CN114171886A - 一种柔性天线、其制作方法和心电贴 - Google Patents

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Abstract

一种柔性天线、其制作方法和心电贴，该柔性天线包括柔性薄膜基底，所述柔性薄膜基的上表面设置有具有弧形周边的第一上表面地板以及倒F圆弧形天线结构，所述柔性薄膜基还设置有馈电端口，所述倒F圆弧形天线结构具有作为主辐射单元的圆弧线边、连接在所述圆弧线边端部的第一线边以及连接在所述圆弧线边中间的第二线边，所述倒F圆弧形天线结构的第一线边连接所述第一上表面地板，而所述倒F圆弧形天线结构的第二线边连接所述馈电端口，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边设置成沿着所述第一上表面地板的弧形周边的延伸方向延伸。该柔性天线可拉伸和可弯曲变形性能高，适于作为用在人体表面的心电贴，解决体域网节点在穿戴环境下的复杂应变问题。

Description

一种柔性天线、其制作方法和心电贴
技术领域
本发明涉及柔性电子领域，特别是涉及一种柔性天线、其制作方法和心电贴。
背景技术
随着5G通信技术的推广应用，人工智能的普及，元宇宙概率的兴起，老年化社会导致人体健康的实时检测要求越来越高。人们对可穿戴电子和人体的结合，用以实现健康实时检测和健康大数据采集，实现信息通信传输到5G网路和手机，越来越关注。因此，用于传感的传感器和用于通信的天线的集成，越来越重要，实现传感通信一体化，是5G技术的重要应用场景，有广阔的市场。
柔性电子和可穿戴电子是一个正在兴起和发展的领域。一般地，无源和有源器件，包括，传感器、天线、连接导线、电池、相关电路等集成在柔性底板上，柔性薄膜基底的典型厚度在一毫米左右，具有超弹性变形能力。例如，人体智能体域网的柔性可穿戴系统的集成技术，要求柔性心电贴和柔性天性的结构设计、协同优化、并与节点芯片的高度集成，实现可延展薄膜衬底的优异结构设计和低成本制造工艺，解决体域网节点在穿戴环境下复杂应变问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种柔性天线、其制作方法和心电贴。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性天线，包括柔性薄膜基底，所述柔性薄膜基的上表面设置有具有弧形周边的第一上表面地板以及倒F圆弧形天线结构，所述柔性薄膜基还设置有馈电端口，所述倒F圆弧形天线结构具有作为主辐射单元的圆弧线边、连接在所述圆弧线边端部的第一线边以及连接在所述圆弧线边中间的第二线边，所述倒F圆弧形天线结构的第一线边连接所述第一上表面地板，而所述倒F圆弧形天线结构的第二线边连接所述馈电端口，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边设置成沿着所述第一上表面地板的弧形周边的延伸方向延伸。
进一步地：
所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边与所述第一上表面地板的弧形周边平行。
所述第一上表面地板为圆形或椭圆形。
所述馈电端口为同轴馈电端口。
所述柔性薄膜基的上表面还设置有第二上表面电极板，所述第二上表面电极板与所述第一上表面地板之间具有设定的间距。
所述柔性薄膜基的下表面对应于上表面地板的位置设置有具有弧形周边的下表面地板，所述上表面地板和所述下表面地板通过所述柔性薄膜基上的导电过孔相连。
所述倒F圆弧形天线结构设置在所述第一上表面地板的四周的任一位置。
一种心电贴，包括所述的柔性天线，其中，所述柔性天线的地板作为测量心电的电极。
一种可穿戴设备，包括所述的心电贴。
一种制备所述的柔性天线的方法，包括：
