CN111541003A

CN111541003A - 一种用于可穿戴设备的柔性天线传感器

Info

Publication number: CN111541003A
Application number: CN202010557241.1A
Authority: CN
Inventors: 轩秀巍; 花宇杰; 龚超; 赵婉伊; 李琳
Original assignee: Tianjin Aurora Intelligent Technology Co ltd; Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin Aurora Intelligent Technology Co ltd; Tianjin University of Technology
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2020-08-14

Abstract

本发明公开了一种用于可穿戴设备的柔性天线传感器，属于可穿戴传感器领域。包括上层的共面波导天线(1)和下层的开口谐振环阵列(2)。可以实时地测量并输出用户的汗液成分和膝关节所承受的压力，适用于穿戴式健康监测和防跌倒系统。本发明将共面波导天线和开口谐振环阵列相结合，开发了兼具信号检测和传输功能的天线传感器，将汗液成分变化和关节压力转化为谐振频率的偏移。本发明避免了传输线的使用，增强了传感器接口的稳定性，提高了传感器的使用寿命，同时具有灵敏度高、传输效率好的优点，具备较好的推广前景。

Description

一种用于可穿戴设备的柔性天线传感器

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种新型的用于测量汗液和关节压力的可穿戴天线传感器及其方法。

背景技术

可穿戴传感器可以持续监控个人健康状况，对于实现健康监测系统至关重要。然而，对于传统的柔性传感器，同时实现高可压缩性和高灵敏度仍然是一个巨大的挑战。除此之外，传统的柔性传感器只具备采集信号的功能，信号的传输需要连接其他有线或无线电路才能实现，这不仅限制了可在柔性膜中嵌入的传感器数量，也增加了系统的复杂性和重量。再者，传感器接口通常是最脆弱的组件，在测量中易引入机械漂移、噪声和振动，损害可穿戴柔性传感器的可靠性。因此，设计可同时实现信号采集和传输的一体化传感器是很有必要的。

天线传感器的一个独特优点是传感器本身用作无线发射器，集成了信号采集和传输功能，将信号“感”与“传”结合起来，从而消除了外部电线接口，增强了传感器的可靠性；缩小了传感器体积，进而增大柔性膜中可嵌入传感器的规模，特别是应用于传感器阵列上时，具有集成简单、稳定可靠等优势，开始在电子皮肤、柔性可穿戴设备、人机交互系统等领域起到重要作用。

发明内容

本发明目的在于解决现有的可穿戴传感器灵敏度低、结构复杂、可靠性低等问题，提供一种可同时实现信号采集和传输的用于可穿戴设备的柔性天线传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于可穿戴设备的柔性天线传感器，该天线传感器分为上下两层，分别是上层的共面波导天线1和下层的开口谐振环阵列2。共面波导天线1被放置在开口谐振环阵列2的中心正上方。共面波导天线1由圆形辐射器贴片11、开孔12、馈线13、第一接地面14和第二接地面15组合而成，其中，圆形辐射器贴片11的直径为33.4mm，开孔12的直径6mm。该天线金属层采用印刷银浆。天线介质基板采用柔性聚酰亚胺薄膜，薄膜的厚度为1mm。聚酰亚胺薄膜相对介电常数为ε_r＝3.50，损耗角正切为tanδ＝0.008。上层共面波导天线1的整体尺寸为60mm×60mm。

开口谐振环阵列2采用印刷银浆实现，介质基板采用柔性聚酰亚胺薄膜，薄膜的相对介电常数为ε_r＝3.50，损耗角正切为tanδ＝0.008。聚酰亚胺薄膜的厚度为1mm。在聚酰亚胺薄膜的底面进行规则开槽，开槽深度是0.5mm，用于收集人体汗液，所包含的单元数是3×3，各个单元中心距离为22.2mm，下层开口谐振环阵列2的面积为88.8mm×88.8mm。

当开口谐振环阵列2的介质基板开槽收集到汗液时，引起介质板的介电常数和损耗角正切发生变化，开口谐振环阵列的谐振频率出现偏移，即该传感器收集到的汗液成分变化可以反映为谐振频率的变化。

