传感器的制作方法

本公开涉及被布置成将电磁辐射耦合到生物材料之中或之外、改善电磁辐射到生物样本之中或之外的耦合、或增加电磁辐射到生物样本之中或之外的耦合的设备、结构、介质、涂覆或层。具体而言，本公开涉及被布置成减少反射的设备、结构、介质、涂覆或层。更具体而言，本公开涉及抗反射结构、抗反射层和抗反射涂覆。进一步具体地，本公开涉及元表面(metasurface)。

背景

用于分析生物物质的最常用方法包括酸性、过氧化物指数、UV光谱分析法、薄层层析法、气体层析法、高性能液体层析法、Raman光谱分析法、以及UV光谱分析法。这些工序的缺点在于：它们通常需要通过耗力且耗时的工序来隔离并分析存在的组分。以下将是有利的：实现通过极少处理或不处理样本载荷产生类似于或优于已确立工序所获得的那些结果的结果的新技术。而且，这些方法对于表征生物物质的内层(诸如在动物身体内部的血流的组分)不能良好工作。皮肤、脂肪和肌肉层将血液与外部信号屏蔽开来，从而使其表征极度困难且易于出错。在生物物质处于人工容器(瓶子或不透明塑料盒)内部时面临同样问题，因为这些基于光的方法不提供对容器内部的穿透。

用于表征物质(不仅是生物物质)的一种不同方法是电介质频谱分析法，其利用微波或无线电波来表征样本。在这种方法中，无线电波信号(通常是从天线生成的)被对着被测样本(SUT)发射，且反射及透射的信号被记录，从而带来对样本的电磁属性(例如，其诱电率(permittivity)和导磁率(permeability))的估计，其随后可被转换为样本的材料特性(例如，水中的糖或盐的百分比、或奶中的细菌的浓度)。

表征生物物质在特定部分中是及其有利的：人类血液中的葡萄糖浓度(对于糖尿病人)。

糖尿病是一种特征为血液中的高葡萄糖水平的疾病(多糖症)。它是世界范围内是第5常见的死亡诱因，其具有8.3％的全球发病率且3亿7千万人受影响，预计到2030年，人数将上升至5亿5千万。糖尿病及其相关联的并发症的成本极为巨大，在2012年估计在欧盟每年为1300亿美元，在美国为2450亿美元(从2007年的1740亿美元开始上升)。长期无法控制的糖尿病的负担是显著的，因为其可能导致各种伴随的并发症，包括：血管损伤、心血管疾病、肾衰竭、精神病(神经损伤)和糖尿病性视网膜病变。随着这些并发症的出现，治疗它们变得越来越昂贵。

对糖尿病而言没有已知的治愈法：仅能控制病情。糖尿病控制主要关注使用血糖仪对血液葡萄糖水平的精确测量，从而允许通过注射正确剂量的胰岛素(I型病人)或者服用口服糖尿病药物(II型)来更紧密地控制血液葡萄糖水平。精确且及时地监视血糖水平因此是绝对关键的。

存在与糖尿病的管理和监视相关联的昂贵成本，且在欧盟，糖尿病占据了总医疗预算的10％。对于管理诸如糖尿病等慢性病情，这证明是一种极度昂贵的方法。在诊断早期阶段良好地管理糖尿病有助于预防后期更昂贵的并发症。更好的葡萄糖控制和管理是政府着手减少来自不受控糖尿病的住院数量的举措的一部分。因此，对医疗提供者而言改善监视粘合度和精确度并从而防止与糖尿病相关联的财务负担的逐渐增加有巨大的成本效益。

非侵入式葡萄糖监视系统将具有显著的医疗影响。首先，这将消除从用户抽血来获取葡萄糖读数的需要。这进而消除了与刺破手指相关联的疼痛、对昂贵的分离(strip)的需要、卫生和感染问题和污染葡萄糖监视器从而导致可能致命的不正确读数的风险。其次，它可提供对医疗系统当前没有完全支持的那些糖尿病人(即，2型糖尿病人和前期糖尿病人)的频繁监视的途径。最后，这种系统对于依赖于胰岛素泵来经由自动调整泵的内置反馈功能来控制其药物治疗的病人是理想的。

许多非侵入式生物医学应用基于穿过生物物质(包括人体)的电磁辐射的互动和传播。然而，标识了基础挑战，其来自微波场的基本性质和其与活体组织的互动。皮肤阻挡并反射入射的无线电波，这归因于相较于空气而言组织的高相对介电性和传导性值。在电磁方面，造成了阻抗失配。这种阻抗失配导致透射能量的降级和所应用的技术的降低的精确度。这可能是用于医疗目的的无线电波传播中的最关键的问题。这个问题在主要医疗应用中导致不同限制：例如，在微波成像技术和血液葡萄糖监视中，解析度和精确度恶化，而在高热症治疗中，需要可能有害的能量的更高的量。

如果解决了这种阻抗失配问题，则通过允许消耗更少功率并占据更少空间的更精确设备，其将对无线电波的医疗应用具有重大影响。

最近，已经在该领域中做出了改进，且发明人自己早先的专利申请GB2500719公开了一种被布置成使用元材料(metamaterial)来改善电磁辐射到目标中的耦合的设备。

