CN105550734B - 能进行无线通信的可穿戴贴片 - Google Patents

Abstract

能进行无线通信的可穿戴贴片，其包括一弹性层；一粘结层，位于弹性层之下；一可以切向变形的电极层，其包括：一支撑基材，包括一个或多个开口，以使该可以切向变形的电极层可切变、拉伸，并具透气性；一顶部电极层，位于支撑基材之上；及一底部电极层，位于支撑基材之下。该支撑基材可含有一通过导电连接上下两个电极层的通路。底层电极可与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号。

Description

能进行无线通信的可穿戴贴片

技术领域

本发明涉及一种可穿戴无线电子设备，特别是涉及一种形如贴片、可粘附于人类皮肤的无线设备。

背景技术

可穿戴贴片可与智能手机及其他使用WiFi、蓝牙或NFC技术的设备通信。近场通信(NFC)是一种无线通讯标准，能使短距离内两台设备在短时间内通过频率范围为13.56MHz的无线电波建立通信通道。NFC是一种对近距离内两台设备间进行数据转移广泛应用的技术。由于它要求两台设备彼此靠近(10厘米内)，这种技术比蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术更具有数据安全性。因此，NFC被看作一种为数据转移建立双向快速连接的简便而安全的工具。NFC是一种双向通讯工具，两台设备/两张卡片之一可含有被动式标签，在降低成本的同时具有与任何其他RFID设备相同的功能。NFC使用一种被动式能源，从读取设备的电磁耦合采集而来，由此为NFC标签带来另一好处，即系统中无需使用电池，简化了产品设计，并使其作为一次性产品使用成为可能。

该通信标准正越来越多地使用于包括转帐、会员优惠券、礼品卡、过站牌、车票等无线交易。移动手机制造公司也更多地将NFC硬件纳入手机产品中。例如，2014年CES展会上的胸牌标识卡就采用了NFC技术，其结果是，参展人员排队更短、胸牌功能性更强、参展方与展览方都获得了更多便利。NFC在医疗器械、电子病历及可穿戴标记设备等领域也得到了更广泛的使用。

其他情况则需要长距离通信，如10米以上。无需时时近距离接触NFC贴片读取设备，数据便可通过最少的操作干预而自动持续地得到采集。这种情况下更宜选择蓝牙和WiFi并配备1.5伏以上电压的电池。

可穿戴贴片是一种电子标签，可供使用者佩戴。可穿戴贴片要求能直接贴附于使用者皮肤，功能持续数小时至数月。可穿戴贴片可含有微电子系统，可使用NFC、蓝牙、WiFi或其他无线技术访问。例如，身份验证可穿戴贴片可用于识别使用者智能手机，达到身份验证目的。亦可与不同传感器结合，用于生命体征监测、运动跟踪、皮肤温度测量和心电图检测等其他目的。

尽管传统可穿戴设备在初期进行了大量开发工作，其仍面临几大缺点：可能无法为佩戴者提供足够的舒适度；不能长时间粘附于使用者身上；不够美观等。

传统可穿戴贴片的另一缺点在于刚性高分子聚合物基材为皮肤提供的透气性较差。汗湿累积可能引起皮肤不适或带来刺激，尤其在穿戴一段时间后更是如此。此外，传统可穿戴贴片的刚性基材很难与曲面紧密相合。

此外，传统可穿戴设备通常可靠性较差，无法维持可穿戴贴片随贴附皮肤部位运动的反复拉伸。可穿戴贴片内部各层在压力下可能断裂脱层，导致贴片无法使用。

另一方面，用于测量人体器官电活动的常规电极通常笨重、不可伸缩、柔韧性差。其数据收集过程通常以损失使用者生活质量为代价。

因此需要一种耐用且佩戴舒适的测量人体器官电信号的设备。

发明内容

本发明试图解决上述传统可穿戴贴片的局限。本发明所述可穿戴贴片具有高度柔韧性，同时可支持可穿戴贴片内置电路、芯片及其他电子组件。本发明所述可穿戴贴片可通过改变物理外形与尺寸来缓解外部反复拉伸或其他形式的变形，由此增加可穿戴贴片的耐用性，并为使用者提供更多的舒适度。本发明所述可穿戴贴片可长时间贴附于皮肤，即使经皮下肌肉运动也能持久贴附，并有更多的舒适感。