使用模具通过丝网印刷在柔性薄膜基底的表面印刷纳米银浆或液体金属，固化后形成所述地板和所述倒F圆弧形天线结构；或者，在单层石墨烯纳米材料薄膜上通过激光加工直接加工出所述地板和所述倒F圆弧形天线结构；或者，通过在柔性薄膜基底上蒸镀纳米厚度的金属薄膜，再蚀刻加工出所述地板和所述倒F圆弧形天线结构；或者，通过纳米压印工艺在柔性薄膜基底上形成所述地板和所述倒F圆弧形天线结构。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种柔性天线，在柔性薄膜基的上表面设置有具有弧形周边的第一上表面地板以及倒F圆弧形天线结构，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边设置成沿着所述第一上表面地板的弧形周边的延伸方向延伸，柔性薄膜基底可拉伸和弯曲变形，而倒F圆弧形天线结构与圆形地板配合形成的共性变形结构，特别是作为天线结构主辐射单元的圆弧边条与圆形地板或椭圆形的圆周平行，提高了柔性天线的可拉伸和弯曲变形性能，即使发生拉伸和弯曲变形也可以正常工作在通信带宽内，不影响天线射频性能。本发明可以通过例如纳米材料结构和增材制作等方法批量制造。本发明还具有设计紧凑、体积小、集成度高、可批量和低成本制造等优点。
利用本发明的柔性天线结构设置成心电贴，可以贴附在人体表面使用，将柔性天线的地板作为心电贴传感信号用的电极粘贴在人体皮肤上，可实现健康数据的实时采集和无线通信，并实现传感和通信的功能集成。该柔性天线结构应用于心电贴不仅可以提高智能穿戴设备的心电贴的舒适性，而且由于其可拉伸和可弯曲变形性能高，抗干扰性好，非常适于应用在人体表面。
本发明将用于通信的天线与用于传感的心电贴以独特设计相集成，实现一种传感通信一体化解决方案。心电贴作为天线基板，也作为测量心电的电极。本发明提供了柔性天线结构的多种集成方式，利用柔性薄膜基底可拉伸和弯曲变形的优点，柔性薄膜基底、心电贴电极、倒F圆弧形天线结构都可以实现超弹性变形，解决体域网节点在穿戴环境下的复杂应变问题。
附图说明
图1为本发明实施例的柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的第一种集成方式的两个示例。
图2为本发明实施例的柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的第二种集成方式的两个示例。
图3为本发明实施例的柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的第三种集成方式的两个示例。
图4为本发明实施例的柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与不同形状心电贴的第四种集成方式的两个示例。
图5为本发明实施例的柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与带中心过孔的心电贴的第五种集成方式的两个示例。
图6为本发明实施例的柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的丝网印刷示意图。
图7为本发明实施例的柔性天线的射频性能仿真图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图5，在一些实施例中，一种柔性天线，包括柔性薄膜基底100、110、200、210、300、310、400、410、500、510，例如采用(但不限于)基于硅胶的柔性薄膜基底，所述柔性薄膜基100、110、200、210、300、310、400、410、500、510的上表面设置有具有弧形周边的第一上表面地板101、103、201、203、301、303、401、403、501、503以及倒F圆弧形天线结构105、107、205、207、305、307、405、407、505、507，所述柔性薄膜基还设置有馈电端口106、108、206、208、306、308、406、408、506、508，所述倒F圆弧形天线结构具有作为主辐射单元的圆弧线边、连接在所述圆弧线边端部的第一线边以及连接在所述圆弧线边中间的第二线边，所述倒F圆弧形天线结构的第一线边连接所述第一上表面地板，而所述倒F圆弧形天线结构的第二线边连接所述馈电端口106、108、206、208、306、308、406、408、506、508，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边设置成沿着所述第一上表面地板的弧形周边的延伸方向延伸。
在特别优选的实施例中，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边与所述第一上表面地板的弧形周边平行。