元材料是可实现不会自然出现的电磁属性的人造材料，诸如负折射率或电磁隐身。尽管原材料的理论特性在1960年代被首次描述，然而在过去的10-15年间在这种材料的设计、工程化和制造方面出现了重大进展。元材料通常由大量晶胞(unit cell)，即多个个体元件(有时称为“元-原子”)，组成，每个个体元件具有比工作波长更小(通常小得多)的尺寸。可以说，每个元件具有至少一个“亚波长”维度。这些晶胞是从诸如金属、塑料和电介质等传统材料通过显微镜构建的。然而，其精确形状、几何、尺寸、朝向、和布置可在宏观上以非传统方式影响辐射，诸如造成宏观介电性和导磁性的共振或非常规值。

可用元材料的一些示例是负折射率元材料、手征性元材料、等离子元材料、光子元材料等。由于其亚波长性质，在微波频率工作的元材料具有几毫米的典型晶胞尺寸，而在频谱的可见部分工作的元材料具有几纳米的典型晶胞尺寸。元材料可强烈吸收特定窄频率范围的辐射。

对于传统材料，诸如导磁率和诱电率等电磁参数从构成材料的原子或分子对被穿过的电磁波的响应中产生。在元材料的情况下，这些电磁属性不在原子或分子级别被确定。相反，这些属性是通过更小对象(诸如构成元材料的传导组分或元件)的集合的选择和配置来确定的。尽管这些对象集合及其结构不像传统材料那样“看向”原子级别，然而元材料可被设计成使得电磁波将像正穿过传统材料那样穿过。而且，因为元材料的属性可从这些小对象的成分和结构确定，所以元材料的电磁属性(诸如诱电率和导磁率)可在极小量级上精确微调。

GB2500719公开了对包括周期性晶胞阵列的元材料的使用。值得注意，晶胞是规则的且阵列是规则的。本公开阐述了发明人所做的进一步的改进。

概述

本公开的各方面在所附独立权利要求中限定。

概括而言，提供了一种用于将电磁辐射耦合到生物材料之中或之外的设备。该设备包括元材料，其中元原子元件中的至少两个是不同。具体而言，元材料元件的尺寸和/或形状不同。任选地，元材料元件中的至少一些是非对称的或仅包括一个对称轴。任选地，元材料元件阵列是不规则的。组分元件的维度针对该应用被优化。还提供了包括两个耦合设备的传感器。

元材料的元件被布置成影响电磁辐射的振幅和/或相位。根据本公开的元材料的元件不被设计成提供大量能量存储。通过微调组分元件的尺寸、形状、维度和定位，可减少反射性。反射性可由诸如皮肤或瓶子等包含组件引起。可对电磁辐射施加其它影响，诸如波聚焦。

附图简述

现在参照附图详细描述本公开的实施例，在附图中：

图1是具有周期性图案的元表面；

图2是具有非周期性图案的元表面；

图3示出周期性构造的多个元表面层；

图4示出非周期性构造的多个元表面层；

图5示出用于将法向入射的电磁波折射到45度角的实和虚片状阻抗；

图6示出从图5的片状阻抗得到的反射和透射系数；

图7示出该设计示例的元表面元件的各种视图；

图8描绘了改变所述设计示例的顶部元表面组件的平行铜条的长度获得的S参数。

图9绘制了改变底层元表面元件的金属环的间隙获得的S参数；

图10示出了元金属元件维度的优化过程；

图11a示出了在60GHz处元表面元件的经优化几何性质；

图11b是根据各实施例的元表面结构；

图11c、11d和11e是根据各实施例的元表面结构的其它视图；

图11f、11g和11h示出了平面近场聚焦组件的示例；

图11i示出了在根据本公开的元表面被抵靠人类皮肤放置时的情况下功率穿透的模拟结果。

图12a到12m示出了一些设计配置；

图13是该系统的概览；

图14a示出了根据各实施例的传感器测量设备的系统组件；

图14b示出了根据各实施例的另一传感器测量设备的系统组件；

图15a到15d示出了单传感器和双传感器的一些示例；

图16示出具有阻抗分析器的微调天线；

图17a到17c示出在使用的传感器；

图18a和18b是通过人手的测量系统的等距视图；

图19a和19b是具有(a)周期性和(b)非周期性图案中的天线配置的元表面的分解视图；

图20是天线和三个元表面层的分解侧视图；

图21绘制了根据在包含水和葡萄糖的样本中的葡萄糖浓度的输出信号；

图22绘制了根据在包含水和葡萄糖、水和葡萄糖和盐、以及水和盐的样本中的浓度的输出信号；

图23绘制了根据在非常少量的包含水和葡萄糖的样本中的葡萄糖浓度的输出信号；

图24示出了根据在棕仁油和菜籽油的混合物中的棕仁油的浓度的输出信号；以及

图25示出了用于不同的油的种类的Cole-Cole模型的驰缓频率。

在附图中，类似的参考标号指代类似的部件。

附图详述

各实施例涉及“生物材料”，生物材料是一种通常是植物材料、动物材料、或可在生命形式中发现的任何其它物质的材料。一些示例包括人类组织(手、皮肤、肌肉、耳朵等)、动物组织(例如，来自老鼠、牛或猪)、水、血液、牛奶、唾液、眼泪、尿液、碳酸饮料、以及果汁、酒和油。然而，可以理解，本公开同样适用于任何生物样本。

