TWI475978B - 乾式電極及其製造方法 - Google Patents

Description

乾式電極及其製造方法

本發明係關於一種乾式電極及其製作方法，尤指一種具有一凹凸表面之多孔性電極及其方法。

美國專利申請案公開號US 2008/0009763提供一種具固定功能之微探針陣列結構，該微探針可插入於皮膚組織內，並於微探針上形成一導電層用以感測訊號之用。

台灣專利申請案公開號200701947提供一種偵測人體體表電訊號之紡織物，該紡織物係利用金屬細絲或導電聚合物纖維紡織而成。

美國專利申請案公開號US 2004/0073104提供一種量測生理訊號之電極，並利用在電極與人體皮膚間覆蓋一層濕式海綿墊，用以增加導電度並減少電雜訊。

職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「乾式電極」，以下為本案之簡要說明。

本發明提供一種乾式電極，其包含：一第一表面，該第一表面具有一凹凸結構，並與一待測表面接觸並自該待測表面擷取一電訊號，其中該電極係由一多孔性可撓性導電材料組成；一導電層，埋覆於該電極中；及一第二表面，與該第一表面相對，其中該電極係由一多孔性材料組成。

本發明提供一種電極製造方法，其包含下列步驟：提供一導電可撓性材；壓印並聚合該導電可撓性材，以使該導電可撓性材上形成一凹凸表面；蝕刻該導電可撓性材；及電鍍一鍍層於該導電可撓性材，以形成該電極。

請參閱第一(A)圖，其為本發明之一種乾式電極單元10之實施例示意圖，其中單元10包含一電極11、一固定單元12及一貫孔13，電極11具有複數個分隔部分(如圖中所示者，係具有5個分隔部分)，相臨每一分隔部分以貫孔13貫穿；電極11更包含一第一表面14、一導電層15、一連接器16及一第二表面17；固定單元12更包含一黏膠層121、一絕緣層122及一隔離層123，導電層15埋覆於電極11中，導電層15延伸經過該複數個分隔部分及貫孔13。本實施例之電極11係藉由一微製程所製造，其第一表面14具有一凹凸結構，藉以與一待測表面(例如皮膚，圖中未顯示)接觸。而導電層15則是包埋於電極11內，用以收集並傳導由第一表面14所測得採集自待測表面之一電訊號；導電層15更與連接器16連接，故該電訊號可自連接器16輸出。另外，固定單元12可將電極11固定於待測表面上，並提供一電性隔離，而黏膠層121可以提供一機械性黏附力，用以固定電極11、絕緣層122用以提供一電性絕縁，而隔離層123則用以提供該電性屏蔽隔離。惟，固定單元12可視需求任意增加或刪減其內部之次結構，並非必得包括如第五圖所示之黏膠層121、絕緣層122及隔離層123等三層，而固定單元12通常位於電極11之第二表面17上，但此相對位置亦可視需求調整。另外，電極11中所具有之貫孔13，係用來增加電極11之透氣性。

本實施例之電極11，其中第一表面14之凹凸結 構，可增加電極11與待測表面接觸的有效作用面積，更進一步，此電極將更可使第一表面14可再搭配具有柔軟、多孔性或發泡性特性之導電材質。換句話說，將可撓性材質(例如導電軟性塑膠)應用於本實施例之乾式電極單元10中，則電極11有效作用面積可進一步增加，而降低電極11與待測表面之電阻。此外，電極11進一步採用軟式多孔性材質，具有透氣的效果，則可發揮調節電極11與待測表面間溼度的效果。

電極11之材料可為一複合型高分子導電材料、一結構型高分子導電材料、多孔性軟性塑膠或其組合。其中該複合型高分子導電材料可選自碳黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維或碳纖維其中之一或其組合；而該結構型高分子導電材料選自如聚乙炔、聚比咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚噻吩其中之一。再者，包埋於電極11之導電層15，則可視情況在材質或形式上調整，舉例來說，導電層15可為一金屬網狀結構，用以配合電極11之柔軟特性。

