TW201927233A - 非接觸式自我注入鎖定感測器 - Google Patents

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Abstract

一種非接觸式自我注入鎖定感測器藉由一自我注入鎖定集成振盪天線對一生物體發射訊號，且被該生物體反射之一訊號注入鎖定，由於該訊號受到該生物體之生命徵象的相位調變，因此以一解調器對該自我注入鎖定集成振盪天線的注入鎖定訊號解調即可得到該生物體的生理徵象訊號。

Description

非接觸式自我注入鎖定感測器
本發明是關於一種感測器，特別是關於一種非接觸式自我注入鎖定感測器。
穿戴式生理訊號感測器為最具發展潛力的個人電子產品之一，目前穿戴式生理訊號感測器多以光電感測法進行生理訊號之偵測，光電感測法是將一光線照射於皮膚上，並透過攝影機擷取並觀察光線的強度變化，若光線強度產生變化，則判定通過皮膚之血液容積改變，也就代表著心臟進行了一次收縮，藉此測得心跳的次數。但由於光電感測法容易受到環境光的影響，而必須將感測器緊貼於皮膚上才可以獲得正確的生理訊號數據，這造成生理訊號感測器的設計受到限制，而多為腕錶的型態，此外，因為生理訊號感測器須緊貼皮膚的緣故，長時間地配戴生理訊號感測器亦可能導致使用者產生不適。
本發明的主要目的在於藉由自我注入鎖定集成振盪天線發出振盪訊號至生物體，並接收由生物體反射之反射訊號，讓自我注入鎖定集成振盪天線處於自我注入鎖定狀態，且由於該反射訊號受到生物體之生命徵象(如：呼吸、心跳及脈搏)的調變，因此，對自我注入鎖定集成振盪天線之輸出訊號進行解調即可得到生物體之生命徵象，而能以非接觸的方式測得生物體的生命徵象。此外，由於自我注入鎖定集成振盪天線作為傳送/接收訊號之元件外還參與了振盪，這讓輸出訊號同時具有振幅調變及頻率調變的成份，讓自我注入鎖定集成振盪天線對於細微振動具有極高的靈敏度。
本發明之一種非接觸式自我注入鎖定感測器包含一自我注入鎖定集成振盪天線及一解調器，該自我注入鎖定集成振盪天線具有一天線及一主動元件，該主動元件電性連接該天線，其中該天線用以進行選頻並與該主動元件參與振盪而產生一振盪訊號，且該天線另用以將該振盪訊號傳送至一生物體，該生物體反射之一反射訊號被該天線接收，使該自我注入鎖定集成振盪天線處於一自我注入鎖定狀態，且該振盪訊號被該生物體之一生理徵象調變為一頻率調變及振幅調變訊號，該解調器電性連接該自我注入鎖定集成振盪天線，以接收該頻率調變及振幅調變訊號，該解調器用以對該頻率調變及振幅調變訊號解調而得到該生物體的一生理訊號。
本發明藉由該自我注入鎖定集成振盪天線同時具備振盪、發射訊號及接收訊號的功效，可在自我注入鎖定的狀態下同時取得生理徵象對訊號之振幅調變及頻率調變的成份，因此在解調後可精準地測得生物體的生理徵象，且由於能以構造簡單之該解調器進行解調，讓該非接觸式自我注入鎖定感測器可操作於極高頻，而對細微之振動相當敏感，使該非接觸式自我注入鎖定感測器可應用於更廣泛之領域。
請參閱第1圖，其為本發明之第一實施例，一種非接觸式自我注入鎖定感測器100的電路圖，該非接觸式自我注入鎖定感測器100包含一自我注入鎖定集成振盪天線110、一解調器120及一基頻放大器130。
該自我注入鎖定集成振盪天線110具有一天線111及一主動元件112，該主動元件112電性連接該天線111，在本實施例中，該天線111為一平面印刷天線結構，該主動元件112為一固態元件放大器(Solid-state amplifier)，且該主動元件112具有一輸入端112a及一輸出端112b，其中，該輸入端112a及該輸出端112b均電性連接該天線111，而構成一迴路架構。
在本實施例中，該天線111用以進行選頻(Frequency-selection)並與該主動元件112參與振盪而產生一振盪訊號Soc ，且該天線111另用以將該振盪訊號Soc 傳送至一生物體B，該振盪訊號Soc 碰觸到該生物體B後，該生物體B會反射一反射訊號Sre ，且該反射訊號Sre 被該天線111接收，使該自我注入鎖定集成振盪天線110被該反射訊號Sre 注入鎖定而處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)，由於該自我注入鎖定集成振盪天線110除了作為傳送/接收訊號之元件外還參與了振盪，使得該振盪訊號Soc 會被該生物體B之一生理徵象(如：呼吸、心跳及脈搏)同時進行頻率調變(Frequency modulation)及振幅調變(Amplitude modulation)，而成為一頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 。
請再參閱第1圖，該解調器120電性連接該自我注入鎖定集成振盪天線110，以接收該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM ，該解調器120用以對該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 進行解調而得到該生物體B的一生理訊號Svt 。在本實施例中，該解調器120為一包絡檢測器(Envelope detector)121，該包絡檢測器121用以對該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 進行振幅解調(Amplitude demodulation)，以取出該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 中的振幅調變成份，而得到該生理訊號Svt ，該基頻放大器130電性連接該解調器120，以接收並放大該生理訊號Svt 。
由於在本實施例中，僅須透過該包絡檢測器121的振幅解調即可得到該生物體B之該生理訊號Svt ，使得該解調器120的結構相較他種雷達簡單且成本較低，因此該自我注入鎖定集成振盪天線110的操作頻率可以提昇至毫米波頻段(30~300 GHz)，而大幅地提昇其對於微小振動之偵測的靈敏度，讓該非接觸式自我注入鎖定感測器100不局限於偵測大型生物體之振動幅度較大的生理徵象，而有著更廣泛的應用。