各实施例涉及“不规则”形状，所述不规则形状包括不具有对称轴的形状和仅有一个对称轴的形状。

元材料包括具有不大于电磁辐射的第一波长的厚度的基底组件；以及由该基底组件支持的多个元件，其中每个元件具有不大于该电磁辐射的第一波长的第一维度。各实施例涉及“元表面”，该元表面可被认为是特殊类型的元材料。具体而言，元表面是一种在其中所述多个元件中的至少两个元件在尺寸、形状、朝向和成分方面是非等同的、或不同的元材料。元表面仅是二维的。

用于耦合电磁辐射的设备

概括而言，本公开描述了使用特定类型的元材料来增强穿过皮肤的无线电波穿透，并且因此解决失配问题。这通过利用元材料子集的新颖且专门的电磁属性来实现。

传统上，元材料包括按周期性图案布置的晶胞。然而，发明人已经意识到，特定类型的元材料，有时被称为“元表面”，对于将电磁辐射耦合到生物样本(特别是容器中的生物样本)中是特别有利的。

元表面易于制造并且提供了构建低损耗结构的机会。元表面的属性是从其成分元件的周期性和设计确定的。注意，与同一元件的周期性布置的其它元材料不同，元表面通常包括不同元件。类似地，元表面的元件不必是周期性地布置的。本公开涉及其中多个元件的亚波长元件中的至少两个在形状和/或尺寸和/或成分和/或朝向上不同的元材料。

图1示出了根据本公开的元表面100，该元表面包括基底组件101和多个元件103。如图1中所示，元件103在尺寸和形状上不同。然而，在此实施例中，元件103在基本规则的阵列中布置。即，相邻元件的中心之间的间隔在两个正交方向上基本恒定。

因此，提供了一种被布置成耦合电磁辐射的设备，该设备包括第一元材料，该第一元材料包括：具有不大于电磁辐射的第一波长的厚度的基底组件；以及由该基底组件支持的多个元件，其中每个元件具有不大于该电磁辐射的第一波长的第一维度，且该多个元件中的至少两个元件是不等同的。

有利地，发明人已经发现：使用元表面显著减少了与在传统元材料中出现的共振相关联的损耗。事实上，已经发现，使用其中该多个元件中的至少两个元件是不等同的元材料可产生近乎无损耗的系统。更加有利地，此类元材料非常薄且易于制造。这使其甚至更优选地作为用于生物材料(特别是容器中的生物材料)的传感器。具体而言，其使得该设备尤其适于作为抗反射组件，诸如抗反射涂覆。这些优点被实现是因为：电磁辐射的阻抗匹配和/或成形可在不同尺寸和/或形状的元件被使用时实现。

在一实施例中，第一维度是该电磁辐射传播的方向。在各实施例中，第一维度是每个元件的厚度。相应地，这些元件不被设计成提供需要更大的量的实质能量存储。在实施例中，每个元件的所有维度均小于电磁辐射的波长。在实施例中，第一波长包括包含第一波长的多个波长的带宽。

图1中示出的元件103中的一些可被认为是不规则和/或不对称的。即，在一实施例中，该多个元件中的至少一个元件具有不规则的形状。在一实施例中，该多个元件中的所有元件均具有不规则的形状。有利地，这允许元表面的性质的更精细的微调，因为更多自由度在调谐其性能时可用。

在一实施例中，生物材料被容器束缚。在各实施例中，生物材料被容器围绕。在一实施例中，其中生物材料是血液，容器包括皮肤。在一实施例中，其中生物材料是粮食，容器是塑料瓶。其他示例在下面给出。

图2示出了一实施例，其中元件按非周期性图案排列。图2示出了包括基底组件201和多个不规则放置的元件203的元表面200。元件203在大小和形状方面也是不规则的。元件阵列中的所有元件不必都是不规则排列的。在一实施例中，这些元件的至少一子集以不规则阵列排列。在其它实施例中，所有元件均以不规则阵列排列。有利地，元件的放置中的不规则性允许对元表面的性质的更精细的微调。

图2和3中示出的元表面是基本平坦的。即，在一实施例中，基底组件是平坦的。该元表面被设计成用于电磁辐射在垂直于元表面的平面的方向穿过。在其它实施例中，元表面是不平坦的或弯曲的，诸如球形或圆柱形的。在实施例中，基底是柔性的。与穿过元表面的传输相关联的损耗被减少，因为电磁辐射穿过更少体积的元材料。

在一实施例中，基底组件是介电性的而元件是导电性的。在一实施例中，元件是从任何导电材料形成的，所述导电材料包括同质(homogeneous)材料，诸如金属以及合成物和纳米合成物，包括Bragg反射体(reflector)。这些元件例如可从银、金、铜、和/或铝、或支持在感兴趣的波长处的反射的任何其它金属形成。