本實施例之電極11，其中第一表面14與第二表面17為同一材料，導電層15則包埋於電極11中。然而，電極11之第一表面14與第二表面17亦可分別為不同之材質，惟第一表面14所使用之材質，需使其可形成一可撓性面(即可形成凹凸結構)。

在第一(A)圖中，連接器16與導電層15連接，並配置於固定單元12及第二表面17上，用以輸出該電訊號至一外部裝置(圖中未顯示)。惟連接器16之配置位置亦可視情況加以調整。

請續參閱第一(B)圖，其為第一(A)圖中範圍18之放大圖。在第一(B)圖中，可以更清楚了解電極11、第一表面14、導電層15及第二表面17之相對關係。其中，第一表面14上之凹凸結構可更細分為由複數個凸 起141及複數個凹槽142所組成，貫孔13至少貫穿該複數個凹槽之一，而每一凸起141的寬度A以及每一凹槽142的深度B，其範圍可為100um至1000um不等，且寬度A與深度B等長或不等長均可，端視需求而定。此外，若電極11係由軟式多孔性材質組成，則該軟式多孔性材質之孔徑大小的範圍為10um至100um。

透過電極11本身所具之多孔性特性，第一表面14上之凹凸結構將可吸收待測表面之濕氣，而使電極11微觀而言將處於一濕式環境。此外，第一表面14可以再電鍍上一鍍層(圖中未顯示)，進一步降低第一表面14與待測表面之間的電阻抗。若將第一表面14電鍍上一銀/氯化銀鍍層，配合該濕式環境，電極11雖為一乾式電極，仍可具有高導電效果，成為一電阻抗極低之銀/氯化銀電極。承上，電鍍於第一表面14上之鍍層，亦可選自銀、氯化銀、金、鈦、白金、不鏽鋼、氧化鋁、碳、碳纖維、奈米碳管、石墨及鑽石其中之一或其組合，也將有相同之降低電阻抗的功能。

請續參閱第一(C)圖，其為第一(A)圖之乾式導電塑膠電極單元10的俯視圖。第一(C)圖中，連接器16穿過固定單元12而可與其他外部裝置直接連接、電連接或無線連接。尤有甚者，數個乾式導電塑膠電極單元10亦可透過連接器16，連接至外部紀錄裝置上或搭配一載具，以求長時間且連續地紀錄人體多個部位之生理狀態。另外，固定單元12可以採用柔軟且透氣之材質製造，以求舒適之佩帶感。

第二(A)及(B)圖分別為習知硬式電極與本發明實施例之具有凹凸結構的電極11與待測表面(例如皮膚)之間介面之示意圖。第二(A)圖中，皮膚20若覆蓋著電極21，則當其遇到皮膚20上如毛髮22等突起物時， 電極21並無法產生形變，故將無法密合於皮膚20及毛髮22上而留有空隙。因此，電極21的電極有效面積將因之降低，而阻抗亦隨之提高。然而，如同第二(B)圖所示，本實施例之電極11因具有凹凸結構及可撓性之特性，故電極11與皮膚20及毛髮22均能緊密貼附，而形成一密合之介面23，故本實施例電極11的電極有效面積不但增加，且其阻抗也可降低。

請參閱第三圖之實施例，其為一種製造具有凹凸表面之一可撓性乾式電極之流程圖，其詳細步驟如下。首先，提供一可撓性導電材料(步驟31)，該可撓性導電材料包含電極11可應用之所有材質，亦可包含一聚合物、一導電物及一發泡劑；接著，透過壓印並聚合該可撓性導電材料(步驟32)，使其產生具凹凸結構(例如波浪狀結構)之一第一表面(步驟33)；最後，透過蝕刻該第一表面(步驟34)後電鍍一鍍層於該第一表面(步驟35)上，以製成該可撓性乾式電極。

在第三圖所示之流程圖中，步驟32為一微米製程，但若所提供的可撓性導電材料並不需經壓印聚合之步驟來形成具凹凸結構之表面，亦可透過其他方式為之，而從步驟31直接進入步驟33。另外，步驟34所述之蝕刻方式，可採用反應式離子乾式蝕刻(Reactive Ion Etch，RIE)或其他適合之蝕刻方式進行，而步驟35所述之鍍層，其材料則選自相同於可電鍍至電極11之第一表面14之材料。

