CN110832701B - 包括稳定近场天线的射频rf传感器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供包括稳定近场天线的无线感测设备。隔层附接到与天线相邻的基板的一部分。隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数。隔层具有不小于20(微米)的品质因数。

Description

包括稳定近场天线的射频RF传感器设备
技术领域
本公开涉及包括稳定近场天线的无线感测设备、以及制作和使用感测设备的方法。
背景技术
便携式电子设备已经被广泛使用。存在朝向人携带或佩戴不断彼此且与外面的世界通信的一套设备和传感器的“连接”文化的趋势。实现此的关键是包括近场天线的柔性可佩戴电子器件。
发明内容
存在以下期望：例如当设备存在于带有水分变化的环境中(例如，在人类皮肤或流体收集介质上)，将具有可预测性能(例如，稳定的谐振频率和/或品质因子)的近场天线提供到电子设备。本公开描述了包括稳定近场天线的无线感测设备、以及制作和使用感测设备的方法。
在一个方面，本公开描述了一种射频(RF)传感器设备，包括基板；天线，该天线具有设置在基板的第一部分上的至少一部分；传感器，该传感器设置在基板的第二部分上，传感器至少部分地被天线围绕，传感器包括电耦合到天线的RF部件；以及隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的第一部分。隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20(微米)的品质因数。本公开中的相对电容率或介电常数k是指隔层的材料的相对电容率，隔层的材料的相对电容率被表达为其绝对电容率与真空电容率的比率。将根据ASTM标准D150在室温下在例如约10KHz至约10MHz的频率范围下测量相对电容率k的值。
在另一方面，本公开描述了一种射频(RF)传感器设备，包括基板；天线，该天线具有设置在基板的周边部分上的至少一部分；传感器，该传感器设置在基板的中心部分上；以及隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的周边部分。隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20(微米)的品质因数。传感器可包括电耦合到天线的RF部件。
在另一方面，本公开描述了用于测量水合程度的RF传感器。传感器包括基板；天线，该天线具有设置在基板的周边部分上的至少一部分；吸收元件，该吸收元件包含流体吸收材料；以及隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的周边部分。隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20(微米)的品质因数。传感器元件设置在基板上。传感器元件被定位为靠近吸收元件，并且被配置为测量吸收元件的水合程度。传感器元件至少部分地被天线围绕且电耦合到天线。
在本公开的示例性实施方案中获取各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是，被提供用于无线感测设备的天线的隔层可在存在具有可变水分的相邻体积的材料的情况下防止天线的不可预测的性能。在一些实施方案中，无线感测设备包括水合传感器以测量相邻体积的材料(例如，皮肤、吸收元件或流体收集介质等)的水合程度。
已总结本公开的示例性实施方案的各种方面和优点。上面的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施方案。
附图说明
结合附图考虑本公开的各种实施方案的以下详细描述可更全面地理解本公开，其中：
图1A示出根据一个实施方案的包括天线的无线感测设备的示意性俯视图。
图1B示出根据一个实施方案的图1A的无线感测设备的剖视图。
图1C示出根据另一实施方案的图1A的无线感测设备的剖视图。
图1D示出根据另一实施方案的图1A的无线感测设备的剖视图。
图1E示出根据一个实施方案的包括图1A的无线感测设备的水合感测系统的简化示意图。
图2A示出根据一个实施方案的无线感测设备的剖视图。
图2B示出图2A的无线感测设备的俯视图。
图2C示出图2A的无线感测设备的放大部分。
图3A示出根据另一实施方案的无线感测设备的剖视图。
图3B示出图3A的无线感测设备的俯视图。
图4示出根据另一实施方案的无线感测设备的剖视图。
图5示出根据另一实施方案的无线感测设备的剖视图。
图6示出根据另一实施方案的无线感测设备的剖视图。
图7示出根据另一实施方案的无线感测设备的剖视图。
图8A示出用于一系列实施例1的频移(％)对间距和相对电容率的比率的曲线图。
图8B示出用于一系列实施例2的频移(％)对间距和相对电容率的比率的曲线图。
图8C示出用于一系列实施例3的频移(％)对间距和相对电容率的比率的曲线图。
图8D示出用于一系列实施例4的频移(％)对间距和相对电容率的比率的曲线图。
图9A用于比较例B的磁场强度对频率的曲线图。
图9B示出用于实施例F的磁场强度对频率的曲线图。
在附图中，相似的附图标号指示相似的元件。虽然可不按比例绘制的上面标识的附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可想到如在具体实施方式中所提到的其它实施方案。在所有情况下，本公开以示例性实施方案的表示的方式而非通过表述限制来描述当前所公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可想出许多其它修改和实施方案，这些修改和实施方案落在本公开的范围和实质内。
具体实施方式
本公开提供包括稳定近场天线的无线感测设备、以及制作和使用感测设备的方法。具有相对低介电常数的隔层被提供用于无线感测设备的天线，以防止在存在具有可变水分的相邻体积的材料的情况下天线的不可预测的性能。在一些实施方案中，无线感测设备包括水合传感器，以测量相邻体积的材料(例如，流体收集介质)的水合程度。在一些实施方案中，本公开提供射频(RF)传感器设备，该射频(RF)传感器设备包括基板；天线，该天线具有设置在基板的第一部分上的至少一部分；传感器，该传感器设置在基板的第二部分上；以及隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的第一部分。