本领域技术人员将理解，用于在介电支撑结构上产生导电组件的任何适当技术可以是合适的。在实施例中，蚀刻、光阻蚀刻、电子印刷或光刻技术被使用。在其它实施例中，自我组装化学过程被使用。

在替换实施例中，基底组件是导电性的而元件是介电性的。

元件的厚度可以是几微米到几厘米。这些元件的至少一个维度是亚波长的。

金属和介电元件的“亚波长”周期性布置允许周期性导电组件在共振频率(或波长)处共振。本领域技术人员将理解，可以存在以至少部分共振将发生的共振频率为中心的窄频带。在共振频率处，辐射将至少部分被原材料“捕捉”且放大可通过例如构造性干扰来进行。元材料形成一种类型的波导，该“波导”内的场是被约束并包含的，从而准许放大。相应地，提供了一种被布置成增加辐射到目标中的穿透力的设备。

在实施例中，该设备被调谐到该源和目标介质。已经发现，入射波沿该元材料的导电组件的最小电阻的路径行进。例如，如果源提供平面辐射波，则对称导电元件可以是优选的。导电元件的形状和配置也可被选择以匹配入射辐射的极化。例如，具有水平和竖直特征的导电元件可对于水平和垂直极化的辐射是优选的。

导电元件可包括具有针对感兴趣的波长优化的长度。在实施例中，主要特征的长度大致为入射辐射的波长的一半。例如，具有长元件(诸如螺旋或规则曲折(meander))的导电组件将具有相对长的共振波长。例如，规则曲折中的螺旋的匝数可被增加以增加共振波长。导电元件可包括旋转含义，诸如针对例如环形或椭圆形极化辐射优化的左手或右手螺旋。各元件的形状和尺寸可按照实验或数字地被优化。

在各实施例中，各元件的形状的优化经由数字模拟来实现，以使得设备增强波在特定波长处的穿透力。各元件的形状也可被优化以按以下方式修改入射波的振幅和相位：输出波具有特定属性，诸如最大透射，或聚焦波中的相前结果，或具有特定极化的波(例如，线性或右手环形)。在一个实施例中，这些被设计为电磁模拟器中的该系统的模型。该模型包括该系统的所有组件：源介质、一个或多个设备组件、目标介质、和嵌入在需要被成像的目标介质中的任何其它特征。随后电磁属性根据每个组件的频率被指定，诸如诱电率、导磁率、传导率或损耗。随后该系统的S参数(反射和透射)根据频率被评估。透射被最大化的频率范围可指示该系统的最优操作范围。在其它实施例中，目标不是最大化透射而是在每个元表面元件之后的每个位置处形成具有特定相位和振幅的透射波。例如，相位可沿元表面元件线性改变以形成输出波，该输出波与入射波相比以一角度传播。当元件的几何形状被修改时，透射峰值将被相应改变。从而，人们可修改形状(或其周期)来将操作频率微调到一个或多个感兴趣的频率(例如，生成入射波的天线系统的辐射频率)。

元材料的操作原理是其在特定频率附近高度共振。对于那些频率，波穿过该阵列的透射被增强多倍且从而发生穿过目标的增加的波穿透。也就是说，多个元件共同被布置成在电磁辐射的第一波长处共振。共振条件是通过阵列元件的几何形状确定，且在被放置到特定目标顶上时针对透射优化。也就是说，设备的组件被针对目标定制。

该多个元件中的每个元件可被单独调谐到源、容器和生物材料。为了设计根据本公开的元表面，其可被建模为透射线元件。例如，元表面可担当这两个介质之间的匹配桩，且其阻抗可被设计成使得从一个介质到另一个介质的期望透射被优化。使用分析建模将透射系数与片阻抗相关。从而，元表面的阻抗将确定单位元件(例如，用仿真软件测试过的)的定制设计，其在与一模式相组合时将创建在感兴趣的频率处具有必要响应的元表面以允许小反射情况下的入射辐射的高透射。

在实施例中，元表面被专门设计并使用以与透射侧的人类组织交互。元表面被专门设计以1)最大化穿过组织或生物样本的透射，和/或2)将入射能量聚焦在接收方样本内的特定点。这可通过基于在入射波上应当给予的期望相位优化元表面元件的形状来实现。

该透射线理论意味着元表面可担当空气和皮肤组织之间的匹配桩。通过知道空气和皮肤的性质，透射和反射系数可被得到并与该元表面的片阻抗相关。这些阻抗性质将确定亚波长单位元件的定制设计，其在微观上将“操纵”入射波并提供用于阻抗匹配的必要电抗。获得使用数字计算环境来执行某些数字计算的此定制设计。在此建模之后，使用电磁评估软件来评估和优化计算结构。

基底担当成形元件的支撑结构。在实施例中，成形元件被涂覆在基底表面上。在其它实施例中，成形元件被嵌入在基底内。技术人员将理解，成形元件阵列可按多种方式支撑在基底上。在实施例中，基底是柔性的。在实施例中，设备是多层设备，该多层设备包括多个包括金属的层和/或包括电介质的层。