该柔性天线在其柔性薄膜基的上表面上，倒F圆弧形天线结构的圆弧线边设置成沿着所述第一上表面地板的弧形周边的延伸方向延伸，柔性薄膜基底可拉伸和弯曲变形，而倒F圆弧形天线结构与圆形地板配合形成的共性变形结构，特别是作为天线结构主辐射单元的圆弧边条与圆形地板或椭圆形的圆周平行，提高了柔性天线的可拉伸和弯曲变形性能，即使发生拉伸和弯曲变形也可以正常工作在通信带宽内，不影响天线射频性能。本发明可以通过例如纳米材料结构和增材制作等方法批量制造。本发明还具有设计紧凑、体积小、集成度高、可批量和低成本制造等优点。
参阅图1至图3，在优选的实施例中，所述第一上表面地板101、103、201、203、301、303为圆形。参阅图4至图5，在更优选的实施例中，所述第一上表面地板401、403、501、503为椭圆形。
在优选的实施例中，所述馈电端口106、108、206、208、306、308、406、408、506、508为同轴馈电端口，可经由柔性的同轴电缆连接到控制电路的印刷电路板(PCB)的主板(图中未示出)。
参阅图1至图5，在优选的实施例中，所述柔性薄膜基的上表面还设置有第二上表面电极板102、104、202、204、302、304、402、404、502、504，所述第二上表面电极板102、104、202、204、302、304、402、404、502、504与所述第一上表面地板101、103、201、203、301、303、401、403、501、503之间具有设定的间距。由此，当本实施例的柔性天线被用作心电贴时，第一上表面地板和第二上表面电极板可作为贴到人体皮肤上的两个电极。
参阅图5，在优选的实施例中，所述柔性薄膜基的下表面在对应于上表面地板501、502、504、503的位置设置有具有弧形周边的下表面地板(图中未示出)，所述上表面地板和所述下表面地板通过所述柔性薄膜基上的导电过孔511、512、513、514相连。
参阅图1至图5，在不同的实施例中，所述倒F圆弧形天线结构105、107、205、207、305、307、405、407、505、507可以设置在所述第一上表面地板101、103、201、203、301、303、401、403、501、503的四周的任一位置，例如，如图1至图5中所示的第一上表面地板的上方、下方、左侧或右侧中任一位置。
所述柔性天线的典型工作频率可以是蓝牙、WIFI、或sub5G频段。
本发明实施例还提供一种心电贴，包括所述的柔性天线，其中，所述柔性天线的地板作为测量心电的电极。
本发明实施例还提供一种可穿戴设备，包括所述的心电贴。
利用本发明的柔性天线结构设置成心电贴，可以贴附在人体表面使用，将柔性天线的地板作为心电贴传感信号用的电极粘贴在人体皮肤上，可实现健康数据的实时采集和无线通信，并实现传感和通信的功能集成。该柔性天线结构应用于心电贴不仅可以提高智能穿戴设备的心电贴的舒适性，而且由于其可拉伸和可弯曲变形性能高，抗干扰性好，非常适于应用在人体表面。
本发明将用于通信的天线与用于传感的心电贴以独特设计相集成，实现一种传感通信一体化解决方案。心电贴作为天线基板，也作为测量心电的电极。本发明提供了柔性天线结构的多种集成方式，利用柔性薄膜基底可拉伸和弯曲变形的优点，柔性薄膜基底、心电贴电极、倒F圆弧形天线结构都可以实现超弹性变形，解决体域网节点在穿戴环境下的复杂应变问题。
本发明实施例还提供一种制备所述的柔性天线的方法，参阅图6，在一些实施例中，可使用具有开口601、602的模具600通过丝网印刷在柔性薄膜基底610的表面印刷纳米银浆或液体金属，固化后形成所述地板611、612和所述倒F圆弧形天线结构。
在其他实施例中，可在单层石墨烯纳米材料薄膜上通过激光加工直接加工出所述地板和所述倒F圆弧形天线结构。
在其他实施例中，可通过在柔性薄膜基底上蒸镀纳米厚度的金属薄膜，再蚀刻加工出所述地板和所述倒F圆弧形天线结构。
在其他实施例中，可通过纳米压印工艺在柔性薄膜基底上形成所述地板和所述倒F圆弧形天线结构。
以下进一步描述本发明具体实施例。
