CN106264603A - 超声波感测贴片以及使用该超声波感测贴片的感测装置 - Google Patents

超声波感测贴片以及使用该超声波感测贴片的感测装置 Download PDF

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Abstract

一种超声波感测贴片，包括发射单元与接收单元，所述超声波感测贴片还包括一读取层，所述读取层设置于所述发射单元和所述接收单元之间，所述读取层包括一个或多个读取单元，所述读取单元为柔性薄膜晶体管阵列。

Description

超声波感测贴片以及使用该超声波感测贴片的感测装置
技术领域
本发明涉及一种超声波感测贴片，特别是涉及一种能够检测生物体特征的超声波感测贴片以及使用该超声波感测贴片的感测装置。
背景技术
现有技术的心率感测装置一般为光学式，光学式感测装置按照原理又可分为穿透式和反射式。从设计的角度考虑，一般安装于手机和智能手表中的心率感测装置以反射式为主。例如，利用CMOS影像传感器搭配光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，PPG），来进行健康量测应用。光电容积脉搏波描记法是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。在此过程中，由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱。其中，皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最大，检测到的光强度最小;而在心脏舒张时正好相反，检测到的光强度最大。光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化。反射式心率感测装置，通过可渗透到皮肤下的LED绿光，利用小型CMOS传感器测血管收缩的光变化，进行输出讯号，再配合光电容积脉搏波描记法，可以提供完整的心率数据。
然而，反射式心率感测装置中由于必须使用LED作为发射光源，因此，其体积通常较大，难以满足市场上对薄型化电子装置的需求。另一方面，心率感测装置需要紧贴被测物体的表面，若感测装置的贴附性较差，则会严重影响测量结果。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种厚度较小，有利于薄型化且贴附性较好的超声波感测贴片以及使用该超声波感测贴片的感测装置。
一种超声波感测贴片，包括发射单元与接收单元，所述超声波感测贴片还包括一读取层，所述读取层设置于所述发射单元和所述接收单元之间，所述读取层包括一个或多个读取单元，所述读取单元为柔性薄膜晶体管阵列。
进一步的，所述多个读取单元呈矩阵式排列。
进一步的，所述读取单元为高温多晶硅薄膜晶体管、低温多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管或金属氧化物薄膜晶体管。
进一步的，所述超声波感测贴片还包括第一柔性电路板、第二柔性电路板及第三柔性电路板，所述第一柔性电路板位于所述读取层和所述发射单元之间，所述第二柔性电路板位于所述发射单元远离所述读取层一侧，所述第三柔性电路板位于所述接收单元远离所述读取层一侧，所述第一柔性电路板、第二柔性电路板及第三柔性电路板由柔性材料制成。
进一步的，所述读取单元的形状是矩形，是三角形、环形或多边形。
进一步的，所述发射单元包括发射元件、第一导电结构及第二导电结构，所述发射元件位于所述第一导电结构与所述第二导电结构之间，所述第一导电结构与所述第二导电结构用于产生压差使得所述发射元件发出超声波。
进一步的，所述第一导电结构、所述第二导电结构为一个连续的面状导电层或多个间隔设置的单个导电电极。
进一步的，所述接收单元包括接收元件和第三导电结构，所述接收元件位于所述第三导电结构与所述读取层之间，所述第三导电结构用于将接收元件接收到的超声波转换为电信号，并传送给所述读取层。
进一步的，所述第三导电结构为一个连续的面状导电层或多个间隔设置的单个感测电极。
相较于现有技术，本实施例的超声波感测贴片采用柔性材料作为柔性电路板，使超声波感测贴片的弯曲性更好，更易贴附于被测物体。本发明的超声波感测贴片采用一个或多个薄膜晶体管（TFT）读取单元，一个薄膜晶体管（TFT）读取单元的情况下，可以在保证检测精度的情况下，简化读取电路从而简化超声波感测贴片的结构。多个读取单元的情况下，可以细化区域，提高感测分辨率。另外，本发明的超声波感测贴片不需要设置LED作为反射光源，因此该超声波感测贴片的厚度非常的薄，方便携带，且可以随意的贴在想量测的位置，并通过调整频率来感测不同的待测物。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的超声波感测贴片的立体分解示意图。
