[发明专利]使用柔性共形天线进行生物计量感测的系统、设备和方法

说明书

背景技术

本发明涉及使用可穿戴装置对人类和其他动物进行的生物计量感测。本文公开了一种天线，该类型的天线例如有益于标题为“A microwave contactless heart rate sensor”(非接触微波心率传感器)的WO213118121中公开的发明。WO/2013/118121和在2014年11月25日提交的标题为“Systems,Apparatuses and Methods for Biometric Sensing Using Conformal Flexible Antenna”(使用柔性共形天线进行生物计量感测的系统、装置和方法)的美国临时申请62083981的全部内容通过引用并入本文中。

之前已展示可以使用无线电探测器技术来估计人类或动物的心率。例如，2013年2月7日提交的标题为“AMicrowave Contactless Heart Rate Sensor”(非接触微波心率传感器)的WIPO专利申请WO/2013/118121，其全部内容通过引用并入本文中，该专利申请公开了将射频(RF)场辐射到组织中的天线。

美国专利第3,031,665号描述了一种宽带磁性天线，其包括仅在一个方向上导引辐射能量的接地平面。美国专利第3,031,665号中公开的天线是具有两个并行槽以及一个附加间隔槽的刚性槽型天线。

在下述文章中描述的用于超宽带(UWB)通信的天线是双向性的和刚性的："A Microstrip-Fed Ultra-Wideband Slot Antenna",Antennas and Propagation Society International Symposium,APSURSI'09,IEEE,2009(微带馈送超宽带槽天线，天线与传播学会国际研讨会APSURSI，IEEE，2009年)。

发明内容

本发明提供了共形天线结构、制造和使用天线结构的方法、以及可使用天线结构进行人类和其他动物的生物计量感测的系统。

本发明的天线结构包括连接相对刚性部的至少一个相对柔性部。连接相对刚性部的相对柔性部可以是弯曲的以使得连接至相对柔性部的相对刚性部可以相对于彼此改变定向。这允许相对刚性部与不平坦的(弯曲的)人类或动物的表面区域相符合。

优选地，本发明的天线结构还包括接地平面。接地平面的存在对在期望方向之外向人类或动物的身体发射的辐射进行限制。作为接地平面的替选，或除接地平面之外，天线结构可以包括微波吸收器。吸收器吸收在期望方向之外的进入人类或动物的身体的辐射。

本公开提供了用于使用无线电探测器技术以生物计量的方式感测生理参数的系统、设备和方法。包括相对柔性部和相对刚性部的组合的薄微型化超宽带天线与身体器官的表面的弯曲部分相符合，并且用于感测生物计量数据。可以用于感测的频率范围的示例为约3.1GHz至约10.6GHz。可以使用由相对柔性部互连的相对刚性印刷电路板(PCB)段来构造天线结构，以实现顺应性、宽带能力、低成本和单向性辐射特性。相对柔性部是充分柔性的，使得例如在作为可穿戴元件的一部分被穿戴时，相对柔性部将是弯曲的，以使得天线结构与身体的表面相符合。相对柔性部可以例如由聚酰亚胺形成。替选的相对柔性材料包括其他柔性聚合物，以及包含聚合物和诸如玻璃纤维的其他材料的复合物。与PCB制造工艺兼容的任何柔性材料可以用于柔性部。这些材料必须能够金属化并且经受至少160摄氏度的温度，而不会不可逆地将其介电常数、电导率或相对柔性改变大于百分之十。相对刚性部必须是足够刚性的，以保持相对金属表面的空间间隔。

可以使用多层刚性PCB技术来打印这些段，其中在柔性部上实现互连部，从而允许天线与其附接到的肢体共形。天线可以使用带(例如手表带的腕带)被附接至肢体，以照射其下方的动脉(例如腕关节处的桡骨或尺骨动脉)。然而，这样的附接在动脉附近定位天线时可能是不精确的，并且为了适当操作，天线产生的电磁场的宽度(也称作波束宽度)可以足够大而补偿天线的错位。在一些实例中，天线可以通过使用热塑性聚氨酯(TPU)与腕关节组织隔离，热塑性聚氨酯是生物兼容的，具有良好的介电特性并具有舒适附接至人体皮肤所需要的柔性。在一些实例中，PCB可以包括背侧上的接地平面，以产生单向性辐射图案。

优选地，天线结构包括以下一系列的层：第一金属层、相对刚性的第一介电层、第二金属层、相对柔性的第二介电层、以及第三金属层。每个层可以具有与其他层不同的空间范围，这导致例如图3所示的天线结构。