此外，本发明所述可穿戴贴片含有超薄、灵活、可延展的电极，其配置用于测量人体器官电活动，如心电图、脑电图、肌电图等。本说明书所述可穿戴贴片能够测量人体电信号，并极具延展性、灵活性、透气性及使用舒适性。

另外，本发明所述可穿戴贴片提供更多电子消费品的外部美感。

本发明涉及一种可穿戴贴片，其包括：弹性层；和位于弹性层之下粘结层；及一平面内可剪切变形的电极层，其包括：一支撑基材，包括一个或多个切开的区域，以使该可剪切变形电极层具备切变、拉伸的能力，并具透气性；一顶部电极层，位于支撑基材之上；一底部电极层，位于支撑基材之下，其中支撑基材中有一通孔可以导电，来连接上下两电极层的通路，其中底部电极层配置用于与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号。

本发明的可穿戴贴片可通过下述一个或多个组件来实施：弹性层与粘结层可分别切出部分区域，可以露出顶部电极层上表面，可使一电导线连接顶部电极层与外部设备连接。弹性层与粘结层可以比电极层大。和电极层相比，弹性层与粘结层可沿边多出0.5毫米至100毫米之间的尺寸。支撑基材的杨氏模量可大于0.5Gpa。支撑基材一般薄于1.0毫米。弹性层杨氏模量可小于0.3Gpa。

另一方面，本发明涉及一种能进行无线通信的可穿戴贴片，其包括：一弹性层；一粘结层，位于弹性层之下；及一可以进行切向变形的电极层，其包括：一电路模块，其包括：第一支撑基材；一内嵌于第一支撑基材中的导电线路；及

一半导体芯片，与导电电路连接；及第二电路模块，其包括：第二支撑基材，其包括一个或多个开口，以使该可以切向变形的电极层可切变、拉伸，并具透气性；一顶部电极层，位于第二支撑基材之上；及一底部电极层，位于第二支撑基材之下，其中第二支撑基材含有一通过导电连接上下两层电极层的通路，其中底部电极层配置用于与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号；及连接第一电路模块中第一支撑基材与第二电路模块中第二支撑基材的弹性丝带，其中弹性丝带内嵌有一个连接线路，其配置用于从顶部电极层向第一电路模块传输电信号。

本发明的能进行无线通信的可穿戴贴片可通过下述一个或多个组件来实施：第一电路模块配置用于与外部设备通信时接收或传输无线信号。导电电路可包括天线电路，其配置用于与外部设备通信时接收或传输无线信号。第一电路模块可基于近场通信(NFC)、Wi-Fi、蓝牙或RFID无线通信标准与外部设备进行无线通信。支撑基材杨氏模量可大于0.5Gpa。支撑基材可薄于0.5毫米。弹性层杨氏模量可小于0.3Gpa。至少一条弹性丝带可含有聚合物基质；及一导电线路层，内嵌于该聚合物基质，其中导电线路层为Z字形弯曲的结构，其中导电线路层配置用于连接第一线路模块中的导电线路与第二电路模块中的顶部电极层。

另一方面，本发明还涉及另一种能进行无线通信的可穿戴贴片，其包括：一弹性体基质，其包括一下表面；位于弹性体基质的第一电路模块，其包括：一导电电路；一半导体芯片，与该导电电路连接；位于弹性体基质的第二电路模块，其包括：一顶部电极层，位于第二支撑基材；一底部电极层，其配置用于与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号；一穿过弹性体基质的通路，其配置用于通过导电连接顶部和底部电极层；位于弹性体基质的弹性丝带，其配置用于连接第一电路模块与第二电路模块，其中弹性丝带包括一连接线路，其配置用于从顶部电极层向第一电路模块传输电信号；及一粘结层，位于弹性体基质下表面。

