一种具有垂直导电结构的弹性电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有垂直导电结构的弹性电极及其制备方法，包括电极底层、中间层、顶层和导电片；底层采用磁性导电材料与熔融弹性体混合，然后在均匀磁场下固化形成垂直方向导电的电极层，用于采集生物电信号；中间层为液态导电材料，用于收集底层采集的电信号；顶层为熔融弹性体，用于封装；导电片一端伸入电极底层与中间层之间，另一端连接外部元件，形成电连接。该弹性电极既有高导电性又有高柔韧性，可做大、做薄，同时安全可靠、性能稳定，可用于生物电活动的监测，比如心电、脑电、肌电、眼电等，使用时电极底层能够紧密贴合肌肤，电极与皮肤间接触阻抗小，采集到高信噪比的生物电信号，在康复医学工程、运动监测中具有巨大的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种具有垂直导电结构的弹性电极及其制备方法
本专利技术涉及柔性电子
，尤其涉及一种具有垂直导电结构的弹性电极的制备方法。
技术介绍
生物电传感器可用于监测人体心电、脑电、肌电、眼电等，可实现低成本、可移动式医疗监测，已引起世界广泛关注并得到了迅速发展。人体在静息状态下，细胞膜外带正电荷，内带同等电位的负电荷，此种分布状态为极化状态，这种静息状态下的细胞内外的电位差称为静息电位，当人体在一定程度刺激下，细胞膜对钾、钠等离子的通透性发生改变，引起膜内外阴阳离子产生流动，使细胞产生去极化和复极化，去极化状态下的细胞膜内外电位差称为动作电位。当电极处于静息电位与动作电位之间时，就会产生一个电位差，此电位差就是生物电信号。生物电传感器包括电极和信号处理电路。其中，电极是传感器信号采集模块的核心，它的性能在很大程度上决定着传感器的性能。采集信号过程中往往会引入大量噪音，当噪音振幅过大时，会掩盖生物电信号，因此，增大信噪比尤为重要，表面电极可以通过以下两点提高信噪比：1、提高电极导电性；2、增加电极柔弹性，以降低皮肤与电极的接触阻抗。目前，市场上大部分表面电极是金属电极和硅胶电极。当应用于皮肤表面时，金属电极导电性好，但是刚性平面不能紧密贴合皮肤，皮肤与电极间接触阻抗大，导致信噪比较低，且金属电极易造成皮肤过敏和擦伤；硅胶电极柔弹性较好，但一般导电性较差，重要的生物电信息易遗失。因此，如何同时获得高导电性和柔弹性的电极是目前亟需解决的问题。为此，提出了采用磁性导电材料与熔融弹性体混合，在均匀磁场下，使磁性导电材料形成垂直方向的导电通路，然后静置固化形成弹性电极。形成的弹性电极导电性优异且柔弹性好与皮肤贴合性好。但是，磁性导电材料与熔融弹性体形成的导电薄膜只在垂直方向上导电，水平方向不能导电，单独采用底层制做电极，只能采集到导电片正下方的生物电信号。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术提供了一种具有垂直导电结构的弹性电极，既有高导电性又有高柔弹性，同时具有安全可靠、性能稳定的优点。本专利技术提供的技术方案为：一种具有垂直导电结构的弹性电极，包括电极底层、中间层、顶层和导电连接器；电极底层的形成方法为：将包含磁性导电材料与熔融弹性体的混合体搅拌均匀，在均匀的磁场下使磁性导电材料形成垂直分布的柱状导电通路，均匀分散在弹性体中，然后固化其中的弹性体；电极中间层为液态导电材料，均匀平铺于电极底层上方；电极顶层为熔融弹性体，平铺于底层与中间层电极上方；导电片一端伸入电极底层与中间层之间，另一端连接外部元件，形成电连接；底层垂直方向导电性优异，但平面内不导电，采用液态导电材料平铺于上方，一方面不影响电极的柔韧性，另一方面可以将底层采集到的信号整合，顶层用于封装。所述的磁性导电材料包括磁性金属材料及其合金，如：铁、镍、钴、铝镍钴、铁铬钴等中的一种或几种；磁性材料和导电材料的复合材料，如：碳包镍、银包镍、铜包镍等中的一种或几种；作为优选，所述的液态导电材料包括镓基合金，过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓基合金，离子液体等中的一种或几种；作为优选，所述的弹性体包括树脂、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、水凝胶、聚氨酯等中的一种或几种；作为优选，所述的导电片包括铜片、银片、铂片等。所述的弹性电极可以制做成大面积的薄电极；作为优选，电极的长为5mm-10mm，宽为1mm-2mm，厚度为30um-2mm。所述弹性电极的制备方法，包括如下步骤：(1)机械搅拌一定质量比混合的磁性导电材料和熔融弹性体，混合均匀后，将浆料倒入模具中静置去除气泡，然后放入均匀的磁场中使磁性导电材料形成垂直分布的柱状导电通路，并在高温下固化其中弹性体；作为优选，磁性导电材料的质量比为3:5-1:1，静置时间为30min-1h，固化温度为60℃-100℃，固化时间为45min-4h；(2)放上导电片，再将液态导电材料平铺于底层电极上，然后倒上熔融弹性体，高温下固化，得到弹性电极。