图1是本发明在柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的第一种集成方式的示意图。每一个心电贴通常有两个电极，如图1所示的101和102，通过丝网印刷等工艺制作在柔性薄膜基底100表面。所述弹性薄膜基体，其典型厚度在一毫米，超弹性变形可以达到100％。本发明设计公开的倒F圆弧形天线结构105，其辐射单元为圆弧型，平行于地板101(心电贴)的外周边沿。同时，地板101(心电贴)既是心电信号采集的连接端，又是天线的地板，其直径大约是天线辐射中心频率对应的电磁波波长的四分之一。倒F圆弧形天线结构105典型的是采用同轴馈电端口106，由柔性同轴电缆连接到控制电路的印刷电路板(PCB)的主板(图中没有示出)。图1所示为倒F圆弧形天线结构与心电贴的两种集成方式，其中，倒F圆弧形天线结构105集成于地板101(心电贴)，其辐射臂指向纸面的右方向。另一示例中，倒F圆弧形天线结构107集成于地板103(心电贴)，其辐射臂指向纸面的左方向，制作在柔性薄膜基底110的表面。本发明中的圆形心电贴进一步提供倒F圆弧形天线结构的共性变形，使得天线在柔性薄膜基底100或110发生一定程度的超弹性变形时候，例如，小于30％应变范围，天线的射频性能变化不大，依然能够满足所述天线的通信功能。
图2是本发明在柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的第二种集成方式的示意图。图中，200、210分别为柔性薄膜基底。地板201、202、203、204分别为心电贴的电极。205、207分别为倒F圆弧形天线结构，位于心电贴电极的下方。206、208分别是倒F圆弧形天线结构205、207的馈电端口。图2所示为圆弧形状的天线辐射臂指向纸面的右方向或左方向，并平行于圆形心电贴的圆弧方向。
图3是本发明在柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的第三种集成方式的示意图。图中，300、310分别为柔性薄膜基底。地板301、302、303、304分别为心电贴的电极。305、307分别为倒F圆弧形天线结构，305在心电贴的左方，307在心电贴的右方。306、308分别是倒F圆弧形天线结构305、307的馈电端口。图3所示为圆弧形状的天线辐射臂指向下或上方向，并平行于圆形心电贴的圆弧方向。
图4是本发明在柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与不同形状心电贴的第四种集成方式的示意图。图中，400、410分别为柔性薄膜基底。401、402、403、404分别为心电贴的电极。心电贴电极可以是不同形状，优选椭圆形。405、407分别为倒F圆弧形天线结构，在心电贴的上方。406、408分别是倒F圆弧形天线结构405和407的馈电端口，典型的是采用同轴馈电端口。图4所示为椭圆形状的天线辐射臂指向左或右方向，并平行于椭圆形状心电贴的圆弧方向；椭圆形状心电贴进一步提供倒F天线圆弧形天线结构的共性变形，保证所设计的天线射频性能基本不变化。
前述各实施例的倒F圆弧形天线结构都可以与不同形状的心电贴电极集成，优选为椭圆形。
图5是本发明在柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与带中心过孔(VIA)的心电贴的第五种集成方式的示意图。通常的心电贴，在柔性薄膜基底例如500的上表面有比较大的电极，例如地板501、502，在其下表面也有同样尺寸或小的圆形电极(图5中没有示出)，它们通过中心的导电过孔511、512连接。图5示出这种心电贴的天线设计和集成方案。在图5中，500、510分别为柔性薄膜基底。501、502、503、504分别为心电贴的电极，优选为圆形或椭圆形。511、512、513、514分别是心电贴电极的导电过孔，用于电信号采集，可以是不同形状，优选为圆形或椭圆型。505、507分别为倒F圆弧形天线结构，在心电贴的上方。506、508分别是倒F圆弧形天线结构505、507的馈电端口，典型的是采用同轴馈电端口。图5所示倒F圆弧形天线结构505、507具有椭圆形或圆形的天线辐射臂，平行于椭圆或圆形心电贴的圆弧方向。
前述各实施例的倒F圆弧形天线结构与心电贴的集成位置，都可以与带中心过孔的不同形状心电贴电极集成，优选为椭圆或圆形。
本发明的心电贴利用柔性天线的地板，其直径大约是天线辐射中心频率对应的电磁波波长的四分之一。天线辐射时，地板射频电流主要沿圆周边部分运动和震荡，在中心点附近最弱。因此，心电贴的中心过孔对天线射频性能影响不大。
