层的材质为su‑8；所述支撑层与pdms柔性衬底通过对表面进行等离子体处理后热压键合在一起。11.作为优选，所述支撑层的材质为pi；所述支撑层与pdms柔性衬底通过硅胶粘贴在一起。12.在所述支撑层的材质为su‑8的情况下，该用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极的制备方法，具体如下：13.1)在石英玻璃片上旋涂pmma并加热固化为牺牲层。14.2)在牺牲层上旋涂su‑8光刻胶并进行光刻图形化，形成su‑8支撑层。15.3)在su‑8支撑层上沉积一层金属并进行图形化，形成不透光的金属掩模。16.4)在沉积金属的su‑8支撑层上再次旋涂一层su‑8光刻胶，并从石英玻璃片背面进行背面曝光。17.5)在su‑8支撑层上沉积一层金属并进行光刻图形化，形成su‑8微针、导线和金属焊盘结构。18.6)在石英玻璃片正面粘贴一层水溶性胶带，利用水溶性胶带将电极部从石英玻璃片上释放下来。19.7)在另一块未使用的石英玻璃片上旋涂一层su‑8光刻胶并进行光刻图形化，形成pdms的倒模结构。20.8)在倒模结构的表面沉积一层parylenec作为pdms的脱模剂。21.9)在石英玻璃正面旋涂一层pdms前驱体并加热固化，形成流体腔室结构。22.10)将固化后的pdms柔性衬底从倒模结构上释放下来，并将其开口朝上键合到另一块未使用的石英玻璃片上。23.11)用氧等离子体分别处理pdms柔性衬底和su‑8支撑层的表面，随后将pdms柔性衬底和su‑8支撑层贴合在一起，通过加压和加热实现键合。24.12)将键合好的柔性可穿戴心电极从石英玻璃片上揭下来，然后放进去离子水中溶解掉水溶性胶带实现释放。25.在所述支撑层的材质为pi的情况下，该用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极的制备方法，具体如下：26.1)在石英玻璃片上旋涂pmma并加热固化为牺牲层。27.2)在牺牲层上旋涂pi光刻胶并进行光刻图形化，形成pi支撑层。28.3)在pi支撑层上沉积一层金属并进行图形化，形成不透光的金属掩模。29.4)在沉积金属的pi支撑层上再次旋涂一层su‑8光刻胶，并从石英玻璃片背面进行背面曝光。30.5)在pi支撑层上沉积一层金属并进行光刻图形化，形成su‑8微针、导线和金属焊盘结构。31.6)在石英玻璃片正面粘贴一层水溶性胶带，利用水溶性胶带将电极部从石英玻璃片上释放下来。32.7)在另一块未使用的石英玻璃片上旋涂一层su‑8光刻胶并进行光刻图形化，形成pdms的倒模结构。33.8)在倒模结构的表面沉积一层parylenec作为pdms的脱模剂。34.9)在石英玻璃正面旋涂一层pdms前驱体并加热固化，形成流体腔室结构。35.10)将固化后的pdms柔性衬底从倒模结构上释放下来，并将其开口朝上键合到另一块未使用的石英玻璃片上。36.11)在pdms柔性衬底的上表面涂敷一层硅胶，随后将pi支撑层粘贴在pdms柔性衬底上；37.12)将键合好的柔性可穿戴心电极从石英玻璃片上揭下来，然后放进去离子水中溶解掉水溶性胶带实现释放。38.本发明具有的有益效果是：39.1、本发明使用su‑8或pi的背面曝光工艺实现中空su‑8微针结构的制备，通过su‑8微针可以实现ecg电极穿刺角质层并释放电解液，从而降低ecg电极与皮肤的接触阻抗。40.2、本发明使用电化学沉积实现su‑8微针表面改性，通过导电聚合物改性可以实现ecg电极与皮肤之间通过空穴和离子进行导电，从而降低ecg电极与皮肤的接触阻抗。41.3、本发明使用pdms作为ecg电极的支撑材料，通过降低杨氏模量可以提高ecg电极的保形贴附性和生物相容性，从而提高ecg电极与皮肤的接触稳定性。附图说明42.图1为本发明中ecg电极的整体结构示意图；43.图2为本发明中ecg电极部和pdms柔性衬底的结构示意图；44.图3为本发明中ecg电极部表面修饰导电聚合物后的效果图；45.图4为本发明中ecg电极的制备工艺流程图。具体实施方式46.以下结合附图对本发明作进一步说明。47.实施例148.如图1所示，一种用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极，包括共同构成心电极结构的电极部1、pdms柔性衬底2和金属焊盘3。49.