使用柔性共形天线进行生物计量感测的系统、设备和方法与流程

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)。

技术实现要素：

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。

额外的介电层和金属层可以位于该系列的层之间。例如，第一介电层可以用第一介电层和另一介电层来替代，该第一介电层和另一介电层彼此接触或在一些位置通过额外的金属层而彼此分隔开。此外，额外的层可以包括相对薄的粘合层以将各个层彼此粘附。优选地，非导电性粘合剂或其他非导电层覆盖金属层的表面。

第一金属层限定金属导电接地平面。优选地，第一金属层由铜形成。优选地，该层在大于1微米与2000微米之间，更优选地在4微米与100微米之间。通常，PC板上的铜是17至68微米厚。优选地，该层具有大于10,000,000西门子每米的电导率。

第一介电层提供金属层之间的间隔。优选地，第一介电层由下述材料形成：介电常数在1与200之间以及更优选地在2与11之间；对于3.1GHz与10.6GHz之间的所有频率，介电损耗系数小于0.1以及更优选地小于0.05。优选地，第一介电层由与用于形成PC板相同的材料形成。优选地，该材料是环氧玻璃。该第一介电材料是相对刚性部的一部分，而不是相对柔性部的一部分。被标记为FR4的当前优选的材料是由编织纤维玻璃布与环氧树脂粘合剂构成的复合材料。

第二金属层提供天线馈送器。优选地，第二金属层由具有与第一金属层相同的优选特性和厚度，但优选地不厚于100微米的材料形成。形成第二金属层的优选材料是铜。然而，第一金属层和第二金属层可以是不同金属。然而，第二层对于设置天线馈送器而言不是必要的。反而，天线馈送器可以例如通过同轴连接来设置，或通过包括位于第三金属层上方或第一金属层下方的金属的微带线来设置。

第二介电层是充分柔性的，使得其可以弯曲以允许相对刚性部(这些部包括相对刚性的第一介电层)以与非平坦表面共形。优选地，第二介电层由具有2与6之间的介电层的材料形成；优选地，第二介电层由具有小于0.02的损耗系数的材料形成。优选地，第二介电层由聚合物或包括聚合物的复合材料形成。这些聚合物包括聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺和芳族聚酰胺。第二介电层可以是一个或更多个聚合物与玻璃或其他陶瓷的复合物。优选地，相对柔性的第二介电层在天线结构的整个覆盖区上延伸，其包括相对刚性部和相对柔性部二者。

第三金属层限定贯穿其中的孔径。优选地，第三金属层由具有与第一金属层相同的优选特性和厚度，但是优选地不厚于100微米的材料形成。优选地，第三层由铜形成。

天线结构被制造以使得其产生由相对柔性部连接的相对刚性部。相对刚性部均包括第一金属层(接地平面)的一部分；相对刚性的第一介电层的一部分；以及相对柔性层的一部分。每个相对刚性部的各个区域还包括第三金属层的一部分。相对刚性部的至少一个还包括设置天线馈送器的第二金属层的一部分或全部。

天线结构被制造以使得其产生包括相对柔性的第二介电层的一部分的相对柔性部。优选地，相对柔性部还包括设置天线馈送器的第二金属层的至少一部分。

优选地，为了方便制造，每个相对刚性部的形状是矩形的。然而，可以设想到任何形状。

优选地，每个相对柔性部的形状也是矩形的。

优选地，天线结构限定了穿过第一和第二介电层的路径，该第一和第二介电层包含导电材料。每个路径中的导电材料优选地连接第一金属层和第三金属层二者。优选地，这些导电路径定义了线性延伸至第一金属层和第三金属层二者的过孔。

优选地，这些导电路径均位于第二介电层外围附近。优选地，过孔彼此间隔开0.1毫米与5毫米之间，以及更优选地0.2毫米与1.0毫米之间。次优选地，天线结构包括侧镀层，其在相对刚性部的至少那些限定天线结构的外围侧面的表面上设置导电层。优选地，这些过孔限定了如图3所示的围绕第三金属层中的孔径的环。更优选地，过孔的环与第一和第三金属边缘偏移一个本质上预定义距离，以形成带开口端的传输线，旨在抑制第一金属外表面上不想要的电流。