图1A-图1D示出了根据一些实施方案的无线感测设备100、100'和100”。无线感测设备100、100'或100”(或称为射频(RF)传感器标签)包括基板110、天线120、电耦合到天线120的感测电路130、以及一个或多个隔层140和/或140'。基板110具有第一主表面112和与第一主表面112相对的第二主表面114。天线120设置在基板110的主表面114或主表面112的周边部分113或113'上。感测电路130设置在第一主表面112上，并且至少部分地被天线120围绕。感测电路130包括电耦合到天线120的RF部件132。示例性感测电路在WO 2016/073344(Jesme等人)中有所描述，该专利以引用方式并入本文。
基板110可以是柔性的或刚性的。在一些实施方案中，基板110可为可拉伸的。在一些实施方案中，基板110可包括聚合物膜。在一些实施方案中，基板110可包括聚氨酯。合适的聚合物膜可包括例如弹性体聚氨酯、共聚酯、聚醚嵌段酰胺膜等。应当理解，基板110可由用于柔性电路的任何合适的材料制成。
隔层140和/或140'可附接到与天线120相邻的基板110的周边部分。在图1B的所描绘的实施方案中，隔层140设置在基板110的第二主表面114的周边部分113上，与天线120相对。在图1C的所描绘的实施方案中，隔层140'设置在第一主表面112的周边部分113'上，以覆盖天线120。在图1D的所描绘的实施方案中，隔层140设置在基板110的第二主表面114的周边部分113上，与天线120相对；并且隔层140'设置在第一主表面112的周边部分113'上，以覆盖天线120。
应当理解，隔层140、140'可被定位在与天线120相邻的任何合适的位置，以防止在存在具有可变水分的相邻体积的材料的情况下天线的不可预测的性能。天线连同隔层可具有设置在基板的第一部分上的至少一部分，而感测电路可设置在与基板的第一部分不同的基板的第二部分上。
在一些实施方案中，天线120的一部分可设置在基板的第一主表面112上，并且天线120的另一部分可设置在第二主表面114上。可将一个或多个隔层提供到天线的不同部分。
在图1A-图1D的所描绘的实施方案中，隔层140或140'具有框架形状，该框架形状的宽度d对应于基板110的周边部分113或113'的宽度，天线120可被设置在基板110的周边部分113或113'上。框架形状限定窗口115以容纳基板110的一部分，感测电路130被设置在基板110的一部分上。在一些实施方案中，感测电路130可设置在窗口115的中心区域处。在一些实施方案中，感测电路130可设置在基板110的第一主表面和第二主表面中的至少一个上。
当无线感测设备100、100'或100”被设置为靠近对象(例如，人的皮肤或流体收集介质)以测量例如对象的水合程度时，感测电路130被定位为靠近对象以测量对象的性质，而隔层140可被定位在天线和对象之间，以防止由环境中的可变电容率和传导性(例如，将测试的对象的水分变化)诱导的天线120的不可预测的性能。
隔层可由低介电常数材料制成，并且具有合适的厚度。隔层的品质因数被定义为隔层的厚度T(以微米为单位)与其介电常数k(相对电容率)的比率。本公开中的相对电容率或介电常数k是指隔层的材料的相对电容率，隔层的材料的相对电容率被表达为其绝对电容率与真空电容率的比率。将根据ASTM标准D150在室温下在例如约10KHz至约10MHz的测量频率范围下测量相对电容率k的值。应当理解，RF传感器设备的操作频率可在测量频率范围之外。在一些实施方案中，合适的低损耗介电材料可具有跨宽的RF范围随着频率的增加而单调和/或逐渐减小的介电常数。当操作频率高于测量频率时，与根据ASTM标准D150的所测量的值相比，由此类低损耗介电材料制成的隔层可在操作频率下表现出较低的介电常数。
在一些实施方案中，隔层的品质因数可为不小于约20、不小于约30、不小于约40、不小于50或不小于约100。在一些实施方案中，隔层的品质因数可在例如从约20至约2000、从约20至约1000、或从约20至约500；从约50至约2000、从约50至约1000、从约50至约500；或从约100至约2000、从约100至约1000、从约100至约500的范围内。
在一些实施方案中，隔层可由一种或多种低介电常数材料制成，一种或多种低介电常数材料包括例如聚合物、非织物、织物(例如，棉、聚合物等)、气凝胶、玻璃(例如，熔融石英、石英、硼硅酸盐玻璃、派热克斯玻璃等)。合适的聚合物可包括例如聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、橡胶等。合适的低介电常数材料可具有在例如以下范围内的相对电容率：从约1至约20、从约1.01至约10、从约1.05至约10、从约1.2至约10、从约1.01至约4、从约1.05至约4、从约1.2至约4、从约1.5至约10或从约1.5至约4。
在一些实施方案中，隔层可具有在例如以下范围内的厚度：从约20微米至约2.0cm、从约50微米至约1.0cm、从100微米至约5.0mm、从250微米至约5.0mm、或从250微米至约1.0mm。在一些实施方案中，隔层的厚度可例如比基板110的厚度大至少一倍、比基板110的厚度大至少二倍、比基板110的厚度大至少五倍、比基板110的厚度大至少十倍、或比基板110的厚度大至少二十倍。
在一些实施方案中，隔层可为耐水蒸气的，并且被配置为防止水分渗透穿过隔层以到达天线120。在一些实施方案中，隔层可包括阻隔膜或阻隔粘合剂。示例性阻隔膜或粘合剂可包括多层聚合物膜，诸如在美国专利公布2014/0065397(Johnson等人)中描述的膜，该专利以引用方式并入本文。在一些实施方案中，隔层可具有为耐水蒸气的闭孔泡沫结构。在一些实施方案中，隔层还可被处理为疏水的或耐水蒸气的。例如，隔层的表面或边缘可通过合适的热或化学过程处置成耐水蒸气的。