如图2所示，电极部1由中空的su‑8微针1‑1和底层的su‑8支撑层1‑2构成。su‑8支撑层1‑2上设置三个电极位；每个电极位上均设置有均匀排布的多根呈锥形的su‑8微针1‑1。每根su‑8微针1‑1上均设置有贯穿su‑8微针1‑1和su‑8支撑层1‑2的流体孔道。50.su‑8支撑层1‑2上设置有三个金属焊盘3。su‑8支撑层1‑2上沉积有金属层。金属层覆盖各su‑8微针1‑1，并在su‑8支撑层1‑2形成多条导线。三个电极位上的su‑8微针1‑1的金属层与三个金属焊盘3分别通过对应的导线电连接，形成导电通路。51.如图3所示，各su‑8微针1‑1的表面通过电化学沉积的方式电镀有一层导电聚合物(具体为pedot:pss)。pedot:pss是一种具有赝电容特性的导电聚合物，在有电解液的情况下，它同时具有空穴导电和离子导电的特性。52.su‑8支撑层1‑2贴合在pdms柔性衬底2上。pdms柔性衬底2由中空的流体腔室2‑1和外围的pdms支撑层2‑2构成。pdms柔性衬底2上设置有与电极位数量对应的多个流体腔室2‑1。su‑8支撑层1‑2与pdms柔性衬底2通过对表面进行等离子体处理后热压键合在一起。流体腔室2‑1均与对应的电极位对齐，并与对应的电极部1上的各流体孔道连通。流体腔室2‑1中存储的电解液能够通过su‑8微针1‑1上的流体孔道释放。此外，也可以仅设置一个流体腔室2‑1；且流体腔室2‑1与三个电极位均连接。53.流体腔室2‑1内装有电解液。该柔性可穿戴心电极在使用过程中，电解液能够通过su‑8微针1‑1上的流体孔道渗出；在提供心电信号采集所需环境的同时，不需要涂抹导电胶，也不会产生大面积的湿润区域，从而使得心电采集的过程更加舒适。54.该用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极的具体制备步骤如下：55.1)在石英玻璃片上旋涂pmma并加热固化，固化条件为110℃加热5分钟，150℃加热5分钟，180℃加热10分钟。此步工艺形成ecg电极的牺牲层。56.2)在pmma牺牲层上旋涂一层10微米厚的su‑8(gm1060)光刻胶，静置5分钟后进行前烘，前烘温度为65℃烘3分钟，95℃烘30分钟。前烘完成后进行曝光，曝光剂量为400mj/cm2。接着，进行后烘，后烘温度为65℃烘5分钟，95℃烘20分钟。静置10分钟后放入pgmea(丙二醇甲醚乙酸酯)中显影4.5分钟。完成显影后，进行硬烘；硬烘温度为135℃，硬烘时间为2小时。此步工艺形成ecg电极的su‑8支撑层1‑2。57.3)在su‑8支撑层上先后沉积一层金属cr和金属au，厚度分别为20纳米和200纳米。然后在su‑8支撑层上旋涂5微米厚的正胶并进行光刻图形化，形成金属层的光刻胶掩模。接着，采用湿法刻蚀技术分别将金属au和金属cr图形化。此步工艺形成中空su‑8微针的背面曝光掩模。58.4)在沉积金属后的su‑8支撑层上再次旋涂一层50微米厚的su‑8(gm1060)光刻胶，静置15分钟后进行前烘，前烘温度为65℃烘15分钟，95℃烘60分钟。前烘完成后进行背面曝光，曝光剂量为650mj/cm2。接着进行后烘，后烘温度为65℃烘10分钟，95℃烘30分钟。静置10分钟后放入pgmea中显影4分钟。完成显影后，进行硬烘，硬烘温度为135℃，硬烘时间为2小时。此步工艺形成具有中空微孔的su‑8微针1‑1。59.5)在带su‑8微针的su‑8支撑层1‑2上先后沉积一层金属cr和金属au，厚度分别为20纳米和200纳米。然后在金属层上旋涂5微米厚的正胶并进行光刻图形化，形成金属层的光刻胶掩模。接着，采用湿法刻蚀技术分别将金属au和金属cr图形化。此步工艺形成ecg电极的电极部1、导线和焊盘结构。60.6)石英玻璃片正面粘贴一层水溶性胶带，利用水溶性胶带将ecg电极的电极部1从石英玻璃片上释放下来。61.7)另取一块石英玻璃片，在其上旋涂一层50微米厚的su‑8(gm1060)光刻胶，静置15分钟后进行前烘，前烘温度为65℃烘15分钟，95℃烘60分钟。前烘完成后进行背面曝光，曝光剂量为650mj/cm2。接着进行后烘，后烘温度为65℃烘10分钟，95℃烘30分钟。静置10分钟后放入pgmea中显影4分钟。完成显影后，进行硬烘，温度为135℃，时间为2小时。此步工艺形成流体腔室的pdms的su‑8倒模结构。