上述弹性体基质可包括一个或多个开口，使可穿戴贴片可切变、拉伸，并为使用者皮肤提供透气环境。

以上及其他方面、其实施方法与其他特征将于附图、具体实施方式、权利要求中具体阐明。

附图说明

图1示出一种可贴附于使用者皮肤的可穿戴贴片的使用方法。

图2为依照本发明实例的可穿戴贴片分解透视图。

图3为依照本发明实例的可穿戴贴片横断面图。

图4为依照本发明实例的可穿戴贴片另一分解透视图。

图5为依照本发明实例的用于连接电路模块的弹性丝带横断面图。

图6为依照本发明实例的可穿戴贴片横断面图。

具体实施方式

如图1所示，柔性可穿戴贴片100可置于人体皮肤表面110并贴附于上，如额头、手、手腕、胳膊、肩膀、胸、腰、腿、足等部位皆可。

如上所述，令可穿戴贴片贴附与人体面临几大挑战。可穿戴贴片需能贴附于肌肤维持较长时间，经多种日常活动如淋浴、泡浴、游泳、锻炼、举重等而不脱落。贴片还需调整外部形态以贴附于皮肤，能随皮下肌肉运动而改变贴片形状。贴片还需能承受每日数次的衣料摩擦。创可贴持续贴附于肌肤至一周已十分具有挑战性，而传统可穿戴电子产品的基材通常是刚性的，使得这些产品比创可贴更易脱落。此外，制造一种令使用者感到舒适的贴片也很具有挑战性。理想化的贴片应具有延展性、柔软性和透气性。

本发明意在克服常规电极存在的缺点，提供具有柔软性、柔顺性、韧性、并为使用者佩戴提供舒适感的电极，同时也有可能消除其对导电凝胶的要求。根据图2、3所述，柔性可穿戴贴片200含有一弹性层210、一可以切向变形的电极层220、及一粘结层250。可以切向变形的电极层220含有一非导电支撑基材225、一位于非导电支撑基材225之上的顶部电极层231、一位于非导电支撑基材225之下的底部电极层232、及一通过导电连接顶部电极层231与底部电极层232的通路245。底部电极层232与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号。电信号通过通路245传输至顶部电极层231。弹性层210与粘结层250选用超柔性材料。湿气与空气可轻松通过这两层，为皮肤带来良好透气性。视情况，弹性层210与粘结层250可分别包含开口215与255，从而露出顶部电极层231上表面，并可使一电导线连接至顶部电极层231，将电信号传输至外部设备。将电极层连接至弹性电子电路的电导线亦可与弹性印刷电路/基材置于同一层，与顶部电极层231与底部电极层232采用同种制造工艺。本例中开口255与215不一定是必要的。

弹性层210与粘结层250面积上可大于可以切向变形的电极层220，留出边部间隙W。由此当柔性可穿戴贴片200置于人体皮肤，一部分粘结层250可与皮肤接触，令柔性可穿戴贴片200紧紧贴附于皮肤。某些实例中，边部间隙W可大于0.5毫米、小于100毫米，以保证贴片足以粘附于皮肤，又能为使用者提供足够的舒适度。

支撑基材225具有足够的刚性以支撑顶部电极层231与底部电极层232。某些实例中，支撑基材225的杨氏模量可大于0.5Gpa，如在1.0-10Gpa之间。适于基材225的材料举例有聚酰亚胺、聚酯、芳纶、玻璃环氧树脂、硅树脂、聚氨酯和聚萘二甲酸乙二醇酯。重要的是，支撑基材225的结构为可以切向变形的电极层220提供延展性。支撑基材225包含开口235，其当柔性贴片200在外部应力下电极层220可切变、延展。通过在支撑基材225上形成开口，可提高支撑基材225的有效柔韧性(降低有效弹性常数)。一些实例中，支撑基材225薄于0.1毫米以实现柔韧性(弯曲性)，而支撑基材225的有效弹性则通过利用开口结构得以实现。在一些实例中，支撑基材225厚过0.001毫米，以保证足够的强度来支撑顶部电极层231与底部电极层232。