天线120可具有被设计用于与RF读取器近场耦合的任何合适的配置。天线120可被设置在基板的一侧或两侧上。在一些实施方案中，基板120可为线圈天线。在一些情况下，天线120可具有螺旋形式。在一些具体实施中，天线120可包括一个或多个基本上同心的导电环。在一些配置中，天线可具有在第一端部与第二端部之间的长度，该长度小于例如约2米。线圈天线可具有基于其几何结构的电感，该电感与电连接的部件(一般称为RF部件)的电容产生谐振，从而增强与RF读取器的频率接近的给定磁场强度下的感应电压。
在一些实施方案中，天线120可具有基于其几何结构的电感，该电感与RF部件132的第一电容产生第一谐振，并且与RF部件132的第二电容产生第二谐振。第二谐振可与RF读取器(例如，图1E中的RF读取器104)的频率更紧密地匹配，由于当谐振频率与RF读取器频率更紧密地匹配时给定的读取器磁场强度下增加的感应电压，所以将更多的能量耦合到无线感测设备100中。
在图1A的所描绘的实施方案中，感测电路130包括电耦合到天线120的RF部件132。在一些情况下，RF部件132可根据标准ISO 14443A、ISO 15693或其它标准或专有通信协议来实行调制和解调。感测电路130还包括加热元件134和感测元件136，该感测元件136热耦合到加热元件134，并被配置为生成传感器信号(例如，感测加热元件134的温度)。RF部件132可功能性地连接到感测元件，以接收传感器信号，并且经由天线120与外部设备传达传感器信号。
在一些具体实施中，RF部件132(RF部件132包括收发器和/或控制电路的部件)可被配置为包含可调谐或可切换的电容以产生至少两个电容值(即，第一电容、第二电容)，或者可包含用于控制外部可变电容的电路，或者可包含用于允许一个或多个外部电容元件切换到电路之中或之外的电路。
在一些实施方案中，加热元件134和感测元件136可为集成电路的部件。在一些实施方案中，感测元件136可为热传感器，该热传感器检测响应于温度改变在电气性质、光学性质、声学性质等中的可测量改变。
在一些实施方案中，感测电路130可为水合传感器，该水合传感器被配置为当水合传感器被设置为靠近对象时测量对象的水合程度。感测电路130可包括一个或多个部件，所述一个或多个部件包括例如收发器、控制电路、能量收获设备、储能设备、热源、传感器等。应当理解，感测电路130可为用于感测将被测量的对象的物理或化学性质的任何合适类型的传感器。
在一些实施方案中，天线120和感测电路130中的一个或多个可为射频识别(RFID)标签的部件。柔性和/或可拉伸基板上的RFID标签在提交于2014年7月31日的名称为“RFIDTag on Stretchable Substrate”(可拉伸基板上的RFID标签)的美国专利申请62/031,581以及提交于2014年7月31日的名称为“RFID Tag on Flexible Substrate”(柔性基板上的RFID标签)的美国专利申请62/031,603中有更详细的描述，这两个专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
图1E示出水合感测系统100S的一个实施方案。水合感测系统100S包括计算设备102、读取器104和无线感测设备100，该无线感测设备100可设置成与人106的皮肤热接触，或者可用于确定材料的液体含量。在一些情况下，读取器104连接到计算设备102或与计算设备102集成。计算设备102可包括一个或多个处理器、微处理器、计算机、服务器和其它外围设备。无线感测设备100、100'或100”可使用本公开所述的无线感测设备配置中的任一种或组合。
在所示的实施方案中，无线感测设备包括基板110、感测电路130、设置在基板110上且电耦合到感测电路130的天线120。在一些实施方案中，当感测电路130热耦合到目标区域时，感测电路130可感测目标区域温度的时间变化，并且无线发射所感测的温度的时间变化。读取器104被配置为接收传感器信号，并且计算设备102被配置为基于所感测的目标区域温度的时间变化，确定指示水合程度的水合指示。在一些实施方案中，无线感测设备可包括处理器以基于所感测的温度的时间变化确定指示水合程度的水合指示。
图2A示出根据一个实施方案的无线感测设备200的剖视图。图2B示出无线感测设备200的示意性俯视图。图2C示出无线感测设备200的放大部分视图。无线感测设备200设置在对象206(例如，人的皮肤)上，并且被设计为测量对象206的水合程度。
无线感测设备200包括基板210、天线220、电耦合到天线220的感测电路230、以及隔层240。基板210具有第一主表面212和与第一主表面212相对的第二主表面214(参见图2C)。天线220设置在第一主表面212的周边部分213上。感测电路230设置在第一主表面212上，并且至少部分地被天线220围绕。
在图2A的所描绘的实施方案中，感测电路230包括被配置为生成传感器信号的传感器232、电连接到传感器232的控制电路234、以及电耦合到控制电路234和天线220的收发器236。
在一些实施方案中，传感器234(也被称为感测元件)可为热传感器，响应于温度改变，该热传感器在电气性质、光学性质、声学性质等中具有可测量改变。在一些情况下，电学热传感器可在电压、电流或电阻方面响应于温度变化。电阻性热传感器的电阻取决于温度；典型的金属是电阻性热设备，其中电阻随着温度以相对线性的关系增加。热敏电阻器通常具有取决于电流的电阻以及响应于温度变化的非线性电阻变化。在一些具体实施中，电学热传感器可基于塞贝克效应工作以将温度差转换为电压，诸如热电偶或热电堆。
控制电路234可包括电连接的一个或多个电子部件。控制电路234可包括无源电子部件，例如诸如电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管等。控制电路234可包括有源电子部件，诸如晶体管、电压源或电流源、放大器、微处理器、振荡器、模数转换器、数模转换器、锁相环路等。在一些情况下，控制电路234可形成到集成电路中或者包括集成电路。微处理器可为具有相对简单的数字逻辑从而以预定义方式在两个或更多个状态之间移动的状态机，或者可为由指令集、数字处理块、存储器、固件和外围设备(诸如时钟、存储器控制器和数据转换器)组成的微控制器。在一些情况下，控制电路234可包括微处理器和存储唯一标识符的存储器。在一些实施方案中，控制电路234、收发器236、传感器232和天线220中的一个或多个可为射频识别(RFID)标签的部件。