62.8)在su‑8倒模的表面使用化学气相沉积系统沉积一层5微米厚的parylenec作为pdms的脱模剂。63.9)在石英玻璃片(即su‑8倒模)的正面旋涂一层500微米厚的pdms前驱体，并在60℃烘箱中加热4小时进行固化。此步工艺形成带有流体腔室2‑1的pdms柔性衬底2结构。64.10)将固化后的pdms柔性衬底2从su‑8倒模上释放下来，随后使用氧等离子体对dms柔性衬底2的表面进行钝化处理，最后将其以流体腔室2‑1开口朝上的姿态键合到另一块未使用的石英玻璃片上。65.11)用氧等离子体分别处理pdms柔性衬底2和su‑8形成的电极部1的表面，随后将pdms柔性衬底2的pdms支撑层和电极部1的su‑8支撑层贴合在一起，通过加压和加热实现键合，形成用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极。66.12)将键合好的柔性可穿戴心电极从石英玻璃片上揭下来，然后放进去离子水中溶解掉水溶性胶带实现释放。67.实施例268.一种用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极，本实施例与实施例1的区别在于：su‑8支撑层1‑2替换为pi支撑层。69.一种用于心血管疾病监测的柔性可穿戴心电极的具体制备步骤如下：70.1)在石英玻璃片上旋涂pmma并加热固化，固化条件为110℃加热5分钟，150℃加热5分钟，180℃加热10分钟。此步工艺形成ecg电极的牺牲层。71.2)在pmma牺牲层上旋涂一层10微米厚的聚酰亚胺(pi)光刻胶，静置5分钟后进行前烘，前烘温度为80℃烘10分钟，120℃烘30分钟，150℃烘10分钟，180℃烘10分钟，220℃烘40分钟。此步工艺形成ecg电极的pi支撑层。72.3)在pi支撑层上先后沉积一层金属cr和金属au，厚度分别为20纳米和200纳米。然后在pi支撑层上旋涂5微米厚的正胶并进行光刻图形化，形成金属层的光刻胶掩模。接着，采用湿法刻蚀技术分别将金属au和金属cr图形化。此步工艺形成su‑8微针中空的微孔结构的背面曝光掩模。73.4)在沉积金属后的pi支撑层上旋涂一层50微米厚的su‑8(gm1060)光刻胶，静置15分钟后进行前烘，前烘温度为65℃烘15分钟，95℃烘60分钟。前烘完成后进行背面曝光，曝光剂量为650mj/cm2。接着进行后烘，后烘温度为65℃烘10分钟，95℃烘30分钟。静置10分钟后放入pgmea中显影4分钟。完成显影后，进行硬烘，硬烘温度为135℃，硬烘时间为2小时。此步工艺形成具有中空微孔的su‑8微针结构。74.5)在带su‑8微针的pi支撑层上放置激光切割制备的不锈钢硬掩模，接着先后沉积一层金属cr和金属au，厚度分别为20纳米和200纳米。然后将不锈钢硬掩模从衬底上去除后，将金属au和金属cr图形化。此步工艺形成ecg电极的电极部、导线和焊盘结构。75.6)石英玻璃片正面粘贴一层水溶性胶带，利用水溶性胶带将电极部从石英玻璃片上释放下来。76.7)另取一块石英玻璃片，在其旋涂一层50微米厚的su‑8(gm1060)光刻胶，静置15分钟后进行前烘，前烘温度为65℃烘15分钟，95℃烘60分钟。前烘完成后进行背面曝光，曝光剂量为650mj/cm2。接着进行后烘，后烘温度为65℃烘10分钟，95℃烘30分钟。静置10分钟后放入pgmea中显影4分钟。完成显影后，进行硬烘，温度为135℃，时间为2小时。此步工艺形成流体腔室的pdms的su‑8倒模结构。77.8)在su‑8倒模的表面使用化学气相沉积系统沉积一层5微米厚的parylenec作为pdms的脱模剂。78.9)在石英玻璃片的正面(即在su‑8倒模上)旋涂一层500微米厚的pdms前驱体，并在60℃烘箱中加热4小时进行固化。此步工艺形成带有流体腔室2‑1的pdms柔性衬底2结构。79.10)将固化后的pdms柔性衬底2从su‑8倒模上释放下来，随后将其以流体腔室2‑1开口朝上的姿态键合到另一块未使用的石英玻璃片上。80.11)在pdms柔性衬底2的上表面涂敷一层硅胶，随后将电极部1以pi支撑层朝下的姿态粘贴在pdms柔性衬底2上，常温下放置24小时固化。81.12)将粘贴好的柔性可穿戴心电极从石英玻璃片上揭下来，然后放进去离子水中溶解掉水溶性胶带实现释放。当前第1页12当前第1页12