請參閱第2圖，其為本發明之一第二實施例，其與第一實施例的差異在於該解調器120除了該包絡檢測器121外另具有一微分器122，該微分器122電性連接於該自我注入鎖定集成振盪天線110及該包絡檢測器121之間，且該微分器122由該自我注入鎖定集成振盪天線110接收該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM ，該微分器122用以對該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 微分，使該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 中的頻率調變成份轉換為振幅調變成份，因此可將該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 轉換為一振幅調變訊號SAM ，令該非接觸式自我注入鎖定感測器100對於該生物體B的生命徵象更加靈敏。其中，該包絡檢測器121電性連接該微分器122並接收該振幅調變訊號SAM ，該包絡檢測器121用以對該振幅調變訊號SAM 進行振幅解調(amplitude demodulation)而得到該生理訊號Svt 。由於本實施例另以該微分器122將該頻率調變轉換為振幅調變，而融合了該生物體B之生理徵象對該振盪訊號Soc 的頻率調變及振幅調變，又再進一步地提升該非接觸式自我注入鎖定感測器100對於細微振動的靈敏度。
較佳的，在本實施例中，該微分器122為一微帶線微分器，且該微分器122之操作頻段與該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 之頻率相同，其中，該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 之頻率及該微分器122之操作頻率不小於300 MHz時可具有較佳的偵測靈敏度。
請參閱第3及4圖，其為本發明之第三實施例及第四實施例，其與第一實施例及第二實施例的差異在於該主動元件112為一固態元件電晶體(solid-state transistor)，其中該主動元件112具有一閘極、一源極及一汲極，該主動元件112之該汲極耦接該天線111，該主動元件112之該閘極經由一第一電抗元件112c接地，該主動元件112之該源極經由一第二電抗元件112d接地，使該天線111及該主動元件112構成一反射式架構，且該第一電抗元件112c及該第二電抗元件112d可為一傳輸線(Transmission line)而可操作於高頻。相同地，該天線111與該主動元件112參與振盪而產生該振盪訊號Soc ，該振盪訊號Soc 由該天線111發出至該物體B，該物體B反射之該反射訊號Sre 被該天線111接收，使該自我注入鎖定集成振盪天線110處於自我注入鎖定狀態而輸出該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM ，該解調器120再對該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 解調即可得到該生理訊號Svt 。
請參閱第3及4圖，相同地，在反射式架構下，該解調器120可以如第3圖之第三實施例僅以該包絡檢測器121對進該頻率調變及振幅調變訊號SFM-AM 進行振幅解調得到該生理訊號Svt ，或者，該解調器120可以如第4圖之第四實施例以該微分器122將頻率調變成份轉換為振幅調變成份後，再以該包絡檢測器121對該振幅調變訊號SAM 進行振幅解調得到該生理訊號Svt 。
請參閱第5圖，其為本發明之第二實施例設置於一使用者的胸口且中間隔著衣物實際測得之該生理訊號Svt 的實驗數據，其中可以看到該生理訊號Svt 呼吸及心跳之頻譜相當明顯，且偵測所得之心跳數與圖中右上角以一指脈衝血氧濃度計(Finger pulse oximeter)同時對該使用者量測之心跳數相當接近，可以證明本發明之該非接觸式自我注入鎖定感測器100確實能以非接觸的方式，精準地測得該使用者的生理徵象。請參閱第6圖，其為本發明之第二實施例設置於一使用者手腕，實際測得之該生理訊號Svt 的實驗數據，亦可以看到所測得之脈搏頻譜相當明顯，且由於手腕處並無法測得呼吸，因此在該生理訊號Svt 中並沒有呼吸之頻譜，且該非接觸式自我注入鎖定感測器100測得之脈搏數與圖中右上角中同時以該指脈衝血氧濃度計(Finger pulse oximeter)對該使用者量測之心跳數相當接近，可以證明本發明之該非接觸式自我注入鎖定感測器100確實能以非接觸的方式測得該使用者的生理徵象。
請參閱第7圖，其為本發明之一第五實施例，其與第二實施例的差異在於該自我注入鎖定集成振盪天線110另具有一可調電容113，該可調電容113之一端電性連接該天線111，該可調電容113之另一端接地，該可調電容113的電容值可改變該天線111之選頻，讓該自我注入鎖定集成振盪天線110的頻率可調，藉此，請參閱第8圖，當該自我注入鎖定集成振盪天線110藉由該可調電容113產生線性變化的頻率時，該自我注入鎖定集成振盪天線110作為一頻率調變連續波雷達(Frequency-modulated continuous-wave radar, FMCW)，而可藉由該解調器120對接收訊號解調，再將解調訊號透過快速傅立葉分析求得該自我注入鎖定集成振盪天線110與該使用者B之間的距離。
本發明藉由該自我注入鎖定集成振盪天線110同時具備振盪、發射訊號及接收訊號的功效，可在自我注入鎖定的狀態下同時取得生理徵象對訊號之振幅調變及頻率調變的成份，因此在解調後可精準地測得生物體的生理徵象，且由於能以構造簡單之該解調器120進行解調，讓該非接觸式自我注入鎖定感測器100可操作於極高頻，而對細微之振動相當敏感，使該非接觸式自我注入鎖定感測器100可應用於更廣泛之領域。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100‧‧‧非接觸式自我注入鎖定感測器
110‧‧‧自我注入鎖定集成振盪天線
111‧‧‧天線
112‧‧‧主動元件
112a‧‧‧輸入端
112b‧‧‧輸出端
112c‧‧‧第一電抗元件
112d‧‧‧第二電抗元件
113‧‧‧可調電容
120‧‧‧解調器
121‧‧‧包絡檢測器
122‧‧‧微分器
130‧‧‧基頻放大器
Soc‧‧‧振盪訊號
B‧‧‧生物體
Sre‧‧‧反射訊號
Svt‧‧‧生理訊號
SFM-AM‧‧‧頻率調變及振幅調變訊號
SAM‧‧‧振幅調變訊號
第1圖： 依據本發明之一第一實施例，一非接觸式自我注入鎖定感測器的電路圖。 第2圖： 依據本發明之一第二實施例，一非接觸式自我注入鎖定感測器的電路圖。 第3圖： 依據本發明之一第三實施例，一非接觸式自我注入鎖定感測器的電路圖。 第4圖： 依據本發明之一第四實施例，一非接觸式自我注入鎖定感測器的電路圖。 第5圖： 本發明之該第二實施例實際對一人體之胸口進行感測而得之生理訊號的波形圖。 第6圖： 本發明之該第二實施例實際對一人體之手腕進行感測而得之生理訊號的波形圖。 第7圖： 依據本發明之一第五實施例，一非接觸式自我注入鎖定感測器的電路圖。 第8圖：本發明之該第五實施例產生線性變化頻率之輸出訊號及接收訊號的波形圖。