天线馈送器优选地连接至导电路径或是导电路径的一部分，该导电路径被导电地连接至天线结构外部的电子电路。该导电路径可以包括延伸穿过第一或第二介电层或延伸至天线结构的外围侧的路径的过孔。

此外，天线结构还可以包括微波吸收材料。例如，对于6GHz至35GHz，薄的、柔性的、磁加载的高损耗硅橡胶材料是非导电的。在美国专利5,275,880中讨论了这种类型的材料。各种微波吸收材料是可商业获取的。例如登记为美国商标号0643877的商标名“Eccosorb”下的材料是微波吸收材料。发明人设想的特别优选的材料是商标“Eccosorb GDS”。这些材料是可商业获取的。描述包括磁性颗粒复合物的这样的材料的特性的论文如下：Gama,"Complex permeability and permittivity variation of carbonyl iron rubber in the frequency range of 2to 18GHz"(羰基铁橡胶在2至18GHz频率范围内的磁导系数和介电常数的复杂变化),Journal of Aerospace Technology and Management(航空航天技术与管理杂志),"V.2,n.1,Jan.–Apr.2010。

该微波吸收材料可以覆盖结构的在接地平面结构与天线结构之间的侧区域(诸如PCB侧区域)；还有在接地平面结构的背侧的侧区域；以及还有在刚性介电件(诸如天线位于的介电PC板)之间的一个或多个可弯曲区域中的侧区域。该材料可以用于使从天线结构到自由空间的辐射最小化。

实施方式

本文公开了用于感测生物计量数据的可符合圆柱状身体器官的天线结构实现的实施例。公开的方法、设备和系统讨论了用于感测生物计量数据的可符合身体肢体的弯曲部分的超宽带微型化薄天线实现的实施例。在一些实例中，可以使用刚性可弯曲的PCB技术来构造天线以实现顺应性，宽带能力、低成本和单向性辐射特性。

天线结构实现可符合的身体器官的示例包括身体器官的圆柱状表面区域。这些区域包括腕关节、臂部、颈部、头部、腿部、踝关节、肩部和胸部。

应理解，前述概念和下面更详细讨论的另外的概念(假设这些概念彼此不一致)的所有组合被设想为本文公开的本发明的主题的一部分。具体地，在本公开内容的结尾处出现的要求保护的主题的所有组合被设想为本文公开的本发明的主题的一部分。还应理解本文明确使用的术语(其也可以出现在通过引用并入的任何公开内容中)应与同本文公开的具体概念最一致的含义相符。

附图说明

本领域技术人员将理解附图主要用于说明的目的，而非旨在限制本文描述的本发明的主题内容的范围。附图不一定是按比例的，在一些实例中，在附图中可以夸大或放大地示出本文公开的本发明的主题内容的各方面，以有利于对不同特征的理解。在附图中，相似的附图标记一般是指相似的特征(例如在功能和结构的至少一个方面相似)。

图1是用于感测例如动脉的超宽带微波信号天线结构的示例实施例的透视图以及用于定向的x-y-z坐标系。图1未示出用于馈送(换言之，激励)天线结构的装置。

图2是相对于包含要感测的动脉的肢体定位天线结构的示例的透视图。

图3是天线结构和用于向天线结构馈送能量的天线馈送结构的示例的透视图。对于本文公开的天线结构的实施例，该馈送结构是有用的。

图4是本文公开的天线结构的层的x-z平面的截面以及用于定向的x-y-z坐标系。

图5是包括两个天线结构、分隔部和相对柔性部的复合天线结构以及身体部位的混合截面透视图。

具体实施方式

图1示出了超宽带微波信号天线结构100，其包括开口或槽101、金属板102、柔性PCB部103、第一刚性PCB部104、第二刚性PCB部105、过孔行或过孔环106、背侧上的接地平面107、以及柔性部108。