收发器236可包括发射器元件和/或接收器元件。发射器元件包括一个或多个电磁或电声换能器、以及用于对一个或多个信号进行滤波、放大和调制的电子部件。接收器元件包括：一个或多个电磁或电声换能器，其可以经由开关装置与发射器元件的那些换能器进行共享，或者可以与发射器元件的那些换能器分离；以及用于对来自接收能量的一个或多个信号进行滤波、放大和调制的电子器件。电磁换能器可以是天线，该天线可被设计成从输入的电信号来辐射电磁场并且将电磁场吸收到电信号中，或者可被设计成与电磁近场中的储存能量耦合，或者为辐射和近场耦合两者的组合。电磁换能器还可为发光二极管或其它光源，或者光电二极管或其它光学检测器。电声换能器可为扬声器或其它声源，或者麦克风或其它声学检测器。电磁和/或电声换能器可组合成单个元件，该元件能够实现从电信号到电磁能或声能以及从电磁能或声能到电信号的双向换能。
无线感测设备200还包括吸收元件245，吸收元件245可为流体收集介质层，以吸收液体，诸如汗水、创面渗出液、冷凝物、汗液、油等。吸收元件245可与感测电路230的一个或多个部件热接触。
在一些实施方案中，传感器232可包括与吸收元件245热接触的热源(例如，图1A中的加热元件134)。在一些情况下，吸收元件245和热源/热传感器232被设置为彼此靠近，并且形成热接触。在其它情况下，吸收元件245和热源/热传感器232可处于物理直接接触。在一些情况下，热源940/热传感器232设置在吸收元件245上或至少部分地设置在吸收元件245中。
在图2A的所描绘的实施方案中，基板210连同设置于其上的天线220和感测电路230设置在吸收元件245上。隔层240被定位在天线220和吸收元件245之间，以将天线220与吸收元件245物理分离。
隔层240具有框架形状，该框架形状的宽度d对应于基板210的周边部分213的宽度，天线220设置在基板210的周边部分213上。框架形状限定窗口区域215以容纳基板210的一部分，感测电路230被设置在基板210的一部分上。基板210的一部分连同设置于其上的感测电路230直接设置在吸收元件245上，使得传感器232可测量吸收元件245的物理或化学性质(例如，水合程度)。
吸收元件245可包含一种或多种吸收材料，例如诸如多孔材料、天然或合成海绵、吸水凝胶、超吸收聚合物、泡沫、纱布、非织造贴片等。海绵可以用纤维素、聚酯或其它聚合物制成。超吸收聚合物可包括例如聚丙烯酸酯/聚丙烯酰胺共聚物、聚乙烯醇共聚物等。
无线感测设备200还包括电绝缘介质252，以覆盖在窗口区域215处的感测电路230。绝缘介质252可为设置在窗口区域215处的感测电路232提供保护。覆盖膜254包裹包括绝缘介质252、天线220、隔层240和吸收元件245的无线感测设备200，并且将无线感测设备200附接到将被测试的对象206(例如，人类皮肤)上。在一些实施方案中，覆盖膜254可包括粘合剂层(例如，压敏粘合剂或PSA)和隔离衬垫。当从覆盖膜254去除剥离衬垫时，覆盖膜254的周边部分可附接到对象，以抵靠对象按压吸收元件245，以在吸收元件245和对象之间形成流体收集界面247。
图3A示出根据另一实施方案的无线感测设备300的剖视图。图3B示出无线感测设备300的示意性俯视图。无线感测设备300设置在对象206上，并且被设计为测量对象206的物理或化学性质。
类似于图2A的无线设备200，无线感测设备300包括基板210、天线220、以及电耦合到天线220的感测电路230。天线220设置在基板210的周边部分213上。感测电路230在窗口区域215处设置在基板210上。感测电路230包括被配置为生成传感器信号的传感器232、电连接到传感器232的控制电路234、电耦合到控制电路234和天线220的收发器236。
无线感测设备300还包括隔层240a。隔层240a具有框架形状，该框架形状的宽度d对应于基板210的周边部分213的宽度，天线220被设置在基板210的周边部分213上。框架形状限定窗口区域215以容纳基板210的一部分，感测电路230设置在基板210的一部分上。基板210的一部分连同设置于其上的感测电路230直接设置在吸收元件245上，使得传感器232可测量吸收元件245的物理或化学性质(例如，水合程度)。
在图3A-图3B的所描绘的实施方案中，隔层240a具有带肋(ribbed)结构，该带肋结构包括基部12和多个肋14，所述多个肋14从基部12延伸且由多个肋14之间的间隙分离。基部12设置在吸收元件245上。基板210的周边部分213由肋14的远侧端部支撑。相邻肋之间的间隙可容纳空气，这可进一步减小隔层240a的相对电容率。隔层240a可由与图2A中的隔层240相同的材料制成。在一些实施方案中，隔层240a可为带肋弹性体。隔层240a可为本文所述的隔层中的任一个，诸如在图1B-图1D中的隔层140、140'、以及图2A中的隔层240。
图4示出了根据另一实施方案的无线感测设备400的剖视图。无线感测设备400设置在对象206上，并且被设计为测量对象206的物理或化学性质。
类似于图2A的无线设备200，无线感测设备400包括基板210、天线220、以及电耦合到天线220的感测电路230。天线220设置在基板210的周边部分213上。感测电路230在窗口区域215处设置在基板210上。感测电路230包括被配置为生成传感器信号的传感器232、电连接到传感器232的控制电路234、电耦合到控制电路234和天线220的收发器236。
无线感测设备400还包括第一隔层240b和第二隔层240c。第一隔层240b设置在基板210的周边部分213和吸收元件245之间。第二隔层240c设置在基板210的周边部分213上，在与第一隔层240b相对的一侧上。第一隔层240b和/或第二隔层240c可为本文所述的隔层中的任一个，诸如在图1B-图1D中的隔层140、140'、图2A中的隔层240、以及图3A中的隔层240a。
图5示出根据另一实施方案的无线感测设备500的剖视图。无线感测设备500被设置在对象206上，并且被设计为测量对象206的物理或化学性质。