元表面设计示例

以下是如何设计元表面阵列的一示例。

元表面的目的是沿入射波施加特定相位和振幅改变。元表面的属性被在元表面之前和之后的期望电和磁场的比来提取。

设计元表面的第一步是确定操作频率处的必要片阻抗。

此处Y_es和Z_ms是元表面的片导纳和阻抗(它们是频率和位置的函数)。H和E是元表面周围的电场和磁场：上标(y或z)指示向量字段分量，而上标指示在元表面之前(索引＝1)或之后(索引＝2)的位置。在此示例中，波沿x方向传播，且元表面位于y-z平面中。

此示例涉及元表面的设计，以将源自空气的入射平面波以60GHz频率折射到45度角。替换地，其可被设计为将该波聚焦在透射侧的目标介质(例如，生物材料)内的特定点，或准确匹配阻抗(最大透射)。重要因素是恰在元表面元件之前和紧接在元表面之后的期望电场和磁场的比率。

在计算沿元表面长度(垂直于传播方向)的这些场之后获得的结果在图5中被示出。

在图5中，示出周期性。此周期性将导致周期性元表面，其将在单个晶胞中被细分。针对沿y轴的每个周期，典型数字在5–20之间，尽管更多(更少)元件可被用来增加解析度。

一旦片阻抗已知，则可能使用等式1.3和1.4来提取反射和透射系数的值。

此处η是背景介质的波阻抗。图6示出了从图5的片阻抗得到的反射和透射系数。

根据本公开的元表面是由不同晶胞制成的，本研究将专注于设计其中之一。在一实施例中，为了开始设计，晶胞之一被故意“失调(tuned out)”。在此示例中，每个元表面元件由电介质基底(例如特氟龙)任一侧上的两个亚元件构成。

图7示出了根据此示例的元表面元件的各种视图。

目标是获得根据等式1.5的S参数以便实现此块的正确执行。

S₁₁＝-0.1327+0.1107i S₂₁＝-0.3290-0.9360i (1.5)

图8示出了当上元件中的杆的长度和下元件中的环中的间隙被改变时元表面元件的所获得的模拟S参数。

图9示出了改变下元表面元件的金属环的间隙获得的S参数。

从此，可能做出对解的第一逼近。然而，为了获得最精确的值，必须进行优化。这种优化例如可在仿真软件中执行。

图10示出了用于元表面元件维度的优化过程。

在优化之后，所得到的S参数是：

S₁₁＝-0.1327+0.03968i S₂₁＝-0.3245-0.9261i (1.6)

经优化的元表面元件在图11a中示出。经优化的S参数用图8和9中的垂直线来指示。在各实施例中，每个元表面元件通常或基本上是十字形的。

每个元表面元件可按类似方式来设计。

在一实施例中，提供了一元表面，该元表面包括由电介质基底分开的金属十字和所谓的Jerusalem十字的组合。在各实施例中，电介质基底是液晶聚合物。图11b示出了一实施例的分解图，其包括由电介质分开并夹在两个电介质层之间的两个金属图案化层(总共5层)。图11c是裸元表面结构(在电介质的任一侧上两个金属图案)的示意图。在实施例中，金属部件被嵌入到电介质中。在其它实施例中，金属部件从电介质突出。图11d和11e示出了金属层的俯视图和仰视图。

在实施例中，元表面元件被优化以促使近场的收敛。这些“近场聚焦结构”可导致聚焦远远低于衍射限制的尺寸细节。相应地，元表面可被设计成提供在样本(例如，容器中的生物样本)内部的聚焦。在传统材料中，聚焦通常通过对均质材料(例如玻璃)恰当成形来实现，从而产生透镜型结构。通过根据本公开的元表面，结构的形状可以保留扁平，但是不再是均质的，因为其由不同金属和电介质元件构成。

附加层

该设备可包括多个元表面，其中每个元表面被不同地微调。例如，每个元表面可被布置成在不同波长处共振。在实施例中，通过至少部分重叠多个元表面的共振波长，形成伪宽带设备。对于伪宽带设备，邻近层的共振频率可相差例如半波长的整数倍。

在一实施例中，该设备进一步包括耦合到第一元材料的第二元材料，其中第二元材料包括：具有不大于电磁辐射的第二波长的基底组件；以及被该基底组件支撑的多个元件，其中每个元件具有不大于该电磁辐射的第二波长的第一维度且该多个元件中的至少两个元件是不等同的。

在一实施例中，第二元材料与第一元材料协作地被布置成在电磁辐射的第二波长处共振。

在一实施例中，第一波长与第二波长不同。在实施例中，第二波长还包括包含第二波长的波长带宽。

在实施例中，提供了附加近场聚焦组件，该组件专用于提供上述近场聚焦。在实施例中，近场聚焦组件被紧邻该设备放置以根据本公开耦合EM辐射。在一实施例中，近场聚焦组件是22mm乘以22mm乘以0.368mm结构，其由具有2mm的周期的更小的方形晶胞构成。晶胞包括由电介质层分开的三个金属元件层。具有大范围透射(S₂₁)相位的晶胞是透镜所需的。数字仿真可被用来通过改变参数来影响S₂₁相位和幅度来找到合适的设计。发明人发现，单一元件不提供更大的相位范围，并且因此在实施例中，近场聚焦组件包括多个元件层。在使用三层设计的实施例中，发明人发现有可能将总透射保持很高：所有选择的晶胞具有大于0.8的S₂₁幅度。具有三个元件层的晶胞产生360°S₂₁相位范围。在实施例中，外部两个元件是矩形柱而内部元件是分割的环形整流器。目标焦距为18mm。