图2是本发明第一实施方式的超声波感测贴片的读取层的示意图。
图3是本发明第二实施方式的超声波感测贴片的立体分解示意图。
图4是本发明第二实施方式的超声波感测贴片的读取层的示意图。
主要元件符号说明
超声波感测贴片　　　100、200
发射单元　　　　　　110、210
接收单元　　　　　　120、220
读取层　　　　　　　130、230
第一柔性电路板　　　140、240
第二柔性电路板　　　150、250
第三柔性电路板　　　160、260
发射元件　　　　　　111、211
第一导电结构　　　　113、213
第二导电结构　　　　115、215
接收元件　　　　　　121、221
第三导电结构　　　　123、223
胶体层　　　　　　　170、270
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明第一实施方式的超声波感测贴片100的立体分解示意图。该超声波感测贴片100可以用于感测生体特征，如血流、脉搏和心跳等。该超声波感测贴片100可以单独使用，也可以整合至电子装置或感测装置如智能手表、智能手环、智能手机等中使用。超声波感测贴片100设置于电子装置或感测装置靠近被测物体的一侧，超声波感测贴片100可以直接贴附于被测物体或与被测物体间隔开。超声波感测贴片100包括发射单元110、接收单元120、读取层130、第一柔性电路板140、第二柔性电路板150及第三柔性电路板160。该接收单元120设置于该发射单元110上方，读取层130位于该发射单元110与该接收单元120之间，第一柔性电路板140位于读取层130与该发射单元110之间。该第二柔性电路板150位于该发射单元110远离该接收单元120的一侧，该第三柔性电路板160设置于该接收单元120远离该发射单元110的一侧。第一柔性电路板140和接收单元120分别通过胶体层170粘接在读取层130两侧。使用状态下，使超声波感测贴片100的接收单元120贴近被测物体，发射单元110远离被测物体设置。发射单元110发出超声波，超声波穿过超声波接收单元120以及第三柔性电路板160向外部射出。此时，该超声波感测贴片100与待测物体（例如人体皮肤）贴合，这些超声波经生物体反射后被超声波接收单元120接收，通过收集这些反射信号可以用来计算血流、心跳等生体特征。
具体地，该发射单元110包括发射元件111、第一导电结构113及第二导电结构115，该发射元件111位于该第一导电结构113与该第二导电结构115之间。该第一导电结构113位于该第二柔性电路板150与该发射元件111之间，该第二导电结构115位于该发射元件111与该第一柔性电路板140之间。该第一导电结构113及该第二导电结构115用于产生压差使该发射元件111振动而发出超声波。
该接收单元120包括接收元件121和第三导电结构123，该第三导电结构123位于该接收元件121与该第三柔性电路板160之间。接收元件121用于接收从被测生物体反射回来的超声波信号，该第三导电结构123用于将接收元件121接收到的超声波转换为电信号，使得该超声波感测贴片100通过电信号侦测该超声波感测贴片100上的生物体(如手腕)以获得物体特征（如血流、脉搏等）。
优选地，该发射元件111及该接收元件121均为压电材料，例如聚二氟亚乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF），钛酸钡(BaiO3)、钛酸铅(PbiO3)和锆钛酸铅(Pb(Zri)O3, PZT)、钽钪酸铅（PST）、石英、(Pb，Sm)iO3、PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbiO3)和偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物（PVDF-TrFE）。该第一导电结构113、第二导电结构115、第三导电结构123可以由导电率较好的金属材料制成，例如，银、铝、铜、镍、金等高导电率材料，还可以由如透明导电材料(如氧化铟锡、氧化铟锌)、银、碳纳米管或石墨烯等导电材料制成，但不限于以上材料。
另外，该第一导电结构113、第二导电结构115和第三导电结构123可以连续的面状导电层，也可以包括多个间隔设置的第一感测电极、第二感测电极及第三感测电极。该第一感测电极、第二感测电极及第三感测电极可以为长条矩形、波浪形、锯齿形等形状，但不限于上述形状。所述第一导电结构113、第二导电结构115可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式形成于发射元件111的表面，第三导电结构123可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式形成于接收元件121的表面。