类似于图2A的无线设备200，无线感测设备500包括基板210、天线220、以及电耦合到天线220的感测电路230。基板210连同设置于其上的感测电路230直接设置在对象206上。
无线感测设备500还包括设置在基板的周边部分213与对象206之间的隔层240d。隔层240d可为本文所述的隔层中的任一个，诸如在图1B-1D中的隔层140、140'、图2A中的隔层240、图3A中的隔层240a、以及图4中的隔层240b-240c。
图6示出根据另一实施方案的无线感测设备600的剖视图。无线感测设备600被设置在对象206上，并且被设计为测量对象206的物理或化学性质。
类似于图2A的无线设备200，无线感测设备600包括基板210、天线220、以及电耦合到天线220的感测电路230。天线220设置在基板210的周边部分213上。感测电路230在窗口区域215处设置在基板210上。
无线感测设备600还包括隔层240e，该隔层240e附接到吸收元件245的侧表面245s。基板220的周边部分213连同设置于其上的天线220由隔层240e支撑。隔层240e可为本文所述的隔层中的任一个，诸如在图1B-1D中的隔层140、140'、图2A中的隔层240、图3A中的隔层240a、图4中的隔层240b-240c、以及图5中的隔层240d。
在所描绘的实施方案中，隔层240e的厚度小于吸收元件245的厚度，使得可在隔层240e与对象206之间形成间隙区域241。
图7示出根据另一实施方案的无线感测设备700的剖视图。无线感测设备700被设置在对象206上，并且被设计为测量对象206的物理或化学性质。
类似于图2A的无线设备200，无线感测设备400包括基板210、天线220、以及电耦合到天线220的感测电路230。天线220设置在基板210的周边部分213上。感测电路230在窗口区域215处设置在基板210上。感测电路230包括被配置为生成传感器信号的传感器232、电连接到传感器232的控制电路234、电耦合到控制电路234和天线220的收发器236。
无线感测设备700还包括隔层240f，该隔层240f设置在基板210的周边部分213和吸收元件245之间。与图2A的无线设备200不同，基板210具有设置于其上面向对象206的部件(例如，感测电路230、天线220等)。隔层240f设置在天线220上，以将天线220与吸收元件245物理分离。隔层240f可为本文所述的隔层中的任一个，诸如在图1B-1D中的隔层140、140'、图2A中的隔层240、图3A中的隔层240a、图4中的隔层240b-240c、图5中的隔层240d、以及图6中的隔层240e。
无线感测设备700还包括阻隔层260，该阻隔层260设置在窗口区域215处，以将感测电路230与吸收元件245物理分离。
除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、性质测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望属性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的数值的有效数位的数量并通过应用惯常的四舍五入法来解释。
在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下描述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素控制。
示例性实施方案列表
以下列出示例性实施方案。应当理解，实施方案1-20、实施方案21-35、实施方案367和实施方案38-39中任一项可被组合。
实施方案1为一种射频(RF)传感器设备，包括：
基板；
天线，该天线具有设置在基板的第一部分上的至少一部分；
传感器，该传感器设置在基板的第二部分上，传感器至少部分地被天线围绕，传感器包括电耦合到天线的RF部件；和
隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的第一部分，
其中隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20(微米)的品质因数。
实施方案2为根据实施方案1所述的RF传感器设备，其中隔层具有不小于50(微米)的品质因数。
实施方案3为根据实施方案1或2所述的RF传感器设备，其中隔层的相对电容率在从约1.01至约4的范围内，并且隔层的厚度在从约250微米至约1.0mm的范围内。
实施方案4为根据实施方案1-3中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层包含一种或多种低介电常数材料，所述一种或多种低介电常数材料包括聚合物、非织造材料、织造材料、气凝胶或玻璃中的一种或多种。
实施方案5为根据实施方案1-4中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层为耐水蒸气的，并且被配置为防止水分渗透穿过隔层以到达天线。
实施方案6为根据实施方案1-5中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层具有框架形状，该框架形状的宽度对应于基板的第一部分的宽度，框架形状限定窗口以容纳基板的一部分，传感器设置在基板的一部分上。
实施方案7为根据实施方案1-6中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层包括带肋结构。
实施方案8为根据实施方案1-7中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层包括闭孔泡沫。
实施方案9为根据实施方案1-8中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层设置在天线上以覆盖天线的至少一部分。
实施方案10为根据实施方案1-9中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层设置在与天线相对的基板的一侧上。