另外，在第三圖所示之流程圖中，以可視需求在所述步驟中加入一步驟，使一導電層包埋於該可撓性導電材料中，而該導電層將用以接收並傳導該可撓性乾式電極於使用時偵測得之電訊號，而該導電層亦可包含一輸出裝置，用以輸出電訊號。

透過第三圖所示之流程圖所製成之該可撓性乾式電極，亦可透過配置貼附單元或形成貫孔之方式，來增加其可應用性及功能，且第八圖以及上述所有可加入之流程，更可藉由一連續製程技術(roll-to-roll process)，使該可撓性乾式電極可以快速且大量地生產。

必須強調的是，本發明之範圍當不受限於該上述之各項具體實施方式；且本發明得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然不脫如附申請範圍所欲保護者。

10．．．乾式電極單元

11．．．電極

12．．．固定單元

121．．．黏膠層

122‧‧‧絕緣層

123‧‧‧隔離層

13‧‧‧貫孔

14‧‧‧第一表面

141‧‧‧凸起

142‧‧‧凹槽

A‧‧‧寬度

B‧‧‧深度

15‧‧‧導電層

16‧‧‧連接器

17‧‧‧第二表面

18‧‧‧範圍

21‧‧‧電極

22‧‧‧毛髮

23‧‧‧介面

31、32、33、34及35‧‧‧步驟

第一(A)圖為本發明實施例之一種乾式導電塑膠電極單元10之示意圖；第一(B)圖為第一(A)圖所示之乾式導電塑膠電極單元10的部分放大圖；第一(C)圖為第一(A)圖所示之乾式導電塑膠電極單元10的俯視圖；

第二(A)為習知硬式電極與與皮膚之間介面之示意圖；第二(B)圖本發明實施例之具有凹凸結構的電極11與皮膚之間介面之示意圖；及

第三圖為一種製造具有凹凸表面之一可撓性乾式電極之流程圖實施例。

10‧‧‧乾式電極單元

11‧‧‧電極

12‧‧‧固定單元

121‧‧‧黏膠層

122‧‧‧絕緣層

123‧‧‧隔離層

13‧‧‧貫孔

14‧‧‧第一表面

15‧‧‧導電層

16‧‧‧連接器

17‧‧‧第二表面

18‧‧‧範圍

Claims (35)