Claims (10)

  1. 一種非接觸式自我注入鎖定感測器，其包含： 一自我注入鎖定集成振盪天線，其具有一天線及一主動元件，該主動元件電性連接該天線，其中該天線用以進行選頻並與該主動元件參與振盪而產生一振盪訊號，且該天線另用以將該振盪訊號傳送至一生物體，該生物體反射之一反射訊號被該天線接收，使該自我注入鎖定集成振盪天線處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)，且該振盪訊號被該生物體之一生理徵象調變為一頻率調變(frequency modulation)及振幅調變(amplitude modulation)訊號；以及一解調器，電性連接該自我注入鎖定集成振盪天線，以接收該頻率調變及振幅調變訊號，該解調器用以對該頻率調變及振幅調變訊號解調而得到該生物體的一生理訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該解調器具有一包絡檢測器(envelope detector)，該包絡檢測器用以對該頻率調變及振幅調變訊號進行振幅解調(amplitude demodulation)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該解調器具有一微分器，該微分器電性連接該自我注入鎖定集成振盪天線，以接收該頻率調變及振幅調變訊號，且該微分器用以對該頻率調變及振幅調變訊號微分，將該頻率調變及振幅調變訊號轉換為一振幅調變訊號，該包絡檢測器電性連接該微分器，該包絡檢測器用以對該振幅調變訊號進行振幅解調(amplitude demodulation)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該微分器為一微帶線微分器，且該微分器之操作頻段與該頻率調變及振幅調變訊號之頻率相同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該頻率調變及振幅調變訊號之頻率及該微分器之操作頻率不小於300 MHz。
  6. 如申請專利範圍第1至5項任一項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該天線為一平面印刷天線結構。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該自我注入鎖定集成振盪天線另具有一可調電容，該可調電容之一端電性連接該天線，該可調電容之另一端接地。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該主動元件為一固態元件放大器(solid-state amplifier)，且該主動元件具有一輸入端及一輸出端，其中該輸入端及該輸出端均電性連接該天線。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其中該主動元件為一固態元件(solid-state unit)，且該主動元件之一汲極耦接該天線，該主動元件之一閘極經由一第一電抗元件接地，該主動元件之一源極經由一第二電抗元件接地。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式自我注入鎖定感測器，其另包含有一基頻放大器，該基頻放大器電性連接該解調器，以接收並放大該生理訊號。
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