该第二柔性电路板150、该第一导电结构113、该发射元件111、该第二导电结构115、该第一柔性电路板140、该读取层130、该接收元件121、该第三导电结构123及该第三柔性电路板160按照上述顺序自下而上层叠设置。其中，该第一导电结构113可以通过胶体层粘接在该第二柔性电路板150上，也可以直接形成在该第二柔性电路板150上。该第二导电结构115与可以通过胶体层粘接在该第一柔性电路板140上，也可以直接形成于该第一柔性电路板140的两侧。该第三导电结构123可以通过胶体层粘接在该第三柔性电路板160上，也可以直接形成在该第三柔性电路板160上。
此外，该发射元件111还可以通过胶体层粘接于该第一导电结构113与该第二导电结构115之间，该接收元件121也可以通过胶体层粘接于该与该第三导电结构123下方。特别地，该胶体层可以为导电胶体。第一柔性电路板140、第二柔性电路板150分别与第二导电结构115、第一导电结构113相连，且为第二导电结构115、第一导电结构113提供电压。第三柔性电路板160与第三导电结构123相连且为第三导电结构123传输数据。在本实施例中，第一柔性电路板140、第二柔性电路板150和第三柔性电路板160为三个独立的柔性电路板，在本发明的其他实施例中，第一柔性电路板140、第二柔性电路板150和第三柔性电路板160可以是同一个柔性电路板。
该超声波感测贴片100还包括读取层130和读取电路（图未示）。该读取层130用于读取第三导电结构123传送的电信号并将该信号传送至读取电路，该读取电路根据获得的信号计算出皮肤内血管与血流状况进而得到使用者的心跳。请参阅图2，图2是图1所示超声波感测贴片100的读取层130的示意图。本发明第一实施方式中的读取层130包括一单片式的读取单元132，该读取单元132包括柔性薄膜晶体管（TFT）阵列，该TFT阵列可以是HTPS-TFT（高温多晶硅薄膜晶体管)、LTPS-TFT(低温多晶硅薄膜晶体管)、a-Si-TFT（非晶硅薄膜晶体管）或IGZO TFT（金属氧化物薄膜晶体管）。本实施例中超声波感测贴片100的读取单元132为矩形，但读取单元132的形状并不限于本实施方式中的矩形，还可以是三角形、环形、多边形等。
使用该超声波感测贴片100时，待测物体（如手腕）可以贴附于该超声波感测贴片100上方，该第一导电结构113及第二导电结构115被施加电压形成电压差并使发射元件111产生振动，进而释放超声波。该超声波穿过该超声波接收单元120到达第三柔性电路板160向外射出。当待测物体，例如手腕，贴附于该第三柔性电路板160表面时，超声波经待测物体反射后被接收元件121接收并通过第三导电结构123转换成电信号并输出至读取层130被读取单元132读取出来。
实际应用中，该待测物体可以与该超声波感测贴片100的最上层（如第三柔性电路板160）直接接触，也可以与该超声波感测贴片100的最上层（如第三柔性电路板160）具有一微小距离。
相较于现有技术，本实施例的超声波感测贴片100采用柔性材料作为柔性电路板，使超声波感测贴片100的弯曲性更好，更易贴附于被测物体。本实施例的超声波感测贴片100还采用一片式TFT读取单元132，可以在保证检测精度的情况下，简化读取电路从而简化超声波感测贴片100的结构。
请参阅图3，图3是本发明第二实施方式的超声波感测贴片200的立体分解示意图。该超声波感测贴片200可以用于感测生体特征，如血流、脉搏和心跳等。该超声波感测贴片200可以单独使用，也可以整合至电子装置或感测装置如智能手表、智能手环、智能手机等中使用。超声波感测贴片200设置于电子装置或感测装置靠近被测物体的一侧，超声波感测贴片200可以直接贴附于被测物体或与被测物体间隔开。超声波感测贴片200包括发射单元210、接收单元220、读取层230、第一柔性电路板240、第二柔性电路板250及第三柔性电路板260。该接收单元220设置于该发射单元210上方，读取层230位于该发射单元210与该接收单元220之间，第一柔性电路板240位于读取层230与该发射单元210之间。该第二柔性电路板250位于该发射单元210远离该接收单元220的一侧，该第三柔性电路板260设置于该接收单元220远离该发射单元210的一侧。第一柔性电路板240和接收单元220分别通过胶体层170粘接在读取层230两侧。使用状态下，使超声波感测贴片200的接收单元220贴近被测物体，发射单元210远离被测物体设置。发射单元210产生超声波，超声波穿过超声波接收单元220以及第三柔性电路板260向外部射出。此时，该超声波感测贴片200与待测物体（例如人体皮肤）贴合，这些超声波经生物体反射后被超声波接收单元220接收，通过收集这些反射信号可以用来计算血流、心跳等生体特征。