实施方案11为根据实施方案1-10中任一项所述的RF传感器设备，其中传感器为水合传感器，该水合传感器被配置为当水合传感器被设置为靠近对象时测量对象的水合程度。
实施方案12为根据实施方案11所述的RF传感器设备，还包括吸收元件，其中基板的至少一部分设置在吸收元件介质上，使得水合传感器被设置为靠近吸收元件。
实施方案13为根据实施方案11或12所述的RF传感器设备，其中隔层夹置在基板的第一部分和吸收元件之间。
实施方案14为根据实施方案11-13中任一项所述的RF传感器设备，其中隔层围绕吸收元件的周边设置。
实施方案15为根据实施方案11-14中任一项所述的RF传感器设备，还包括阻隔层以将水合传感器与吸收元件分离。
实施方案16为根据实施方案10-15中任一项所述的RF传感器设备，其中水合传感器还包括电耦合到RF元件以改变目标区域的热条件的热源元件。
实施方案17是根据实施方案16所述的RF传感器设备，其中水合传感器还包括感测元件，该感测元件热耦合到热源元件以感测热源的温度。
实施方案18为根据实施方案1-17中任一项所述的RF传感器设备，还包括绝缘介质层，以覆盖设置在基板上的传感器。
实施方案19为根据实施方案1-18中任一项所述的RF传感器设备，还包括覆盖膜以包裹设置在基板上的部件。
实施方案20为根据实施方案19所述的RF传感器设备，其中覆盖膜具有带有粘合剂表面的周边部分。
实施方案21为一种用于测量水合程度的RF传感器，包括：
基板；
天线，该天线具有设置在基板的周边部分上的至少一部分；
吸收元件，该吸收元件包含流体吸收材料；
隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的周边部分，隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20的品质因数；和
传感器元件，该传感器元件设置在基板上，传感器元件被定位为靠近吸收元件，并且被配置为测量吸收元件的水合程度，传感器元件至少部分地被天线围绕且电耦合到天线。
实施方案22为根据实施方案21所述的RF传感器，其中隔层具有框架形状，该框架形状的宽度对应于基板的周边部分的宽度，框架形状限定窗口，传感器元件被设置在窗口内且与流体收集介质接触。
实施方案23为根据实施方案21或22所述的RF传感器，其中隔层包括带肋结构。
实施方案24为根据实施方案21-23中任一项所述的RF传感器，其中隔层包括闭孔泡沫。
实施方案25为根据实施方案21-24中任一项所述的RF传感器，其中隔层被夹置在基板和吸收元件之间。
实施方案26为根据实施方案21-25中任一项所述的RF传感器，其中隔层围绕吸收元件的周边设置。
实施方案27为根据实施方案21-26中任一项所述的RF传感器，其中隔层设置在天线上以覆盖天线的至少一部分。
实施方案28为根据实施方案21-27中任一项所述的RF传感器，其中隔层设置在与天线相对的基板的一侧上。
实施方案29为根据实施方案27所述的RF传感器，还包括阻隔层以将基板与吸收元件分离。
实施方案30为根据实施方案21-29中任一项所述的RF传感器，还包括覆盖层以覆盖天线。
实施方案31为根据实施方案21-30中任一项所述的RF传感器，还包括绝缘介质层以覆盖设置在基板上的传感器元件。
实施方案32为根据实施方案31所述的RF传感器，还包括覆盖膜以包裹设置在基板上的部件。
实施方案33是根据实施方案32所述的RF传感器，其中覆盖膜具有带有粘合剂表面的周边部分。
实施方案34为根据实施方案21-33中任一项所述的RF传感器，其中吸收材料包括多孔材料、天然或合成海绵、吸水凝胶和超吸收聚合物中的至少一种。
实施方案35为根据实施方案21-34中任一项所述的RF传感器，其中隔层的相对电容率在从约1.01至约4的范围内，并且隔层的厚度在从约250微米至约1.0mm的范围内。
实施方案36为一种射频(RF)传感器设备，包括：
基板；
天线，该天线具有设置在基板的第一部分上的至少一部分；
传感器，该传感器设置在基板的第二部分上，传感器包括电耦合到天线的RF部件；和
隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的第一部分，隔层与基板的第二部分分离，
其中隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20(微米)的品质因数。
实施方案37为根据实施方案36所述的RF传感器设备，还包括吸收元件，其中基板的第二部分的至少一部分直接设置在吸收元件介质上。
实施方案38为一种射频(RF)传感器设备，包括：
基板；
天线，该天线具有设置在基板的周边部分上的至少一部分；
传感器，该传感器设置在基板的中心部分上，传感器包括电耦合到天线的RF部件；和
隔层，该隔层附接到与天线相邻的基板的周边部分，
其中隔层具有厚度T、相对电容率k、以及定义为T(以微米为单位)与k的比率的品质因数，隔层具有不小于20(微米)的品质因数。
实施方案39为根据实施方案38所述的RF传感器设备，还包括吸收元件，其中基板的中心部分的至少一部分直接设置在吸收元件介质上。
实施例
这些实施例仅用于说明性目的，并非旨在对所附权利要求的范围进行限制。除非另外指明，否则实施例以及说明书的余下部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。
仿真实施例
在计算机仿真技术(CST)微波工作室电磁仿真环境中使用频域求解器对实施例1-实施例4进行建模。实施例1和实施例3具有图1C所示的配置，并且分别设置在皮肤和吸收元件上。实施例2和实施例4具有图1B所示的配置，并且分别设置在皮肤和吸收元件上。基板为约50微米厚，并且具有约3.2的相对电容率。皮肤具有约31.3的相对电容率和约8.0S/m的电传导率。吸收元件具有约1.0mm的厚度，并且使用水模型，该水模型带有约78的相对电容率和约1.59S/m的电传导率。
“谐振频移(％)”的值被计算为当天线远离皮肤或吸收元件定位时和当天线被设置在皮肤或吸收元件上时的谐振频率差。下面的表1列出了用于实施例1-实施例4和比较例C1-C2的更多细节。实施例1-实施例4在稳定天线的谐振频率和减少品质因子衰减中表现出优异的性质。
表1
