CN109907744A - 非接触式自我注入锁定感测器 - Google Patents

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Abstract

一种非接触式自我注入锁定感测器借由自我注入锁定集成振荡天线对生物体发射信号，且被该生物体反射的信号注入锁定，由于该信号受到该生物体的生命征象的相位调变，因此以解调器对该自我注入锁定集成振荡天线的注入锁定信号解调即可得到该生物体的生理征象信号。

Description

非接触式自我注入锁定感测器
技术领域
本发明是关于一种感测器，特别是关于一种非接触式自我注入锁定感测器。
背景技术
穿戴式生理信号感测器为最具发展潜力的个人电子产品之一，目前穿戴式生理信号感测器多以光电感测法进行生理信号的侦测，光电感测法是将光线照射于皮肤上，并通过摄影机撷取并观察光线的强度变化，若光线强度产生变化，则判定通过皮肤的血液容积改变，也就代表着心脏进行了一次收缩，借此测得心跳的次数。但由于光电感测法容易受到环境光的影响，而必须将感测器紧贴于皮肤上才可以获得正确的生理信号数据，这造成生理信号感测器的设计受到限制，而多为腕表的型态，此外，因为生理信号感测器须紧贴皮肤的缘故，长时间地配戴生理信号感测器亦可能导致使用者产生不适。
发明内容
本发明的主要目的在于借由自我注入锁定集成振荡天线发出振荡信号至生物体，并接收由生物体反射的反射信号，让自我注入锁定集成振荡天线处于自我注入锁定状态，且由于该反射信号受到生物体的生命征象(如：呼吸、心跳及脉搏)的调变，因此，对自我注入锁定集成振荡天线的输出信号进行解调即可得到生物体的生命征象，而能以非接触的方式测得生物体的生命征象。此外，由于自我注入锁定集成振荡天线作为传送/接收信号的元件外还参与了振荡，这让输出信号同时具有振幅调变及频率调变的成份，让自我注入锁定集成振荡天线对于细微振动具有极高的灵敏度。
本发明的一种非接触式自我注入锁定感测器包含自我注入锁定集成振荡天线及解调器，该自我注入锁定集成振荡天线具有天线及主动元件，该主动元件电性连接该天线，其中该天线用以进行选频并与该主动元件参与振荡而产生振荡信号，且该天线另用以将该振荡信号传送至生物体，该生物体反射的反射信号被该天线接收，使该自我注入锁定集成振荡天线处于自我注入锁定状态，且该振荡信号被该生物体的生理征象调变为频率调变及振幅调变信号，该解调器电性连接该自我注入锁定集成振荡天线，以接收该频率调变及振幅调变信号，该解调器用以对该频率调变及振幅调变信号解调而得到该生物体的生理信号。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其中该微分器为微带线微分器，且该微分器的操作频段与该频率调变及振幅调变信号的频率相同。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其中该频率调变及振幅调变信号的频率及该微分器的操作频率不小于300MHz。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其中该天线为平面印刷天线结构。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其中该自我注入锁定集成振荡天线另具有可调电容，该可调电容的一端电性连接该天线，该可调电容的另一端接地。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其中该主动元件为固态元件放大器(solid-state amplifier)，且该主动元件具有输入端及输出端，其中该输入端及该输出端均电性连接该天线。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其中该主动元件为固态元件(solid-stateunit)，且该主动元件的汲极耦接该天线，该主动元件的闸极经由第一电抗元件接地，该主动元件的源极经由第二电抗元件接地。
前述的非接触式自我注入锁定感测器，其另包含有基频放大器，该基频放大器电性连接该解调器，以接收并放大该生理信号。
本发明借由该自我注入锁定集成振荡天线同时具备振荡、发射信号及接收信号的功效，可在自我注入锁定的状态下同时取得生理征象对信号的振幅调变及频率调变的成份，因此在解调后可精准地测得生物体的生理征象，且由于能以构造简单的该解调器进行解调，让该非接触式自我注入锁定感测器可操作于极高频，而对细微的振动相当敏感，使该非接触式自我注入锁定感测器可应用于更广泛的领域。
附图说明
图1：依据本发明的第一实施例，非接触式自我注入锁定感测器的电路图。
图2：依据本发明的第二实施例，非接触式自我注入锁定感测器的电路图。
图3：依据本发明的第三实施例，非接触式自我注入锁定感测器的电路图。
图4：依据本发明的第四实施例，非接触式自我注入锁定感测器的电路图。
图5：本发明的该第二实施例实际对人体的胸口进行感测而得的生理信号的波形图。
图6：本发明的该第二实施例实际对人体的手腕进行感测而得的生理信号的波形图。
图7：依据本发明的第五实施例，非接触式自我注入锁定感测器的电路图。
图8：本发明的该第五实施例产生线性变化频率的输出信号及接收信号的波形图。
【主要元件符号说明】
100：非接触式自我注入锁定感测器 110：自我注入锁定集成振荡天线