具体地，该发射单元210包括发射元件211、第一导电结构213及第二导电结构215，该发射元件211位于该第一导电结构213与该第二导电结构215之间。该第一导电结构213位于该第二柔性电路板250与该发射元件211之间，该第二导电结构215位于该发射元件211与该第一柔性电路板240之间。该第一导电结构213及该第二导电结构215用于产生压差使该发射元件211振动而发出超声波。
该接收单元220包括接收元件221和第三导电结构223，该第三导电结构223位于该接收元件221与该第三柔性电路板260之间。接收元件221用于接收从被测生物体反射回来的超声波信号，该第三导电结构223用于将接收元件221接收到的超声波转换为电信号，使得该超声波感测贴片200通过电信号侦测该超声波感测贴片200上的物体(如手腕)以获得物体特征（如血流、脉搏等）。
优选地，该发射元件211及该接收元件221均为压电材料，例如聚二氟亚乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF），钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3,PZT)、钽钪酸铅（PST）、石英、(Pb，Sm)TiO3、PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)和偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物（PVDF-TrFE）。该第一导电结构213、第二导电结构215、第三导电结构223可以由导电率较好的金属材料制成，例如，银、铝、铜、镍、金等高导电率材料，还可以由如透明导电材料(如氧化铟锡、氧化铟锌)、银、碳纳米管或石墨烯等导电材料制成，但不限于以上材料。
另外，该第一导电结构213、第二导电结构215和第三导电结构223可以为一个连续的面状导电层，也可以包括多个间隔设置的第一感测电极、第二感测电极及第三感测电极。该第一感测电极、第二感测电极及第三感测电极可以为长条矩形、波浪形、锯齿形等形状，但不限于上述形状。所述第一导电结构213、第二导电结构215可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式形成于发射元件211的表面，第三导电结构223可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式形成于接收元件221的表面。该第二柔性电路板250、该第一导电结构213、该发射元件211、该第二导电结构215、该第一柔性电路板240、该读取层230、该接收元件221、该第三导电结构223及该第三柔性电路板260按照上述顺序自下而上层叠设置。其中，该第一导电结构213可以通过胶体层粘接在该第二柔性电路板250上，也可以直接形成在该第二柔性电路板250上。该第二导电结构215与可以通过胶体层粘接在该第一柔性电路板240上，也可以直接形成于该第一柔性电路板240的两侧。该第三导电结构223可以通过胶体层粘接在该第三柔性电路板260上，也可以直接形成在该第三柔性电路板260上。
此外，该发射元件211还可以通过胶体层粘接于该第一导电结构213与该第二导电结构215之间，该接收元件221也可以通过胶体层粘接于该与该第三导电结构223下方。特别地，该胶体层可以为导电胶体。第一柔性电路板240、第二柔性电路板250分别与第二导电结构215、第一导电结构213相连，且为第二导电结构215、第一导电结构213提供电压。第三柔性电路板260与第三导电结构223相连且为第三导电结构223传输数据。在本实施例中，第一柔性电路板240、第二柔性电路板250和第三柔性电路板260为三个独立的柔性电路板，在本发明的其他实施例中，第一柔性电路板240、第二柔性电路板250和第三柔性电路板260可以是同一个柔性电路板。
该超声波感测贴片200还包括读取层230和读取电路（图未示）。该读取层230用于读取第三导电结构223传送的电信号并将该信号传送至读取电路，该读取电路根据获得的信号计算出皮肤内血管与血流状况进而得到使用者的心跳。请参阅图4，图4是图3所示超声波感测贴片200的读取层230的示意图。本发明第二实施方式中的读取层230包括多个独立设置的读取单元232，该多个独立设置的读取单元232紧密排列，形成一个矩阵。本实施例中超声波感测贴片200的读取单元232为矩形，但读取单元232的形状并不限于本实施方式中的矩形，还可以是三角形、环形、多边形等。各读取单元232单独设置，通过分时分区驱动，进行信号读取。各读取单元232包括柔性薄膜晶体管（TFT）阵列，其包括多个柔性薄膜晶体管（TFT），该柔性薄膜晶体管（TFT）可以是HTPS-TFT（高温多晶硅薄膜晶体管)、LTPS-TFT(低温多晶硅薄膜晶体管)、a-Si-TFT（非晶硅薄膜晶体管）或IGZO TFT（金属氧化物薄膜晶体管）。