该传感器上下两层之间的间隔是5mm，四条边各用泡沫支撑，当施加压力时，上层共面波导天线1与下层的开口谐振环阵列2之间实现压力传递，从而增强传感器的敏感度。

该传感器在被拉伸或施加压力时，上下层各自的金属层尺寸和介质层厚度发生变化，导致天线传感器的谐振频率出现偏移，即该传感器受到的压力和形变可以反映为谐振频率的变化。

天线谐振频率的变化与压力之间的关系如下：

Δf＝Cεf₀

其中，ε为施加的压力，Δf是频率的偏移量，f₀为未施加压力时的中心频率。C是频率依赖系数。

本发明的设计过程包括：

1.采用HFSS软件建立共面波导天线1的模型，分析共面波导天线馈线13的宽度、辐射片11的直径、开孔12的直径等尺寸对天线谐振频率和辐射增益的影响，优化变量得到工作于2.45GHz和5.8GHz的最佳天线参数；

2.采用HFSS软件建立开口谐振环阵列2的模型，并分析开口谐振环结构的外环22及内环21的直径、介质基板厚度、阵列数和阵列间距等参数对谐振频率的影响，优化变量以获得工作于2.45GHz和5.8GHz的最佳参数；

3.将共面波导天线放置于开口谐振环阵列正上方5mm处，构成复合结构天线传感器。

3.1分析介质基板的介电常数变化时，传感器的谐振频率变化情况，得到天线谐振频

率随介电常数变化的线性关系；

3.2分析介质基板的损耗角正切值变化时，传感器的谐振频率变化情况，得到天线谐

振频率随损耗角正切值变化的线性关系；

3.3分析介质基板的厚度变化时，传感器的谐振频率变化情况，得到天线谐振频率随

介质基板厚度变化的线性关系；

3.4作为可穿戴柔性天线传感器，对弯曲后的传感器辐射性能进行进一步的评估，主

要分析不同弯曲半径下，柔性天线传感器的辐射性能和传感性能变化。

4.采用丝网印刷的方法制作共面波导天线和开口谐振环，印刷金属为银浆；

5.对柔性天线传感器施加不同的压力，测试其回波损耗、辐射增益和压力传感灵敏度；往开口谐振环的介质薄膜凹槽里注入不同的汗液，再次测试其回波损耗、辐射增益和传感灵敏度。

本发明的优点和积极效果：

1、按照本发明设计制作的柔性天线传感器，具有灵敏度高、辐射强、稳定性好和简单紧凑等优点。

2、本发明提供了一种新的传感器设计方法，即天线传感器，不仅可以采集信号，还可以把信号无线传输出去，避免了传输线的使用，增强了传感器接口的稳定性，提高了传感器的使用寿命。

3、本发明可用于监测脉搏、关节弯曲和汗液成分等，方便地进行身体健康信息检测，具有智能化和舒适化的优点，易于推广。

附图说明

图1为本发明可穿戴柔性天线传感器的结构示意图。

图2为本发明柔性天线传感器佩戴于膝盖部位示意图。

图3为本发明天线传感器的回波损耗S₁₁结果图。

图4为本发明天线传感器辐射方向示意图。

图5为本发明天线传感器的传感性能。

图6为本发明天线传感器在不同弯曲状态下的回波损耗曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，并介绍本发明的一个优选实施例：

图1显示了本发明可穿戴柔性天线传感器的结构示意图。本发明柔性天线传感器分为上下两层，分别是上层的共面波导天线1和下层的开口谐振环阵列2，且共面波导天线1位于开口谐振环阵列2的正上方中心位置处，之间的间隔为5mm。为了使共面波导天线1和开口谐振阵列之间能够保持稳定的间距，在中间加了泡沫聚苯乙烯维持。为了尽量减小传感器整体的剖面尺寸，取共面波导天线1厚度为1mm，开口谐振环阵列2厚度为1mm。本天线上下层采用的介质基板材料是柔性聚酰亚胺，聚酰亚胺相对介电常数为ε_r＝3.50，损耗角正切为tanδ＝0.008。

该柔性天线传感器的上层共面波导天线1由圆形辐射器贴片11、开孔12、馈线13、第一接地面14和第二接地面15组合而成，整体尺寸为60mm×60mm。其中，圆形辐射器11的直径为33.4mm，所开圆孔12的直径6mm，馈线13的宽度为6mm，接地面14和15均宽25mm，长26.5mm。该柔性天线传感器的下层开口谐振环阵列2整体尺寸为88.8mm×88.8mm，采用3×3阵列，外环22外直径为26.4mm，内环21外直径为11.04mm，外环和内环的环宽均为1.8mm，相邻内环中心距离为22.2mm。在下层介质基板聚酰亚胺的底部上开槽用于渗入被测汗液。