图1示出了天线结构100，其包括具有开口或槽101的金属板102。第一刚性PCB部104和第二刚性PCB部105可以被覆盖并附接至包括柔性部108(其可以用作用于第一PCB部和第二PCB部的互连部)的柔性PCB部103，从而允许天线与该天线可附接到的肢体共形。刚性PCB部104和105是上面讨论的相对刚性部的实施例。柔性PCB部103是上面讨论的相对柔性部的实施例。可以以各种形状设计槽以实现期望的特性，包括如下渐变设计：在槽终止之前从端阻抗的两倍(例如，对于50欧姆的端阻抗有大约100欧姆的槽特征阻抗)开始将槽特性阻抗逐渐增加高至实用性的。例如，槽可以被成形，使得在3.1GHz至10.6GHz的UWB中的至少5GHz的带宽下天线被良好匹配。在一些实例中，更长的槽长度可导致更低的中心频率，并且在圆形界定之前更大的渐变末端宽度产生更宽的天线带宽。例如，槽宽度的设计可以遵循以下配置：

对于|x|<x₀，槽宽度s(x)可以被设计成遵循公式s(x)＝2S₀e^k|x|，

而对于|x|≥x₀，槽宽度可以被设计成使得s(x)可具有以x＝x₀+k s²(x₀)为中心、以R＝{s²(x₀)+k s²(x₀)}的平方根为半径的圆形。

对于X<-X0，x＝-X0-kS^2(X0)。

这些基本上圆形界定的指数渐变槽形状可以用于获得超宽宽带和大波束宽度中的至少一个。在一些实例中，天线性能可能对槽的精准形状不敏感，并且槽的宽度的偏差(例如，百分之几十)会对天线性能产生有限的影响。在一些实例中，天线的形状可以被设计成顾及接近肢体放置天线的一些变型。例如，槽可以被成形，使得即使天线错位多达6mm，当槽被定位在腕关节区域中的动脉上方时也允许心率检测。在一些实例中，PCB天线结构可以包括背侧的接地平面107，从而产生单向性辐射图案。该背板可以连接至顶部金属，该顶部金属用穿过天线的厚度并提供连续金属墙的等同电气功能的过孔的行(或环)106包围槽。

天线结构100可以作为可穿戴装置(未示出)的一部分被包括在内。可穿戴装置可以用带或服饰配件嵌入天线结构，并可以包括粘合到天线结构100的聚合物层。

图2示出了肢体201和天线结构100。天线结构100相对于包含要感测的动脉的肢体201被定位。图2示出了由于相对柔性部108的弯折(也称作弯曲)而引起的相对于刚性部105以一定角度倾斜的刚性部104。优选地，第一刚性PCB部104和第二刚性PCB部105可以通过凹槽121分隔开以有利于PCB部103的互连柔性部108的柔性，从而允许天线与肢体的形状共形。然而，凹槽(其是沿着图2中文本方向的空间范围)对于柔性部的弯曲不是必要的。所需要的是柔性部可以在至少一个方向上用作铰链。相对柔性部108可以不被背板遮蔽以不妨碍柔性。难以使用常规的PCB制造技术经济地制造零长度柔性铰链。然而，出于各种原因，应尽可能短地制成柔性部。

图5示出了复合天线结构以及复合天线结构在身体部位的两个动脉附近定位。图5示出了复合天线结构500，其包括相对刚性天线部510、511、513和514，并且还包括相对刚性天线部512。相对刚性部510和511以及介入的相对柔性部(未编号)限定一个天线结构。相对刚性部513和514以及介入的相对柔性部(未编号)限定另一个天线结构。每个天线结构通过相对刚性部512以及相对柔性部516和517与另一天线结构间隔开。相对柔性部516、517还将相对刚性部512连接至两个天线。包括两个天线半部510、511的天线结构被定位成相对靠近桡骨或尺骨动脉502。包括另两个天线半部513、514的天线结构被定位成相对靠近桡骨或尺骨动脉中的另一个503。部510、511、513和514包括PCB，并且512也包括PCB。PCB部512还可以用作用于传感器电子装置的连接点。