使用该超声波感测贴片200时，待测物体（如手腕）可以贴附于该超声波感测贴片200上方，该第一导电结构213及第二导电结构215被施加电压形成电压差并使发射元件211产生振动，进而释放超声波。该超声波穿过该超声波接收单元220到达第三柔性电路板260向外射出。当待测物体，例如手腕，贴附于该第三柔性电路板260表面时，超声波经待测物体反射后被接收元件221接收并通过第三导电结构223转换成电信号并输出至读取层230被读取单元232读取出来。
实际操作中，该待测物体可以与该超声波感测贴片200的最上层（如第三柔性电路板260）直接接触，也可以与该超声波感测贴片200的最上层（如第三柔性电路板260）具有一微小距离。
相较于现有技术，本实施例的超声波感测贴片200采用柔性材料作为柔性电路板，使超声波感测贴片200的弯曲性更好，更易贴附于被测物体。本实施例的超声波感测贴片200还采用多个呈矩阵式紧密排列的TFT读取单元232，分时分区进行信号读取，可以细化感测区域，提高感测分辨率。另外，本发明的超声波感测贴片不需要设置LED作为反射光源，因此该超声波感测贴片的厚度非常的薄，方便携带，且可以随意的贴在想量测的位置，并通过调整频率来感测不同的待测物。

Claims (10)

1.一种超声波感测贴片，用于感测装置中感测生体特征，其包括发射单元、接收单元以及设置于所述发射单元和所述接收单元之间的读取层，所述读取层包括一个或多个读取单元，其特征在于：所述感测贴片设置于所述感测装置靠近被测物体一侧，直接贴附于被测物体或与被测物体间隔开，所述接收单元设置于所述感测贴片相对靠近被测物体一侧，所述接收单元设置于所述感测贴片相对远离被测物体一侧。
2.如权利要求1所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述多个读取单元独立设置，呈矩阵式紧密排列，通过分时分区驱动，进行信号读取。
3.如权利要求1或2所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述读取单元包括柔性薄膜晶体管阵列，所述柔性薄膜晶体管阵列为高温多晶硅薄膜晶体管、低温多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管或金属氧化物薄膜晶体管。
4.如权利要求1所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述超声波感测贴片还包括第一柔性电路板、第二柔性电路板及第三柔性电路板，所述第一柔性电路板位于所述读取层和所述发射单元之间，所述第二柔性电路板位于所述发射单元远离所述读取层一侧，所述第三柔性电路板位于所述接收单元远离所述读取层一侧。
5.如权利要求4所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述超声波感测贴片还包括第一柔性电路板、第二柔性电路板及第二柔性电路板，所述第一柔性电路板、所述第二柔性电路板与所述发射单元相连，且为所述发射单元提供电压，所述第三柔性电路板与所述接收单元相连且为所述接收单元传输数据。
6.如权利要求5所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述第一柔性电路板、所述第二柔性电路板和所述第三柔性电路板为三个独立的柔性电路板。
7.如权利要求5所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述第一柔性电路板、所述第二柔性电路板和所述第三柔性电路板为同一个柔性电路板。
8.如权利要求1所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述发射单元包括发射元件、第一导电结构及第二导电结构，所述发射元件位于所述第一导电结构与所述第二导电结构之间，所述第一导电结构与所述第二导电结构用于产生压差使得所述发射元件发出超声波，所述第一导电结构、所述第二导电结构为一个连续的面状导电层或多个间隔设置的单个导电电极。
9.如权利要求1所述的超声波感测贴片，其特征在于：所述接收单元包括接收元件和第三导电结构，所述接收元件位于所述第三导电结构与所述读取层之间，所述第三导电结构用于将接收元件接收到的超声波转换为电信号，并传送给所述读取层，所述第三导电结构为一个连续的面状导电层或多个间隔设置的单个感测电极。
10.一种感测装置，包括一种超声波感测贴片，用于感测生体特征，所述超声波感测贴片包括发射单元、接收单元以及设置于所述发射单元和所述接收单元之间的读取层，所述读取层包括一个或多个读取单元，其特征在于：所述感测贴片设置于所述感测装置靠近被测物体一侧，直接贴附于所述被测物体或与所述被测物体间隔开，所述接收单元设置于所述感测贴片相对靠近被测物体一侧，所述接收单元设置于所述感测贴片相对远离被测物体一侧。
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