111：天线 112：主动元件
112a：输入端 112b：输出端
112c：第一电抗元件 112d：第二电抗元件
113：可调电容 120：解调器
121：包络检测器 122：微分器
130：基频放大器 Soc：振荡信号
B：生物体 Sre：反射信号
Svt：生理信号 SFM-AM：频率调变及振幅调变信号
SAM：振幅调变信号
具体实施方式
请参阅图1，其为本发明的第一实施例，一种非接触式自我注入锁定感测器100的电路图，该非接触式自我注入锁定感测器100包含自我注入锁定集成振荡天线110、解调器120及基频放大器130。
该自我注入锁定集成振荡天线110具有天线111及主动元件112，该主动元件112电性连接该天线111，在本实施例中，该天线111为平面印刷天线结构，该主动元件112为固态元件放大器(Solid-state amplifier)，且该主动元件112具有输入端112a及输出端112b，其中，该输入端112a及该输出端112b均电性连接该天线111，而构成回路架构。
在本实施例中，该天线111用以进行选频(Frequency-selection)并与该主动元件112参与振荡而产生振荡信号Soc，且该天线111另用以将该振荡信号Soc传送至生物体B，该振荡信号Soc碰触到该生物体B后，该生物体B会反射反射信号Sre，且该反射信号Sre被该天线111接收，使该自我注入锁定集成振荡天线110被该反射信号Sre注入锁定而处于自我注入锁定状态(Self-injection-locked state)，由于该自我注入锁定集成振荡天线110除了作为传送/接收信号的元件外还参与了振荡，使得该振荡信号Soc会被该生物体B的生理征象(如：呼吸、心跳及脉搏)同时进行频率调变(Frequency modulation)及振幅调变(Amplitudemodulation)，而成为频率调变及振幅调变信号SFM-AM。
请再参阅图1，该解调器120电性连接该自我注入锁定集成振荡天线110，以接收该频率调变及振幅调变信号SFM-AM，该解调器120用以对该频率调变及振幅调变信号SFM-AM进行解调而得到该生物体B的生理信号Svt。在本实施例中，该解调器120为包络检测器(Envelopedetector)121，该包络检测器121用以对该频率调变及振幅调变信号SFM-AM进行振幅解调(Amplitude demodulation)，以取出该频率调变及振幅调变信号SFM-AM中的振幅调变成份，而得到该生理信号Svt，该基频放大器130电性连接该解调器120，以接收并放大该生理信号Svt。
由于在本实施例中，仅须通过该包络检测器121的振幅解调即可得到该生物体B的该生理信号Svt，使得该解调器120的结构相较他种雷达简单且成本较低，因此该自我注入锁定集成振荡天线110的操作频率可以提升至毫米波频段(30～300GHz)，而大幅地提升其对于微小振动的侦测的灵敏度，让该非接触式自我注入锁定感测器100不局限于侦测大型生物体的振动幅度较大的生理征象，而有着更广泛的应用。
请参阅图2，其为本发明的第二实施例，其与第一实施例的差异在于该解调器120除了该包络检测器121外另具有微分器122，该微分器122电性连接于该自我注入锁定集成振荡天线110及该包络检测器121之间，且该微分器122由该自我注入锁定集成振荡天线110接收该频率调变及振幅调变信号SFM-AM，该微分器122用以对该频率调变及振幅调变信号SFM-AM微分，使该频率调变及振幅调变信号SFM-AM中的频率调变成份转换为振幅调变成份，因此可将该频率调变及振幅调变信号SFM-AM转换为振幅调变信号SAM，令该非接触式自我注入锁定感测器100对于该生物体B的生命征象更加灵敏。其中，该包络检测器121电性连接该微分器122并接收该振幅调变信号SAM，该包络检测器121用以对该振幅调变信号SAM进行振幅解调(amplitude demodulation)而得到该生理信号Svt。由于本实施例另以该微分器122将该频率调变转换为振幅调变，而融合了该生物体B的生理征象对该振荡信号Soc的频率调变及振幅调变，又再进一步地提升该非接触式自我注入锁定感测器100对于细微振动的灵敏度。
较佳的，在本实施例中，该微分器122为微带线微分器，且该微分器122的操作频段与该频率调变及振幅调变信号SFM-AM的频率相同，其中，该频率调变及振幅调变信号SFM-AM的频率及该微分器122的操作频率不小于300MHz时可具有较佳的侦测灵敏度。
请参阅图3及图4，其为本发明的第三实施例及第四实施例，其与第一实施例及第二实施例的差异在于该主动元件112为固态元件晶体管(solid-state transistor)，其中该主动元件112具有闸极、源极及汲极，该主动元件112的该汲极耦接该天线111，该主动元件112的该闸极经由一第一电抗元件112c接地，该主动元件112的该源极经由第二电抗元件112d接地，使该天线111及该主动元件112构成反射式架构，且该第一电抗元件112c及该第二电抗元件112d可为传输线(Transmission line)而可操作于高频。相同地，该天线111与该主动元件112参与振荡而产生该振荡信号Soc，该振荡信号Soc由该天线111发出至该物体B，该物体B反射的该反射信号Sre被该天线111接收，使该自我注入锁定集成振荡天线110处于自我注入锁定状态而输出该频率调变及振幅调变信号SFM-AM，该解调器120再对该频率调变及振幅调变信号SFM-AM解调即可得到该生理信号Svt。