示例近场聚焦组件在图11f(透视视图)、11g(正视图)和11h(后视图)中示出。

在实施例中，在天线和设备之间提供了用于耦合EM辐射的附加层，该EM辐射将天线所发射的电磁波成形。此附加层可被认为是波束成形层。波束成形层将辐射图案的振幅和/或相位成形。在实施例中，波束成形层优化设备的辐射图案的形状以用于根据本公开耦合EM辐射。在实施例中，该层是适当成形的电介质或非金属材料。在其它实施例中，该层本身是诸如电介质基底上的金属部件的周期性组合的元材料或元表面。在实施例中，波束成形层包括特氟龙、液晶聚合物、Rogers 3000或Rogers 400系列材料、或向冲击波添加相位的其它电介质材料。在实施例中，波束成形层还包括铜、铝、或其它高度导电材料。

在各实施例中，提供了被布置成将设备耦合到目标的可丢弃的生物兼容层。在实施例中，可丢弃的生物兼容层可出于卫生原因而被提供。在其它实施例中，可丢弃的生物兼容层可包括电介质组件，该电介质组件任选地支持导电元件的平面阵列。可丢弃的生物兼容层因此可被“微调”到该设备的剩余部分。可丢弃的生物兼容层可以是可变形的和/或可具有被布置成附连于人体的一部分的形态。可丢弃的生物兼容层可由基于聚合物的材料形成。

因此可以理解，在实施例中，该设备是多层设备，该多层设备包括多个包括金属的层和/或包括电介质的层。有利地，多层结构可被布置成覆盖适当大的相位范围，同时维持高透射性。在实施例中，该结构包括至少三个元表面层。在各实施例中，每个层具有λ/200到λ/3的厚度，任选地，λ/150到λ/50，进一步任选地，λ/120到λ/80。有利地，发明人已经发现，对每个层的厚度的这一约束确保了感兴趣的波在抵达目标(或完全穿过该设备)之前不会由于传播(扩展束)而被过度衰减。对每一层的厚度的这一约束也有助于最小化设备尺寸。

用于生物材料的传感器

在一实施例中，提供一种可穿戴设备，该可穿戴设备夹到耳垂、手、或富含血液的其它身体部位上并且非侵入式地实时(瞬时或持续地)监视血液葡萄糖水平的变化。无线电波传感器向组织发射并接收数千个个体低功率无线电波信号，这些信号随后被组合以使用算法获得精确的血糖读数。任选地，葡萄糖读数在数秒内被显示在该设备上或者它们可以经由蓝牙被传送至移动应用，病人可在移动应用处管理该数据并接收警告。进一步任选地，数据随后被安全上传到加密的基于云的历史记录系统，该系统对病人或医生可用。

在一实施例中，提供一种经由穿过人类血液的非离子化毫米电磁波的透射和反射的非侵入式葡萄糖测量。根据本公开的设备适用于10到300GHz的范围。然而，在一实施例中，波的频率为约40–100GHz频带，其是对医疗和通信应用开放的可用频谱部分。历史上，此频带尚未被充分利用来进行葡萄糖测量。

有两种用于使用电磁波的非侵入式葡萄糖监视的主要方法。第一种方法利用低频无线电波，通常在MHz或几(最多5)GHz区域。第二种方法利用在频谱的光学部分的高得多的频率。两种方法的基础限制一直是绕过皮肤层的问题，其导致仅在组织液层采样，从而限制了其有效精度和速度。已经报告，在组织液层，与静脉中采样相比，葡萄糖敏感度被延迟最多30分钟。组织液恰在皮肤下方且在血液动脉和毛细血管外侧。

在此频带中的测量提供优于其它非侵入式方法的两个突出优势。首先，波的波长(在空气中约为5mm)足够大以允许穿透人类组织(诸如耳垂)，而同时又足够小以在其内部提供血液区域的足够的解析度。其次，小波长需要同样小的天线来生成它们。从而，可被持续穿戴在人体(例如耳朵)上的移动的小型化无线传感器是可行的，其并入了用于执行葡萄糖测量的所有必要的电子器件和处理能力。

与光学方法相比，在波长小得多的情况下(在几微米范围)，40-100GHz频带是进一步有利的，因为其生成具有足够长以很好穿透壁进入生物样本的波长的波。基于水的样本和组织样本通常具有非常高的损耗并产生显著的阻抗失配，并且从而具有更短波长的波将感知到要穿透的电学上更长的结构，从而沿该路显著衰减。发明人已将1000GHz标识为最大频率，超出该频率的波长太短而无法在不衰减太多的情况下穿透得足够深入到生物样本中。