弹性层210可由具有低杨氏模量、高断裂应变的粘弹性聚合物材料制成。一些实例中，弹性层210杨氏模量小于0.3Gpa。一些实例中，弹性层210杨氏模量可小于0.1Gpa，以加强柔韧性与增粘性。适于弹性层210的材料包括弹性体与粘弹性聚合物，如硅树脂与医用聚氨酯，后者是一种透明医用敷料，用于覆盖并保护伤口，具有透气性，且贴合皮肤。

因此，弹性层210与可以切向变形的电极层220为柔性可穿戴贴片200提供支撑的同时，也保证了贴片的柔性、延展性、柔韧性、透气性与耐性。弹性层210与可以切向变形的电极层220极具柔性，可在多种运动姿势下贴合皮肤，在这些运动中，柔性可穿戴贴片200可反复拉长、压缩。弹性层210与可以切向变形的电极层220也极具透气性，将皮肤呼气与湿气释放至外部环境。可以切向变形的电极层220中间的开口235为电极200提供额外透气性。粘结层250可通过开口235与使用者皮肤接触并贴附于上，以保证将电极粘结至皮肤，这对持续可靠的数据收集极为重要。

在一些实例中，如图4所示，柔性可穿戴贴片400包括一弹性层410、一粘结层450、及一可以切向变形的电极层420。可以切向变形的电极层420包括一由电路模块430、431、432构成的网络，三个模块通过嵌有导电线路的弹性丝带440相互连接。弹性丝带440可与电路模块430、431、432置于同一弹性层，且制造工艺亦可相同。弹性丝带440也可作为单独组件制成，工艺与电路模块430、431、432不同。

至少一个电路模块430配置用于基于NFC、RFID、Wi-Fi或蓝牙等无线通信标准与外部设备进行无线通信。电路模块430包括一支撑基材、一个或多个半导体芯片、一电路、及一形成于支撑基材表面或内部的天线电路。外部设备举例有智能手机、电脑、移动支付设备、扫描仪与读取器(如RFID读取器)、医用设备、保安系统、个人身份识别系统等。天线电路可与NFC通信兼容，其频率范围接近13.56MHz，如上所述，亦可与UHF RFID兼容，频率范围约在915MHz；与蓝牙兼容，频率范围在2.4GHz或5GHz；或与其他种类无线通信兼容。

一个或多个电路模块431、432的结构与可以切向变形的电极层220相似，如以上及图2所示。电路模块431、432中由底部电极层采集到的电信号被传输至电路模块430，随后可经无线传输传至外部设备。

弹性丝带440可作螺旋或蛇纹状,当柔性可穿戴贴片400佩戴过程中受到拉伸时为贴片提供延展性。

弹性层410具有透气性，可将皮肤呼气、湿气释放至外部环境。电路模块网络430-432与弹性丝带440划分出其间的开口535，为柔性可穿戴贴片400提供额外透气性。此外，可在电路模块430-432上打孔形成开口孔洞，以增加其透气性与有效弹性。电路模块430-432中的支撑基材可以相连，以支撑电路模块430-432及弹性丝带440中的导电线路。制造方面，电路模块430-432中的支撑基材可由一连片材料经单步骤形成。电路模块430-432与弹性丝带440之间的开孔可通过精密模切或激光切割之类技术在一连片材料上切割而成。应注意，本发明申请说明书中所述用于电路层的“单层基材”结构与传统办法不同，其中不同电路板或模块通过连接配件与弹性丝带相连。在本发明所建议方法中，模块与丝带皆可在同一单层连续基材上制成。在基材上开口或打孔，以提供高有效弹性与透气性。

与弹性层210(如图2、3所示)相似，弹性层410可选取具有低杨氏模量与高断裂应变的材料制成，如粘弹性聚合物材料。某些实例中，弹性层410氏模量小于0.3Gpa。某些实例中，弹性层410氏模量小于0.1Gpa以加强柔韧性与增粘性。适于弹性层410的材料包括弹性体与粘弹性聚合物，如硅树脂与医用聚氨酯，后者是一种透明医用敷料，用于覆盖并保护伤口，具有透气性，且贴合皮肤。某些实施例中，支撑基材410薄于0.5毫米。