图2显示了本发明柔性天线传感器佩戴于膝盖部位示意图。当发生跌倒时，膝盖压力施加在天线传感器上，造成谐振频率偏移，阅读器识别后，发出警报。

利用电磁仿真软件HFSS建立天线模型，优化调整参数，得到最终天线传感器仿真结果如下。

图3显示了本发明天线传感器的回波损耗S₁₁结果图。可见天线工作在2.45GHz和5.8GHz两个频段，符合设计要求。

图4显示了本发明可穿戴天线传感器辐射方向示意图。可穿戴天线传感器的最大辐射增益为4.00dB。

图5显示了本发明柔性天线传感器的传感性能。图中(a)为柔性天线传感器的谐振频率随介电常数变化曲线，(b)为柔性天线传感器的谐振频率随损耗角正切变化曲线，(c)为柔性天线传感器的谐振频率随介质板高度变化曲线。图(a)可以看出，当介电常数增加时，谐振频率降低。对于ε_r＝1，ε_r＝3，ε_r＝3.5，ε_r＝5.0和ε_r＝6.0，谐振频率分别出现在5.860、5.772、5.752、5.672和5.572GHz，最高频偏可达100MHz。在固定εr＝1的情况下，损耗角正切从tanδ＝0变为0.9的敏感性。谐振频率几乎不受各种损耗角正切的影响，保证了测量液体表征的单一变量的原则。通过改变对开口谐振环介质基板的高度h，分别取0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm，在h成线性变化时，谐振频率也相应的呈线性变化。

图6显示了本发明柔性天线传感器在不同弯曲状态下的回波损耗曲线。由于不同人的关节粗细有所不同，为了可以保证柔性天线传感器可以适用于所有人群，对传感器的弯曲半径R做了改变，R分别取30mm、35mm和40mm。从图6可以看到，当柔性天线传感器的弯曲半径R变化时，谐振频率基本保持不变，这样可以很好地保证该柔性天线传感器适用于不同人群的关节。

以上所述的实施例只是本发明的一个较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的思路和范围的情况下，可以做出各种变化和变型。例如，上述实例的上层结构也可以使用其他天线来实现，如单极子天线，介质板也不局限于使用聚酰亚胺薄膜，也可采用其他柔性材料。另外，柔性天线传感器的下层，即开口谐振阵列的固定位置、阵列数等，均可以按照本发明所述原理进行更新与改进。

由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于可穿戴设备的柔性天线传感器，其特征在于该柔性天线传感器分为上下两层，分别是上层的共面波导天线(1)和下层的开口谐振环阵列(2)。

2.根据权利要求1所述的用于可穿戴设备的柔性天线传感器，其特征在于，该传感器上层的共面波导天线(1)由圆形辐射器贴片(11)、开孔(12)、馈线(13)、第一接地面(14)和第二接地面(15)组合而成，具有对压力和形变敏感的特性，通过测试谐振频率的偏移获得。

3.根据权利要求1所述的用于可穿戴设备的柔性天线传感器，其特征在于，该传感器的下层采用3×3的开口谐振环阵列(2)，每个开口谐振环由内环(21)和外环(22)组成；在下层介质基板底部开槽，用于汗液渗入，具有对汗液成分变化灵敏度高的特性，通过测试谐振频率的偏移获得。

4.根据权利要求1所述的用于可穿戴设备的柔性天线传感器，其特征在于，上层的共面波导天线(1)和下层开口谐振环阵列(2)的介质基板均采用柔性聚酰亚胺薄膜，便于实现压力传递和汗液收集。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于可穿戴设备的柔性天线传感器，其特征在于，该传感器上下两层之间的间隔是5mm，四条边各用泡沫层支撑，当施加压力时，上层共面波导天线(1)与下层的开口谐振环阵列(2)之间实现压力传递，从而增强传感器的敏感度。

6.根据权利要求1至4任一项所述的用于可穿戴设备的柔性天线传感器，其特征在于，上层的共面波导天线(1)位于下层的开口谐振环阵列(2)的中心正上方。