技术领域
本发明属于表皮信号采集设备领域，涉及一种表皮信号采集的表皮电极及其应用，尤其涉及一种关于肌电信号的采集的电极及其应用。
背景技术
肌电信号(EMG)是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上综合的结果。由于肌电信号来源于人自身的电信号，因此肌电信号具有直接、自然的特点，如今肌电信号已经成为一种重要的信息量，可以用来进行肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学以及运动体育等方面的研究。因此，肌电信号在人类运动和生物机械的研究发展中起重要作用。
现有的采集肌电信号的电极大多数为硬质的银/氯化银表面电极，这种电极集成在弹性的绷带上通过挤压力与皮肤形成接触，从而采集肌肉运动时的信号。这种通过挤压力与皮肤形成接触获取信号的方式会引起一定的不舒适度，从而影响肌肉的自由活动。此外，硬质电极与人体软组织之间的机械不匹配容易导致界面电路断开，影响信号的真实性。
保持表皮电极与人体皮肤或组织的顺形接触是实现人体物理、化学和生物信号高保真测量的简便方法之一。金属或合金纳米网络电极由于厚度极薄，可以与皮肤纹理形成顺形接触。此外，由于其特殊的网络结构，金属或合金纳米网络电极还具有透气、轻质和超拉伸的性能。良好的透气性使得金属或合金纳米网络电极不会阻碍皮肤的呼吸而引起发炎，进而避免皮肤产生不舒适感。当肌肉运动牵扯皮肤产生形变时，金属或合金纳米网络电极的超拉伸性能使其能够跟随皮肤变形而结构不被破坏，从而不与皮肤产生间隙而分离，维持良好的顺形接触。这种金属或合金的纳米网络电极具有透气、轻质、超拉伸和顺形接触等优点，适用于采集高保真的表皮信号，分析肌肉群运动的信息，从而达到健康监测的目的。
CN 207338688 U公开了一种表皮电极，该表皮电极具有传感触片，所述传感触片包括能与外接元件导电连接的结合触片和与所述结合触片相连的拉伸触片，所述结合触片的拉伸比小于所述拉伸触片的拉伸比。CN 107887079 A公开了该表皮电极的制作方法，所述表皮电极具有传感触片，所述表皮电极的制作方法包括如下步骤：a)提供一金属膜：所述金属膜包括上金属层和下金属层，所述上金属层和所述下金属层之间夹设有塑料层；b)穿孔：在所述金属膜上欲成型所述传感触片的位置处进行穿孔作业；c)灌胶：在多个所述穿孔内灌导电胶，以使所述上金属层与所述下金属层通过所述导电胶形成电连接；d)全刻：在所述金属膜上冲切或激光切割出所述传感触片的结构。该制备方法制备出的电极结构复杂，与人体表皮贴合性差，传导出的电信号与实际肌肉信息存在偏差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于表皮信号采集的表皮电极，所述表皮电极具有超拉伸、透气性好、皮肤顺形接触好的优点。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种用于表皮信号采集的表皮电极，所述表皮电极为厚度5nm～10μm的金属或合金网络。
其中，所述表皮电极的厚度可以是5nm、10nm、50nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、2μm、5μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述金属网络的原料为金、银或铜中的任意一种。
作为本发明优选的技术方案，所述合金网络的原料为金、银或铜中至少两种所组成的合金，如金银合金、金铜合金、铜银合金或金银铜合金等。