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)采用磁性导电材料与熔融弹性体混合后固化形成的电极底层，该电极底层具有良好的导电性和柔弹性；(2)考虑到磁性导电材料与熔融弹性体形成的弹性电极只在垂直方向导电，水平方向不导电的问题，在电极底层上平铺一层液态导电材料，一方面不影响弹性电极的柔弹性；另一方面能将垂直方向导电的电极底层采集的信号收集起来。因此，该弹性电极既有高导电性又有高柔弹性，可用于心电、脑电、肌电、眼电等传感器。工作状态时，弹性电极的电极外层贴合肌肤，电极与皮肤间接触阻抗小，能采集到高信噪比的生物电信号，因此在康复医学工程、运动监测中具有巨大的潜在应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例1中的弹性电极的剖面结构示意图；图2是本专利技术实施例1中的弹性电极的截面电镜图；图3是本专利技术实施例1中的弹性电极采集到的信号图；图1中的附图标记是：1-1—电极底层，1-2—电极中间层，1-3—电极顶层，1-4—导电片；电极底层1-1由磁性导电材料和弹性体组成的混合体；电极中间层1-2为液态导电材料；电极顶层1-3为弹性体；导电片1-4一端伸入电极底层与中间层之间，另一端连接外部元件，形成电连接。具体实施方式以下结合附图与实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而不对其起任何限定作用。实施例1：本实施例中，弹性电极的结构示意图如图1,2所示，包括电极底层1-1、电极中间层1-2、电极顶层1-3和导电片1-4。本实例中，磁性导电材料为银包镍粉(包覆的银粉所占质量比为30％，粉末平均粒径20um)；液态金属为GaInSn，是质量比Ga:In:Sn＝62.5:21.5:16的合金，在室温下呈液态，具有导电性；弹性体是PDMS/Ecoflex混合浆料(质量比为PDMS:Ecoflex＝2:3)，在一定应力下能拉伸；导电片为铜片。本实例中，制作该弹性电极，具体如下：(1)按质量比3:5称取银包镍粉和PDMS/Ecoflex混合浆料，机械搅拌5-10min，混合均匀后，将浆料倒入模具中静置30min-1h去除气泡，然后将模具放在150mm*100mm*25mm的铁氧体正中，使磁性导电粉料形成垂直分布的柱状导电通路，之后在60-80℃下固化45min-1h；作为优选，可选择钕铁硼磁铁或导电线圈提供磁场；(2)取出模具，在固化的电极底层上放上导电接口，然后用注射器将液态金属GaInSn平铺于底层电极与导电接口上，再倒上熔融弹性体，静置30min-1h去除气泡，然后放入60-80℃的干燥箱里固化45min-1h，取出，待冷却后去除模具，便得到了弹性电极。该弹性电极既有高导电性又有高柔韧性，可用于心电、脑电、肌电、眼电等传感器。工作状态时，弹性电极的电极外层贴合肌肤，电极与皮肤间接触阻抗小，能采集到高信噪比的生物电信号。图2是本专利技术弹性电极的截面电镜图，从图中可以明显的看到三层结构，底层银包镍颗粒在PDMS/Ecoflex混合弹性体中形成垂直方向导电的通路，中间层为液态金属，顶层为PDMS/Ecoflex混合弹性封装层。图3是将电极贴于小臂肌肉，然后握拳、放松得到的肌电图，此图横坐标为时间，纵坐标为电压，可以看到此弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有垂直导电结构的弹性电极，包括电极底层、中间层、顶层和导电片；其特征是：电极底层的形成方法为：将包含磁性导电材料与熔融弹性体的混合体搅拌均匀，在均匀的磁场下使磁性导电粉料形成垂直分布的柱状导电通路，均匀分散在弹性体中，然后固化其中的弹性体；电极中间层为液态导电材料，均匀平铺于电极底层上方；电极顶层为熔融弹性体，平铺于底层与中间层电极上方；导电片一端伸入电极底层与中间层之间，另一端连接外部元件，形成电连接。

【技术特征摘要】
1.一种具有垂直导电结构的弹性电极，包括电极底层、中间层、顶层和导电片；其特征是：电极底层的形成方法为：将包含磁性导电材料与熔融弹性体的混合体搅拌均匀，在均匀的磁场下使磁性导电粉料形成垂直分布的柱状导电通路，均匀分散在弹性体中，然后固化其中的弹性体；电极中间层为液态导电材料，均匀平铺于电极底层上方；电极顶层为熔融弹性体，平铺于底层与中间层电极上方；导电片一端伸入电极底层与中间层之间，另一端连接外部元件，形成电连接。2.权利要求1所述的具有垂直导电结构的弹性电极，其特征是：所述的磁性导电材料包括磁性金属材料，以及磁性材料和导电材料的复合材料；作为优选，所述的磁性金属材料包括铁、镍、钴、铝镍钴、铁铬钴中的一种或几种；作为优选，所述的磁性材料和导电材料的复合材料包括碳包镍、银包镍、铜包镍中的一种或几种。3.权利要求1所述的具有垂直导电结构的弹性电极，其特征是：所述的液态导电材料包括镓基合金，过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓基合金，离子液体等中的一种或几种。4.权利要求1所述的具有垂直导电结构的弹性电极，其特征是：所述的弹性体包括树脂、苯乙烯嵌段共聚物、橡胶、聚二甲基硅氧烷、...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚杰，唐大秀，刘宜伟，李润伟，王玉欣，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33