Figure GDA0004057990980000181
通过改变隔层的相对电容率和厚度，构建了一系列实施例1、实施例2、实施例3和实施例4。进行了类似的仿真，以计算谐振频移。图8A-图8D分别示出了用于一系列实施例1-实施例4的频移(％)对D/k的比率的曲线图，其中D是天线和皮肤或吸收元件之间的竖直间距，并且k是隔层的相对电容率。对于实施例1和实施例3，竖直间距大约是隔层的厚度T。对于实施例2和实施例4，间距D包括隔层的厚度T和基板的厚度。
实验实施例
第2组中的实施例(实施例A和实施例F)根据图2A中所示的配置制造。第3组中的实施例(实施例D和实施例E)根据图6所示的配置制造。第1组中的比较例(实施例B和实施例C)根据图2A或图6中所示的配置制造，但是不具有隔层。在下面表2中列出用于实施例的材料。
表2
Figure GDA0004057990980000191
第1组和第2组中的实施例具有3.5cm×3.0cm的流体收集介质面积。第3组中的实施例具有2.0×1.5cm的减少的流体收集介质面积，并且第3组中的实施例被插入1772个闭孔泡沫的框架内。调谐电容器用于将每个实施例的谐振频率设定为大约彼此相等。每个实施例具有0402大小(1.0×0.5mm)的、NP0型用于低损耗的、带有如下面另外在表中列出的电容器值的1个或2个陶瓷电容器。
用于每个实施例的天线为4匝铜线，4匝铜线具有0.4mm迹线宽度和在迹线之间的0.4mm的间距、以及30.6mm×25.6mm外径。天线图案被蚀刻到铜-聚酰亚胺层压板(明尼苏达州伊根的电子材料公司(Electro-Materials Inc,Eagan,MN)的Espanex聚酰亚胺层压板MC18-25-00CEM)中。跨内外天线焊盘的跳线用窄规格线材制成，其中下方的天线迹线由聚酰亚胺胶带局部绝缘。
在将近场通信(NFC)集成电路添加到每个天线(来自荷兰埃因霍温的恩智浦半导体(NXP Semiconductors,Eindhoven,Netherlands)的NT3H1101W0FTT)之后，实施例被调谐以具有几乎彼此相等且在13.56MHz上下的谐振频率f0。为了验证调谐，用Keysight E4990A阻抗分析仪和ˉ5cm直径平面读取器天线测量谐振频率f0和品质因子Q，其中标签与读取器天线以ˉ1cm间距分离且大约居中。从所反射的阻抗测量将品质因子Q确定为谐振频率与阻抗的实部的带宽(半最大值全宽)的比率。下面的表3示出到样本组中的标签分配连同每个标签的调谐电容器值、在组装到下面表中示出的构造中的每个中之后的f0和Q的测量值、以及基于流体收集介质的MSX-6916B泡沫层面积和厚度的流体收集介质的标称体积。
表3
Figure GDA0004057990980000201
在蒸馏水中按重量计1％NaCl的盐溶液被制备为该实施例的流体。这样的溶液的传导性的手册值为1.6S/m。(NaCl：西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich)氯化钠无水Redi-DriTMACS试剂>99％；水：塔吉特(Target)公司的市场备餐室蒸馏水)
使用Voyantic Tagformance HF系统使用距离控制套件改变读取器与样本之间的距离来评估每个实施例的性能。在每个样本的干燥状态下且在添加在上面表中的指定量的流体以实现介质体积的大约20％填充之后测量每个样本。对于每种条件下的每个样本，阈值磁场强度被测量作为读取器频率的函数(以及作为距离的函数，以确保阈值行为与分离距离一致)，并且针对13.56MHz的固定读数器频率和20dBm读取器发射功率(100毫瓦)测量工作范围。
使用注射器跨每个样本的流体收集介质的开放表面添加流体，并且然后流体通过在两个载玻片之间将流体压缩和释放若干次遍布于流体收集介质。在标签性能测量之前，通过质量测量验证每个样本中添加的流体量，并且在完成对每个样本的测量之后，重新验证每个样本中添加的流体量。以下表4中示出质量数据、以及在干燥和湿润状态下所测量的工作范围。
表4
Figure GDA0004057990980000211
(在这些测量期间的环境条件为72℉、48％RH。)
表4表明本公开的两个实施方案(第2组和第3组)在存在导电流体的情况下明显改善工作范围的稳定性。那些构造也实现了性能改善，同时允许电路的中心部分保持与流体收集介质紧密接触。
为了提供关于为什么出现该性能差异的另外的信息，我们可查看阈值磁场强度测量。在图9A-图9B中示出了两个代表性样本的阈值磁场强度数据。对于实施例B(以及类似地对于实施例C)，导电流体的存在增加了打开其NFC标签所需的磁场强度，并且使谐振频率(曲线的最小值的位置)偏移。然而对于实施例F(以及实施例A、实施例D和实施例E)，在干燥和湿润之间的阈值磁场强度中存在最小差异。由于磁场强度一般随距读取器的距离的变化减小，所以这些结果意味着在存在导电流体的情况下，实施例B和实施例C将具有减少的工作范围，也正如在上面的工作范围的直接测量中看到的。
整个本说明书中提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的各处出现的表述诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，特定特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的示例性实施方案。特别地，如本文所用，用端值表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。此外，对各种示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其它实施方案均在以下权利要求书的范围内。

Claims (33)

1.一种射频RF传感器设备，包括：
基板；
天线，所述天线具有设置在所述基板的第一部分上的至少一部分；
传感器，所述传感器设置在所述基板的第二部分上，所述传感器至少部分地被所述天线围绕，所述传感器包括电耦合到所述天线的RF部件，其中所述传感器被配置为当所述传感器被设置为靠近对象时测量所述对象的性质；以及