作为本发明优选的技术方案，所述网络的线宽度为10～200nm，如10nm、20nm、50nm、80nm、100nm、120nm、150nm、180nm或200nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述网络的网孔尺寸为50nm～100μm，如50nm、60nm、80nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、50μm或100μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述网络的结构分别独立地包括正方形网络结构、长方形网络结构、菱形网络结构、六边形网络结构、圆孔网络结构、龟裂型网络结构、蛇纹石网络结构、纳米线网络结构或聚合物相分离的随机网络结构中的任意一种。
作为本发明优选的技术方案，所述表皮电极通过柔性导电胶连接外接电子元器件。
作为本发明优选的技术方案，所述柔性导电胶包括柔性导电银胶、柔性导电碳胶或金属纳米线中的任意一种或至少两种的组合。
本发明目的之二在于提供一种上述表皮电极的应用，所述表皮电极用于采集表皮的肌电信号。
作为本发明优选的技术方案，将所述表皮电极制作成电极阵列，用于对肌肉运动信息的多通道采集。
本发明提供的用于表皮信号采集的表皮电极的制备方法为：
(1)采用常规或非常规的纳米技术加工方法或化学合成法得到纳米厚度的金属或合金导电网络；
(2)在步骤(1)得到的金属或合金导电网络通过图案化获得图案化金属导电网络；
(3)在步骤(2)得到的图案化金属或合金导电网络转移到皮肤；
(4)在步骤(3)得到的表皮电极与外接电子元器件或外接仪器互联组成了柔性电子表皮电极。
其中，步骤(1)所述常规或非常规的纳米技术加工方法包括晶界转印法、纺丝模板法(包括静电纺丝和生物纺丝)、纳米线喷涂法或激光切割金属薄膜法等。
其中，步骤(1)所述的金属或合金纳米结构网络选自一体的网络薄膜和纳米线涂覆组成的复合网络薄膜中的任意一种；
其中，步骤(3)所述的金属或合金导电网络的图案化方法选自带粘性的胶带模板转印法、光刻图案化法中的任意一种。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)纳米厚度的金属或合金网络表皮电极能够与皮肤纹理高度顺形结合，形成良好的接触，并且质量轻盈，不会影响生物的自由活动；
(2)具有网络结构的表皮电极具有良好的透气性能，不阻碍皮肤的正常呼吸，与皮肤有良好的生物兼容性；
(3)网络结构的表皮电极具有较好的可拉伸的性能，与皮肤维持良好的顺形接触，电极能跟随皮肤变形但电极结构不发生破坏，不会出现因与皮肤产生间隙而分离的情况，因此在皮肤产生形变的条件下，该表皮电极也能收集到高保真的表皮信号。
附图说明
图1为实施例1所述的金纳米网络作表皮电极的制备流程图及图案化的金纳米网络表皮电极在人体皮肤上的展示；
图2为实施例1所述的金纳米网络在人体表皮上顺形贴合的扫描电镜图；
图3为实施例1所述的平滑布料、含有金纳米网络的平滑布料的蒸发水量与时间的关系曲线；
图4为实施例1所述的金纳米网络的表皮电极在手指关节上的3000次弯曲循环的电阻响应测试曲线；
图5为实施例1所述的金纳米网络的表皮电极采集到的人体肱二头肌处的表皮肌电信号。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例以晶界转印法得到的金纳米网络作为表皮电极材料，通过糖转移的方法对金纳米网络进行图案化，采用柔性导电银纳米作为与外接电子元器件或测试电路互联的柔性电极，制备金纳米网络表皮电极的流程示意图如图1(a)所示，包括以下步骤：
(1)将晶界转印法得到的金纳米网络转移到柔性的聚二甲基硅氧烷上；
(2)采用激光切割机制备可弯曲的塑料掩模板用于金纳米网络的图案化；
(3)采用蔗糖转移的方法对金纳米网络进行图案化和转移，将具有所需图案的塑料掩模板放置于金纳米网络上，浇铸熔化的蔗糖膜；