电路模块430-432中的支撑基材410具有足够的强度以支撑顶部电极层与底部电极层232，或导电电路与半导体芯片。某些实例中，支撑基材225的杨氏模量大于0.5Gpa，如在1.0-10Gpa之间。适于基材225的材料举例有聚酰亚胺、聚酯、芳纶、复合材料、玻璃环氧树脂、硅树脂、聚氨酯与聚萘二甲酸乙二醇酯。

弹性丝带440亦可包括如图5所示的Z字形弯曲的结构。弹性丝带440包括一导电线路层510，视情况配有一密封于弹性体基质520(如聚合物基质)的支撑基材层。导电线路层510呈Z形弯曲状，其方向垂直于佩戴者皮肤，即与柔性可穿戴贴片400厚度方向垂直。导电线路层510内嵌于弹性体基质520，其配置用于连接电路模块430内导电电路与第二电路模块431、432的顶部电极层(如图4)。弹性体基质520在较轻拉伸下即可轻易变形，应变力高。因其锯齿状结构，弹性丝带440可随皮肤运动拉伸，而对皮肤约束力最小。

如图6所示，柔性可穿戴贴片600包含由弹性丝带440连接起来的电路模块430-432。电路模块430-432与弹性丝带440形成于弹性体聚合物基质610中。弹性丝带440包含配置用于从顶部电极层231向电路模块430传输电信号的连接线路。电路模块430，431和432可包含如图6和上文所述的开口。弹性丝带440可呈蛇纹形(如图4所示)或沿厚度方向的锯齿状(如图5所示)。开口、弹性丝带440的形状与弹性体聚合物基质610能使位于柔性弹性体基质的可以切向变形的电极层420与柔性可穿戴贴片400轻易地随皮肤变形而变形，且对皮肤施加最小应力约束。柔性基质材料可由极为柔软的材料制成，可选取硅树脂、聚氨酯等弹性体材料。可在弹性体聚合物基质610中形成多个开口615，为皮肤提供更多透气性。弹性体聚合物基质610亦可保护芯片与电路不受外部机械损伤或电子放电影响，以提高其在复杂环境中的可靠性。顶部电极231嵌于弹性体聚合物基质610之中，而底部电极232下表面露出，从而可与皮肤接触。顶部电极231与底部电极232通过通路245导电相连。粘结层630形成于弹性体聚合物基质610下表面，但位于底部电极232区外部。粘结层630可层压于弹性体聚合物基质610，以便良好地粘合于皮肤。本例中，弹性体聚合物基质610中无需弹力层，可以移除(如410(见图4))。

可穿戴贴片中电路模块网络细节在共同受让的待决美国专利申请14/491，665中有所陈述，该申请名为“具有应力消除性能的高柔性可穿戴无线贴片”，提交于2014年9月19日，该专利申请说明书所述内容以引用方式并入本文。

可穿戴贴片中电路模块网络细节亦在共同受让的待决美国专利申请14/454，457中有所陈述，该申请名为“能进行无线通信的可延展多层可穿戴标签”，提交于2014年8月7日，该专利申请说明书所述内容以引用方式并入本文。

本发明所述柔性可穿戴贴片一大优点在于其相比传统可穿戴贴片所具有的机械特性。传统可穿戴贴片刚性较大，有时易断裂或脱层。可以切向变形的电极层结构设计用于提供更多的柔顺性；弹性层制作材料采用聚合物材料，如弹性体，也为可穿戴贴片提供柔顺性、延展性与韧性。弹性层与支撑基材能降低贴片上碰摩力的影响，从而为半导体芯片与天线电路提供更好的保护。柔性可穿戴贴片由此能具有改善随使用者皮肤运动而产生的拉伸和压缩的破坏性影响。因此，弹性层与支撑基材能降低贴片脱落的可能性，由此增加该柔性可穿戴贴片的使用寿命。