请参阅图3及图4，相同地，在反射式架构下，该解调器120可以如图3的第三实施例仅以该包络检测器121对进该频率调变及振幅调变信号SFM-AM进行振幅解调得到该生理信号Svt，或者，该解调器120可以如图4的第四实施例以该微分器122将频率调变成份转换为振幅调变成份后，再以该包络检测器121对该振幅调变信号SAM进行振幅解调得到该生理信号Svt。
请参阅图5，其为本发明的第二实施例设置于使用者的胸口且中间隔着衣物实际测得的该生理信号Svt的实验数据，其中可以看到该生理信号Svt呼吸及心跳的频谱相当明显，且侦测所得的心跳数与图中右上角以指脉冲血氧浓度计(Finger pulse oximeter)同时对该使用者测量的心跳数相当接近，可以证明本发明的该非接触式自我注入锁定感测器100确实能以非接触的方式，精准地测得该使用者的生理征象。请参阅图6，其为本发明的第二实施例设置于使用者手腕，实际测得的该生理信号Svt的实验数据，亦可以看到所测得的脉搏频谱相当明显，且由于手腕处并无法测得呼吸，因此在该生理信号Svt中并没有呼吸的频谱，且该非接触式自我注入锁定感测器100测得的脉搏数与图中右上角中同时以该指脉冲血氧浓度计(Finger pulse oximeter)对该使用者测量的心跳数相当接近，可以证明本发明的该非接触式自我注入锁定感测器100确实能以非接触的方式测得该使用者的生理征象。
请参阅图7，其为本发明的第五实施例，其与第二实施例的差异在于该自我注入锁定集成振荡天线110另具有可调电容113，该可调电容113的一端电性连接该天线111，该可调电容113的另一端接地，该可调电容113的电容值可改变该天线111的选频，让该自我注入锁定集成振荡天线110的频率可调，借此，请参阅图8，当该自我注入锁定集成振荡天线110借由该可调电容113产生线性变化的频率时，该自我注入锁定集成振荡天线110作为频率调变连续波雷达(Frequency-modulated continuous-wave radar,FMCW)，而可借由该解调器120对接收信号解调，再将解调信号通过快速傅立叶分析求得该自我注入锁定集成振荡天线110与该使用者B之间的距离。
本发明借由该自我注入锁定集成振荡天线110同时具备振荡、发射信号及接收信号的功效，可在自我注入锁定的状态下同时取得生理征象对信号的振幅调变及频率调变的成份，因此在解调后可精准地测得生物体的生理征象，且由于能以构造简单的该解调器120进行解调，让该非接触式自我注入锁定感测器100可操作于极高频，而对细微的振动相当敏感，使该非接触式自我注入锁定感测器100可应用于更广泛的领域。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于其包含：
自我注入锁定集成振荡天线，其具有天线及主动元件，该主动元件电性连接该天线，其中该天线用以进行选频并与该主动元件参与振荡而产生振荡信号，且该天线另用以将该振荡信号传送至生物体，该生物体反射的反射信号被该天线接收，使该自我注入锁定集成振荡天线处于自我注入锁定状态，且该振荡信号被该生物体的生理征象调变为频率调变及振幅调变信号；以及
解调器，具有微分器及包络检测器，该微分器电性连接该自我注入锁定集成振荡天线，以接收该频率调变及振幅调变信号，且该微分器用以对该频率调变及振幅调变信号微分，将该频率调变及振幅调变信号转换为振幅调变信号，该包络检测器电性连接该微分器，该包络检测器用以对该振幅调变信号进行振幅解调而得到该生物体的生理信号。
2.根据权利要求1所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其中该微分器为微带线微分器，且该微分器的操作频段与该频率调变及振幅调变信号的频率相同。
3.根据权利要求2所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其中该频率调变及振幅调变信号的频率及该微分器的操作频率不小于300MHz。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其中该天线为平面印刷天线结构。
5.根据权利要求4所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其中该自我注入锁定集成振荡天线另具有可调电容，该可调电容的一端电性连接该天线，该可调电容的另一端接地。
6.根据权利要求4所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其中该主动元件为固态元件放大器，且该主动元件具有输入端及输出端，其中该输入端及该输出端均电性连接该天线。
7.根据权利要求4所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其中该主动元件为固态元件，且该主动元件的汲极耦接该天线，该主动元件的闸极经由第一电抗元件接地，该主动元件的源极经由第二电抗元件接地。
8.根据权利要求1所述的非接触式自我注入锁定感测器，其特征在于：其另包含有基频放大器，该基频放大器电性连接该解调器，以接收并放大该生理信号。
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