如图所示，每个天线结构被定位成相对靠近身体部分的相应动脉以感测该动脉的变化。

每对相对刚性部被相对柔性部连接。因此，在一些实施例中，仅存在由单个相对柔性部连接的一对相对刚性部。

图3示出了天线结构和天线馈送结构。在一些实例中，天线可以通过印刷在柔性PCB材料303的内表面上的微带线305馈送。该内表面是柔性材料303的与表面金属化302相对的表面。微带线305被椭圆形电容盘304终止。电容盘304可以具有各种形状。优选地，电容盘的形状和位置提供相对短的微带线。在其他实施例中，可以用导电过孔实现的欧姆连接来替代电容耦合。

此外，RF传感器可以包括探测二极管。探测二极管可以位于相对刚性部上，或位于PCB天线半部上，从而使二极管探测器与天线之间的电距离最小。

图4示出了本文公开的天线实施例的层的截面图。图4示出了带槽的顶部金属层401、背板金属层402、柔性介电层403、PCB介电层405、以及导电过孔406。在一些实施例中，带槽的顶部金属层401和背板金属层402利用导电过孔406被互连。导电层被介电层支撑。柔性层403(例如包括聚酯薄膜)和PCB介电层405(例如FR-4材料)支撑导电层。导电层401和402在层的平面中伸出超过短路过孔406一个短路距离Δ。该短路距离Δ的存在允许产生短路板传输线。该短路板传输中断了顶表面401上的表面电流的流动路径，以免封闭在接地平面102的外皮上的其电流路径。这限制了电场在负Z方向上的辐射，并且还降低了逆辐射强度。

本领域普通技术人员将容易想到本文描述的用于执行功能以及获得结果和优点的各种其他结构。这种变型和/或修改中的每个被认为在本文描述的本发明的实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置表示一种示例，以及实际的参数、尺寸、材料和配置将取决于利用本发明的教导的一个或多个特定应用。本领域技术人员仅使用例行实验就认识到或能够确定本文描述的本发明具体实施例的许多等同方案。仅通过示例的方式呈现前述实施例，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，可以以具体描述和要求保护的方式之外的方式来实践本发明的实施例。

优选地，本发明的天线结构通过本领域技术人员已知的常规PCB制造技术来形成。美国专利5,499,444例如公开了用于制造刚性可弯曲的PCB的方法。

优选地，本发明的天线结构被并入可穿戴装置中，诸如腕带衬衫或裤子，使得当可穿戴装置被戴在身体上时，天线结构均与佩戴者的身体部位的表面基本上齐平。例如，天线结构可以被模制成带状物，该带状物被设计成固定在腕关节、踝关节、颈部或胸部周围。例如，本发明的天线结构可以被散布在口袋中，或通过散布被固定到衬衫或裤子的织物区域中。此外，天线结构的制造方法还包括将天线结构电连接到电源，或在天线结构中包括电源。此外，制造方法包括将信号馈送器和检测器耦合到适合的电子装置，用于使用天线朝向人类或其他动物的身体辐射信号以及分析天线结构接收的信号以根据该信号确定生理相关信息。在一个优选实施例中，该适合的电子装置的一些部分可以驻留在图5的中间部512的一面或双面上，以及驻留在部510、511、513、514的背侧的任何一个或更多个上。

在使用时，天线结构朝向身体部位辐射宽带能量，并接收从该身体部位反射的能量。通过实现生理活动的模型(例如心率模型、动脉直径模型和血流模型)的电子装置来分析辐射的能量和反射的能量，以提供被建模的生理量的估计或测量。

对本申请任何地方提到的公开或其他文件(包括但不限于专利、专利申请、文章、网页、书籍等)的任何或全部引用，其全部内容通过引用并入本文中。此外，本文限定和使用的所有定义应理解为涵盖字典定义、通过引用并入的文件中的定义和/或所定义的术语的一般含义。