1. 一種乾式電極，其包含：一電極，具有一第一表面，該第一表面具有一凹凸結構，該凹凸結構由複數個凸起及複數個凹槽所組成，該第一表面與一待測表面接觸並擷取一電訊號，其中該電極係由一多孔性可撓性導電材料組成，其具有透氣及調節該電極與該待測表面間溼度的效果，其中該電極更包含至少一貫孔，該電極具有複數個分隔部分，相臨每一分隔部分以該至少一貫孔貫穿；一導電層，埋覆於該電極中，該導電層延伸經過該複數個分隔部分及該至少一貫孔；及一固定單元，將該電極固定於該待測表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該凹凸結構由複數個凸起及複數個凹槽所組成，每一凸起具有一寬度，每一凹槽具有一深度，該寬度及該深度之範圍為100um至1000um。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該電極係為一軟性導電塑膠。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該電極係由一高分子導電材料組成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電極，其中該高分子導電材料選自一複合型高分子導電材料與一結構型高分子導電材料其中之一或其組合。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電極，其中該複合型高分子導電材料選自碳黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維或碳纖維其中之一或其組合。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電極，其中該結構型高分子導電材料選自如聚乙炔、聚比咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚噻吩其中之一。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該電極為一多孔性軟性塑膠電極。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該電極更包含一電鍍層，用以與該皮膚接觸並降低該軟性塑膠電極之一電性阻抗。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電極，其中該電鍍層之材料為銀及氯化銀。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電極，其中該電鍍層具有一銀離子殺菌功能。
12. 如申請專利範圍第9項所述之電極，其中該電鍍層之材料選自銀、金、鈦、白金、不鏽鋼、氧化鋁、碳、碳纖維、奈米碳管、石墨及鑽石其中之一或其組合。
13. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該導電層包含一金屬網及一連接器，其中電訊號於該金屬網傳導，該連接器則與該金屬網電連接，並輸出該電訊號。
14. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該固定單元包含一黏膠層、一絕緣層及一隔離層，該黏膠層提供一機械性黏附力，用以固定該軟性塑膠電極，該絕緣層用以提供一電性絕緣，該隔離層則用以提供該電性屏蔽隔離。
15. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該電極為一片狀結構。
16. 一種電極，其包含：一第一表面，其具有一凹凸結構，該凹凸結構由複數個凸起及複數個凹槽所組成，與一待測表面接觸並收集一電訊號；及一第二表面，與該第一表面相對，其中該電極係由一多孔性可撓性導電材料組成，其具有透氣及調節該電極與該待測表面間溼度的效果，該電極更包含至 少一貫孔，該至少一貫孔至少貫穿該複數個凹槽之一。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該待測表面為一皮膚。
18. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該第一表面上具有一電鍍層，該電鍍層之材料選自銀、氯化銀、金、鈦、白金、不鏽鋼、氧化鋁、碳、碳纖維、奈米碳管、石墨及鑽石其中之一或其組合。
19. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該多孔性材料選自一複合型高分子導電材料與一結構型高分子導電材料其中之一或其組合。
20. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該電極更包含一導電層及一連接器，該導電層位於該第一表面及該第二表面之間，該連接器則位於該第二表面，並與該導電層電連接。
21. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該導電層為一金屬網。
22. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該電極更包含一固定單元，用以將該第一表面固定於該待測表面。
23. 如申請專利範圍第16項所述之電極，其中該至少一貫孔貫穿該第一表面及該第二表面。
24. 一種電極製造方法，其包含下列步驟：(a)提供一多孔性導電可撓性材，其具有透氣及調節該電極與一待測表面間溼度的效果；(b)於該多孔性導電可撓性材中包埋一導電層；(c)壓印並聚合該多孔性導電可撓性材，以使該多孔性導電可撓性材上形成一凹凸結構，該凹凸結構由複數個凸起及複數個凹槽所組成； (d)蝕刻該多孔性導電可撓性材；(e)電鍍一鍍層於該多孔性導電可撓性材，以形成該電極；及(f)形成至少一貫孔於該多孔性導電可撓性材，該電極具有複數個分隔部分，相臨每一分隔部分以該至少一貫孔貫穿，該導電層延伸經過該複數個分隔部分及該至少一貫孔。
25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該多孔性導電可撓性材包含一聚合物、一導電物及一發泡劑。
26. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該多孔性導電可撓性材具有一多孔性結構。
27. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該電極更具有一輸出端，用以輸出一電訊號。
28. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該導電層為一金屬網。
29. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該導電層更具有一輸出端，用以輸出該電極所測得之一電訊號。
30. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該步驟(b)藉由一微米製程壓印。
31. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該步驟(c)藉由一反應式離子乾式蝕刻蝕刻該發泡導電膠材。
32. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該步驟(d)之該鍍層的材料選自選自銀、氯化銀、金、鈦、白金、不鏽鋼、氧化鋁、碳、碳纖維、奈米碳管、石墨及鑽石其中之一或其組合。
33. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該方法更包含一步驟：(f)形成一貼附單元於該電極上。
34. 一種電極製造方法，其包含下列步驟：(a)提供一多孔性可撓性導電材，其具有透氣及調節該電極與一待測表面間溼度的效果，該電極更包含至少一貫孔；(b)形成一第一表面及一第二表面於該多孔性可撓性導電材之上；及(c)使該一第一表面形成一凹凸結構，以形成該電極，該凹凸結構由複數個凸起及複數個凹槽所組成，該至少一貫孔至少貫穿該複數個凹槽之一。
35. 如申請專利範圍第34項所述之方法，其中該步驟(a)之該多孔性可撓性導電材選自一發泡導電塑膠及一多孔性導電塑膠其中之一或其組合。