(4)当蔗糖冷却至25℃并固化时，蔗糖变得足够粘稠，从金纳米网络上剥离并转移到皮肤上；最后，用去离子水洗掉蔗糖，得到具有所需图案的金纳米网络的表皮电极。
通过上述方法制备的金纳米网络结构的表皮电极为一体的网络薄膜，其厚度为30nm。
图2为金纳米网络在人体表皮的扫描电镜图片，由图2可知，金纳米网络可与人体皮肤纹理形成完美的顺形接触。
图3分别为金纳米网络覆盖的平滑透气膜和空白的光滑透气膜的蒸发透过的水量与时间的关系曲线，由图3可知，两者的透气曲线高度一致，说明本发明所述的金纳米网络具有很好的透气性能。
图4为金纳米网络随着手指关节完全循环3000次的导电性监测曲线，由结果可知，金纳米网络随着皮肤形变仍具有稳定较好的导电性能。
将得到的金纳米网络通过柔性银纳米线与肌电信号测试器互联，采集到人体肱二头肌的在握拳动作时的肌电信号，如图5所示。该肌电信号具有较稳定、性噪比高、且保真度高的特性。
因此，这种金属纳米网络具有透气、轻质、超拉伸和顺形接触等优点，适用于采集高保真的肌电信号，可用于分析肌肉群运动的信息。
实施例2
本实施例银纳米线复合网格的制备方法为纳米线喷涂法，其制备方法包括以下步骤：
(1)将纳米线喷涂法得到的银纳米网络转移到柔性的聚二甲基硅氧烷上；
(2)采用激光切割机制备可弯曲的塑料掩模板用于银纳米网络的图案化；
(3)采用蔗糖转移的方法对银纳米网络进行图案化和转移，将具有所需图案的塑料掩模板放置于银纳米网络上，浇铸熔化的蔗糖膜；
(4)当蔗糖冷却至25℃并固化时，蔗糖变得足够粘稠，从银纳米网络上剥离并转移到皮肤上；最后，用去离子水洗掉蔗糖，得到具有银纳米网络结构的表皮电极。
通过上述方法制备的银纳米网络结构的表皮电极为纳米线随机排布组成的复合网络薄膜，其厚度50nm。
实施例3
本实施例铜纳米线复合网格的制备方法为静电纺丝法，其制备方法包括以下步骤：
(1)采用静电纺丝的方法制备直径为200nm左右的聚乙烯醇复合网络结构；
(2)在得到的聚乙烯醇复合网络上蒸镀一层30nm厚的铜，得到基于静电纺丝法的铜纳米网络电极；
(3)将静电纺丝法得到的铜纳米网络转移到柔性的聚二甲基硅氧烷上；
(4)采用激光切割机制备可弯曲的塑料掩模板用于铜纳米网络的图案化；
(5)采用自带粘性的胶带模板转印法对铜纳米网络进行图案化和转移，得到具有铜纳米网络结构的表皮电极。
通过上述方法制备的铜纳米网络结构的表皮电极为纳米线随机排布组成的网络薄膜，其厚度2μm。
实施例4
本实施例铜银合金纳米线复合网格的制备方法为生物纺丝法，其制备方法包括以下步骤：
(1)采用虫丝、蚕丝等生物纺丝法得到的纳米线网络；
(2)在得到的生物纺丝复合网络上沉积一层30nm厚的铜银合金，得到基于静电纺丝法的铜银合金的纳米网络电极；
(3)将生物纺丝法得到的铜银合金纳米网络转移到柔性的聚二甲基硅氧烷上；
(4)采用激光切割机制备可弯曲的塑料掩模板用于铜银合金纳米网络的图案化；
(5)采用自带粘性的胶带模板转印法对铜纳米网络进行图案化和转移，得到具有铜银合金纳米网络结构的表皮电极。
通过上述方法制备的铜银合金纳米网络结构的表皮电极为一体的网络薄膜，其厚度1μm。
实施例5
本实施例金银合金纳米线复合网格的制备方法为激光切割金属薄膜法，其制备方法包括以下步骤：
(1)采用激光切割金属薄膜法得到所需图案的金银合金纳米网络转移到柔性的聚二甲基硅氧烷上；
(2)采用蔗糖转移的方法对金银合金纳米网络进行图案化和转移，将具有所需图案的塑料掩模板放置于金银合金纳米网络上，浇铸熔化的蔗糖膜；
(3)当蔗糖冷却至25℃并固化时，蔗糖变得足够粘稠，从金银合金纳米网络上剥离并转移到皮肤上；最后，用去离子水洗掉蔗糖，得到具有金银合金纳米网络结构的表皮电极。
通过上述方法制备的金银合金纳米网络结构的表皮电极为一体的网络薄膜，其厚度200nm。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。