与利用微波或无线电波的电介质频谱学的其它方法相比，它们通常在低得多的频率(更长的波长)下操作，高至10GHz，其中波长为3cm。这些波足够长以在没有太多衰减的情况下感知电学上小的样本。然而，对于一些样本，它们没有小到足以解析样本内的细节，而仅提供了平均化的宏观信息。此外，如果样本很薄，例如3mm或更少(对于耳垂而言是如此)，则至少更长10倍的波将不能够从该样本感测到任何高精度信息。从而，在一实施例中，40GHz是最低频率，低于该频率的波长太长而无法以高的可再现的精度感测到样本中的小细节和成分。

结果是，发明人已经发现，10–300GHz(任选地40–100GHz)是用于产生精确的感测测量而不衰减波的最优频带。更具体而言，发明人已经发现，两个带宽(59-64和68-72GHz)特别适用于生物样本的范围。在实施例中，发明人已经发现，当带宽为4-6GHz时实现了更好的结果。

过去已经进行了许多尝试来使用共振方法估计葡萄糖水平。这些方法是极其精确的，并且它们许多年来常被用于表征材料。毫无疑问，如果所有其它因素保持恒定，则它们可被用来精确地测量葡萄糖。然而，它们的最大的长处也是它们最大的弱点：如果你在不同人身上尝试，或者对于任何生理皮肤改变(例如，老化、在怀孕期间、出汗/湿润或干燥的皮肤等)，则测量将提供假读数。皮肤具有小孔，我们的身体使用这些小孔来维持恒定的温度。像移动到更热的房间这样简单的事情也将触发汗腺中汗的产生，这将使得测量不精确。根据本公开的结构减弱了皮肤的影响和/或允许电磁辐射基本上穿透原本其将被反射的皮肤。

在实施例中，根据本公开的设备被布置成最小化皮肤和其它生物组织的反射。在实施例中，感兴趣的生物材料是血液而设备被布置成最小化皮肤的反射。在实施例中，因此提供了用于皮肤的抗反射涂层。在这些实施例中，皮肤可被认为是感兴趣的生物材料的容器。

图11i示出了对人类皮肤使用根据本公开的元表面的功率穿透的仿真结果。具体而言，图11i示出了将所反射的功率、透射的功率和逸散的功率对照与0.58mm厚的皮肤层接触的结构的频率。实线对应于由元表面和皮肤构成的设置，而虚线对应于仅由皮肤而没有元表面构成的设置。

元表面结构的总厚度为150μm。添加元表面产生了60GHz处的反射功率从39％到0.16％的降低以及逸散功率的56％到94％的增加。透射功率从4.5％增加到6.3％。没有实现完美透射的主要原因是结构中的损耗的存在。

传感器构造

在图12a到12m中示出了传感器的示意性表示。传感器可被放入富含血液而没有许多其它阻挡(诸如骨头)的身体区域。在实施例中，位置为耳垂、手(在拇指和食指之间)、脚趾之间、嘴唇上，而也可使用其它位置。传感器可被手临时保持就位，或被持续附连。

用于食品的传感器

在其它实施例中，根据本公开的设备被用来探测食品的属性。也就是说，在实施例中，生物材料是食品。在其它实施例中，生物材料是包装食品且根据本公开的设备被布置和/或使用以最小化包装的反射。在实施例中，因此提供了用于食品的包装的抗反射涂层。在实施例中，食品是油，诸如橄榄油或含有橄榄油的合成油。

系统概览

在一实施例中，提供一种传感器系统，其包括测量穿过被测样本(SUT)的透射的传感器1303、实时地或每当连接变得可用时接收该数据的软件应用(移动、平板、计算机等)、在线存储1301以及数据库、以及向用户或第三方显示该数据的客户端应用/接口。这在图13中被示出。

传感器包括发射机和接收机。在实施例中，发射机包括用于生成辐射的一个、两个、或更多个天线，以及用于增强对样本的穿透力的元材料(通常被置于天线和样本之间)。

因此提供了一种传感器，该传感器包括：包括第一天线和(用于耦合电磁辐射的，如上所述)第一设备的发射机，该第一设备被布置成将由该第一天线发射的电磁辐射耦合到生物材料；以及包括第二天线和(用于耦合电磁辐射的，如上所述)第二设备的接收机，该第二设备被布置成将该生物材料所发射的电磁辐射耦合到第二天线。

图14a中示出了根据实施例的传感器中的组件的框图。以下组件中的一些或全部可被包括：用于提供电力的电池1407；用于显示数据的屏幕1408；以及用于提供视觉反馈的LED 1409；同样用于向用户提供反馈的振动系统1411；可测量天线间的距离的电子卡钳组件1410；主存所述电子器件的印刷电路板1401；用于向接收机传送信息的蓝牙或其它通信组件1402；用于直接估计被测样本的阻抗的阻抗分析器1403；用于感测运动的加速度计1404；用于生成无线电波信号的天线系统1405；以及增强被测样本内的辐射的穿透力的元材料组件1406。图14b示出了根据其它实施例的传感器的组件，其包括附加的波束成形元件1450。在本文描述的实施例中，波束成形元件是相位矫正器(仅作为示例)。