粘结层可采用压敏粘性材料，使柔性可穿戴贴片在压力下紧紧贴附于皮肤，例如在拇指按压下贴服皮肤。例如，粘结层可由医用压敏粘结剂制成。这种粘结剂可采用的一种材料举例是医用级预定型低致敏性压敏粘着剂。

虽然本发明包含很多详细规范，但它们不应视为对一项已申明或未来可能申明的发明的范围的限制，而更应看做是对特定发明实例特征的描述。本发明实例分别所述的一些特征亦可组合实施于单一实例中。相反，单一实例中描述的多个特征也可分别实施于多个实例或任何合适的分组合中。此外，尽管以上所述特征可能在某些组合中起到暂时作用或最初申明有这些作用，已申明的组合中的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中剔除，而该已申明组合则可导向一种分组合或分组合变体。

本发明只描述了几个例子及其实施方式。所述例子与实施方式的其他实施、变体、修改与改进可在不偏离本发明宗旨的前提下进行。例如，本发明说明书中所述可穿戴贴片的使用方式不限于以上举例，亦可应用于多种其他领域。适于该可穿戴贴片各层的材料也不限于以上所给出的例子。弹性层、柔性带层、透气开口、装饰花纹、半导体芯片、天线、金属垫与连接导线的布局与形式可在不偏离本发明宗旨的前提下采用其他配置。

Claims (10)

1.能进行无线通信的可穿戴贴片，其包括：

一弹性层；

一粘结层，位于弹性层之下；及

一可以切向变形的电极层，其包括：

第一电路模块，其包括：

第一支撑基材；

一导电电路，内嵌于第一支撑基材；及

一半导体芯片，与导电电路相连；及

第二电路模块，其包括：

第二支撑基材，其包括一个或多个开口，以使该可以切向变形的电极层可切变、拉伸，并具透气性；

一顶部电极层，位于第二支撑基材之上；及

一底部电极层，位于第二支撑基材之下，其中第二支撑基材含有一通过导电连接上下两层电极层的通路；

其中底部电极层配置用于与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号；及连接第一电路模块中第一支撑基材与第二电路模块中第二支撑基材的弹性丝带，其中弹性丝带内嵌有一连接线路，其配置用于从顶部电极层向第一电路模块传输电信号。

2.根据权利要求1中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述的第一电路模块配置用于与外部设备通信时接收或传输无线信号。

3.根据权利要求2中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述的导电电路包括一天线，其配置用于与外部设备通信时接收或传输无线信号。

4.根据权利要求1中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述的第一电路模块配置用于基于近场通信、Wi-Fi、蓝牙或RFID无线通信标准与外部设备进行无线通信。

5.根据权利要求1中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述的支撑基材杨氏模量大于0.5GPa。

6.根据权利要求1中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述的支撑基材薄于0.5毫米。

7.根据权利要求1中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述的弹性层杨氏模量小于0.3GPa。

8.根据权利要求1中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其特征在于，所述弹性丝带包括：

一聚合物基质；及

一导电线路层，内置于该聚合物基质，其中导电线路层为Z字形弯曲的结构，其中导电线路层配置用于连接第一电路模块中的导电线路与第二电路模块中的顶部电极层。

9.能进行无线通信的可穿戴贴片，其包括：

一弹性体基质，包括一下表面；

第一电路模块，位于弹性体基质，其包括：

一导电电路；及

一半导体芯片，与该导电电路连接；及

第二电路模块，位于弹性体基质，其包括：

一顶部电极层，位于第二支撑基材；

一底部电极层，其配置用于与使用者皮肤接触，并从使用者皮肤采集电子信号；及

一穿过弹性体基质的通路，其配置用于通过导电连接顶部和底部电极层；

弹性体基质中的弹性丝带，用于连接第一电路模块与第二电路模块，其中弹性丝带包括一连接线路，用于从顶部电极层向第一电路模块传输电信号；及

一粘结层，位于弹性体基质下表面。

10.根据权利要求9中所述的能进行无线通信的可穿戴贴片，其中弹性体基质可包括一个或多个开口，使可穿戴贴片可切变、拉伸，并为使用者皮肤提供透气的通路。