隔层，所述隔层仅附接到所述基板的第一部分中的与所述天线相邻的部分，并且至少部分地围绕所述基板的第二部分上的所述传感器，其中所述隔层具有框架形状，所述框架形状的宽度与所述基板的所述第一部分的宽度相对应，所述框架形状限定窗口以容纳所述基板的第二部分中的设置有所述传感器的部分，并且
其中所述隔层具有在从250微米至1.0mm的范围内的厚度T、相对电容率k、以及定义为T与k之比的品质因数，其中T以微米为单位，所述隔层具有不小于20的所述品质因数。
2.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层具有不小于50的所述品质因数。
3.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层的所述相对电容率在从1.01至4的范围内。
4.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层包括一种或多种低介电常数材料，所述一种或多种低介电常数材料包括聚合物、非织造材料、织造材料、气凝胶或玻璃中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层为耐水蒸气的，并且被配置为防止水分渗透穿过所述隔层以到达所述天线。
6.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层包括带肋结构。
7.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层包括闭孔泡沫。
8.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层设置在所述天线上以覆盖所述天线的至少一部分。
9.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述隔层设置在所述基板中的与所述天线相对的一侧上。
10.根据权利要求1所述的RF传感器设备，其中所述传感器为水合传感器，所述水合传感器被配置为当所述水合传感器被设置为靠近对象时测量所述对象的水合程度。
11.根据权利要求10所述的RF传感器设备，还包括吸收元件，其中所述基板的至少一部分设置在所述吸收元件介质上，使得所述水合传感器被设置为靠近所述吸收元件。
12.根据权利要求11所述的RF传感器设备，其中所述隔层夹置在所述基板的所述第一部分和所述吸收元件之间。
13.根据权利要求11所述的RF传感器设备，其中所述隔层围绕所述吸收元件的周边设置。
14.根据权利要求11所述的RF传感器设备，还包括阻隔层，以将所述水合传感器与所述吸收元件分离。
15.根据权利要求10所述的RF传感器设备，其中所述水合传感器还包括电耦合到RF元件以改变目标区域的热条件的热源元件。
16.根据权利要求15所述的RF传感器设备，其中所述水合传感器还包括感测元件，所述感测元件热耦合到所述热源元件以感测所述热源的温度。
17.根据权利要求1所述的RF传感器设备，还包括绝缘介质层，以覆盖设置在所述基板上的所述传感器。
18.根据权利要求1所述的RF传感器设备，还包括覆盖膜，以包裹设置在所述基板上的部件。
19.根据权利要求18所述的RF传感器设备，其中所述覆盖膜具有带有粘合剂表面的周边部分。
20.一种用于测量水合程度的RF传感器，包括：
基板；
天线，所述天线具有设置在所述基板的周边部分上的至少一部分；
吸收元件，所述吸收元件包括流体吸收材料；
隔层，所述隔层附接到所述基板的周边部分中的与所述天线相邻的部分以将所述天线与所述吸收元件物理分离，所述隔层具有在从250微米至1.0mm的范围内的厚度T、相对电容率k、以及定义为T与k之比的品质因数，其中T以微米为单位，所述隔层具有不小于20的所述品质因数；以及
传感器元件，所述传感器元件设置在所述基板上，所述传感器元件设置在所述吸收元件上，并且被配置为测量所述吸收元件的所述水合程度，所述传感器元件至少部分地被所述天线和所述隔层围绕且电耦合到所述天线，所述隔层的位置使得所述隔层不会将所述传感器元件与所述吸收元件物理分离，
其中所述隔层具有框架形状，所述框架形状的宽度与所述基板的所述周边部分的宽度相对应，所述框架形状限定窗口，所述传感器元件被设置在所述窗口内且与所述吸收元件接触。
21.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层包括带肋结构。
22.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层包括闭孔泡沫。
23.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层被夹置在所述基板和所述吸收元件之间。
24.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层围绕所述吸收元件的周边设置。
25.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层设置在所述天线上以覆盖所述天线的至少一部分。
26.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层设置在所述基板上的与所述天线相对的一侧处。
27.根据权利要求25所述的RF传感器，还包括阻隔层，以将所述基板与所述吸收元件分离。
28.根据权利要求20所述的RF传感器，还包括覆盖层，以覆盖所述天线。
29.根据权利要求20所述的RF传感器，还包括绝缘介质层，以覆盖设置在所述基板上的所述传感器元件。
30.根据权利要求29所述的RF传感器，还包括覆盖膜，以包裹设置在所述基板上的部件。
31.根据权利要求30所述的RF传感器，其中所述覆盖膜具有带有粘合剂表面的周边部分。
32.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述吸收材料包括多孔材料、天然或合成海绵、吸水凝胶和超吸收聚合物中的至少一种。
33.根据权利要求20所述的RF传感器，其中所述隔层的所述相对电容率在从1.01至4的范围内。
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