在一实施例中，发射机进一步包括检测器，该检测器被布置成检测生物材料所反射的电磁辐射。有利地，这允许进行生物材料的更精确测量。

在进一步实施例中，传感器被进一步布置成确定发射机和接收机之间的距离。在另一实施例中，传感器被进一步布置成确定生物材料的阻抗。有利地，这允许该设备与不同的生物材料工作，诸如与不同的人。在一实施例中，该传感器进一步包括加速度计。

天线、元材料、或者两者可以是有源的可调谐组件，以便取决于被测样本的电磁属性(诱电率、导磁率、阻抗)来调整其操作。例如，当具有与之前的样本略微不同的阻抗的一不同样本被测试时，阻抗分析器将感测到这一点并且天线和元材料将被相应地调谐以最大化对样本的穿透力。这可通过集成可调谐电组件(诸如可变电容器(变抗器(varactor))、电感器或电阻器)来实现。

也就是说，在一实施例中，该传感器进一步包括耦合到天线和/或元材料的可变电阻器和/或电容器以提供调谐能力。

被测样本可以或可以不被置于外壳或容器内部。皮肤可被认为是动物或人类组织的容器。在一实施例中，生物材料是人类或动物组织。在一实施例中，传感器是可穿戴的。在一进一步实施例中，传感器被布置成被穿戴在手、脚、耳朵或嘴唇上，或其中该传感器是手持式的。

在一实施例中，生物材料是食品。在一实施例中，食品包括从包括油、奶、酒、咖啡和果汁的组中选择的至少一者，和/或食品由容器(任选地，瓶或盒)封装。在一实施例中，容器包括玻璃和/或塑料。

还提供了一种系统，该系统包括传感器并进一步包括：被布置成从该传感器接收与生物材料有关的数据的无线接收机；在远离该传感器的设备上操作的软件应用，该软件应用被布置成处理该数据；以及被布置成显示该数据和/或与该数据有关的信息的接口。有利地，因此可以可能远程监视样本。例如，医疗专家可以能够远程测量病人的血液葡萄糖水平。

图15a到15d示出了具有单天线和双天线1503和元材料1502布置的被测样本1501、1504、1505、1506的一些示例。图16示出了调谐天线1602，其包括阻抗分析器1603，用于探测被测样本1604的元表面1601。

图17a到17c和18示出了在操作中的示例设备。图18a示出了包括两个天线180和两个元表面1802的传感器，所述元表面被布置成改善进出人手1803的电磁辐射的耦合。图18b示出了具有附加的相位矫正器组件1805的传感器。

图19示出了具有以周期性模式(上)和非周期性模式(下)的天线构造的元表面的分解图。

图20示出了根据实施例的分层设备，其包括三个元表面层2001-2003以及天线层2004。

有利地，根据本公开的实施例的设备是无源的。即，其不需要电力供应。该设备因此可增加整体能量效率

因此提供了用于葡萄糖传感器的抗反射介质，该抗反射介质包括元表面。还提供了用于食品容器的抗反射涂层，该抗反射涂层包括元表面。

尽管上面已描述了各方面和实施例，然而可进行各种变形而不背离本文公开的发明思想。

示例实验结果

所呈现的两个示例是在经校准的基于水的样本中的葡萄糖感测、以及油混合物中的油感测。测量在50-75GHz频带中执行。所呈现的量是在应用噪声过滤和其它信号处理算法操作之后从原始传输和反射记录信号取回的。

示例1：葡萄糖感测

图21示出了葡萄糖浓度和被处理的信号之间的相关性，其在60GHz附近在两个独立制备的样本溶液中重复。所述结果指示所利用的方法和算法的可重复性。

图22将针对三种不同类型的样本获得的测量：由水和变化的量的葡萄糖构成的样本，由水、盐(NaCl)和变化的量的葡萄糖构成的样本以及由水、变化的量的盐和葡萄糖构成的样本。所述结果证明，三种不同溶液及其相应浓度可彼此完全区分开。使用盐的目的是人类血液的更逼真表示。

图23呈现了根据在68GHz频率处作为极低浓度(成年人的正常范围在4和8mMol/L之间)的葡萄糖浓度的被处理信号。其证明极低葡萄糖浓度可被量化。

示例2：油感测

在此示例中，针对两轮不同的实验来确定棕仁油和菜籽油的混合物中棕仁油的未知浓度。被处理的数据用线性方程来拟合，其可被用来准确地确定每个油品种在混合物中的浓度。

图24示出了根据棕仁油在棕仁油和菜籽油的混合物中的浓度的输出信号。

图25示出了来自无线电波反射测量的被处理信号被用分析用Cole-Cole模型拟合，从而估计该模型的松弛频率。每个油品种呈现出一种特征性的松弛频率，这可被用来标识样本中的未知油品种。在这种情况下，可对该样本使用单一传感器。

根据实施例的传感器因此在确定油在油混合物中的浓度时高度有效。