本发明的柔性薄膜基底可以实现高达100％的超弹性变形。当柔性薄膜基底发生一定程度的超弹性变形时候，例如，小于30％应变范围，天线的射频性能变化不大，依然能够满足所述天线的通信功能。
所述柔性天线可以通过纳米材料结构和增材制作方法实现批量和低成本制造。
图6为柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴的丝网印刷示意图。模具600可以通过机加工、激光加工、或三维打印制作。601和602分别为倒F圆弧形天线结构和心电贴的模具开口。可使用模具600在柔性薄膜基底610表面丝网印刷纳米银浆或液体金属而形成倒F圆弧形天线结构和地板611、612(心电贴)，再通过加热烘干等程序固化导电胶。使用液体金属可涂一次层弹性薄膜。采用心电贴尺寸大小的单层石墨烯纳米材料薄膜，也可以通过激光加工，利用模具600直接加工出地板611、612(心电贴)。也可以蒸镀纳米厚度的金属薄膜，利用模具600进行蚀刻加工。纳米压印工艺也可以应用来转印倒F圆弧形天线结构和地板611、612(心电贴)。还可以3D打印直接加工柔性薄膜基底610、倒F圆弧形天线结构和地板611、612(心电贴)。其中，丝网印刷和纳米压印等工艺均能够实现批量和低成本制造本发明的天线和心电贴。
图7为本发明柔性薄膜基底上的倒F圆弧形天线结构与心电贴集成的射频性能仿真图。表明本发明的天线的射频性能优良，阻抗能够匹配，图7所示为蓝牙和WIFI频段；但本发明天线也可以用于其他频段，例如Sub5G频段等。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种柔性天线，其特征在于，包括柔性薄膜基底，所述柔性薄膜基的上表面设置有具有弧形周边的第一上表面地板以及倒F圆弧形天线结构，所述柔性薄膜基还设置有馈电端口，所述倒F圆弧形天线结构具有作为主辐射单元的圆弧线边、连接在所述圆弧线边端部的第一线边以及连接在所述圆弧线边中间的第二线边，所述倒F圆弧形天线结构的第一线边连接所述第一上表面地板，而所述倒F圆弧形天线结构的第二线边连接所述馈电端口，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边设置成沿着所述第一上表面地板的弧形周边的延伸方向延伸。
2.如权利要求1所述的柔性天线，其特征在于，所述倒F圆弧形天线结构的圆弧线边与所述第一上表面地板的弧形周边平行。
3.如权利要求1或2所述的柔性天线，其特征在于，所述第一上表面地板为圆形或椭圆形。
4.如权利要求1或2所述的柔性天线，其特征在于，所述馈电端口为同轴馈电端口。
5.如权利要求1或2所述的柔性天线，其特征在于，所述柔性薄膜基的上表面还设置有第二上表面电极板，所述第二上表面电极板与所述第一上表面地板之间具有设定的间距。
6.如权利要求1或2所述的柔性天线，其特征在于，所述柔性薄膜基的下表面对应于上表面地板的位置设置有具有弧形周边的下表面地板，所述上表面地板和所述下表面地板通过所述柔性薄膜基上的导电过孔相连。
7.权利要求1或2所述的柔性天线，其特征在于，所述倒F圆弧形天线结构设置在所述第一上表面地板的四周的任一位置。
8.一种心电贴，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的柔性天线，其中，所述柔性天线的地板作为测量心电的电极。
9.一种可穿戴设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的心电贴。
10.一种制备如权利要求1至7任一项所述的柔性天线的方法，其特征在于，包括：
使用模具通过丝网印刷在柔性薄膜基底的表面印刷纳米银浆或液体金属，固化后形成所述地板和所述倒F圆弧形天线结构；或者，在单层石墨烯纳米材料薄膜上通过激光加工直接加工出所述地板和所述倒F圆弧形天线结构；或者，通过在柔性薄膜基底上蒸镀纳米厚度的金属薄膜，再蚀刻加工出所述地板和所述倒F圆弧形天线结构；或者，通过纳米压印工艺在柔性薄膜基底上形成所述地板和所述倒F圆弧形天线结构。
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