本公開涉及被布置成將電磁輻射耦合到生物材料之中或之外、改善電磁輻射到生物樣本之中或之外的耦合、或增加電磁輻射到生物樣本之中或之外的耦合的設(shè)備、結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、涂覆或?qū)?。具體而言，本公開涉及被布置成減少反射的設(shè)備、結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、涂覆或?qū)?。更具體而言，本公開涉及抗反射結(jié)構(gòu)、抗反射層和抗反射涂覆。進(jìn)一步具體地，本公開涉及元表面(metasurface)。

背景

用于分析生物物質(zhì)的最常用方法包括酸性、過氧化物指數(shù)、UV光譜分析法、薄層層析法、氣體層析法、高性能液體層析法、Raman光譜分析法、以及UV光譜分析法。這些工序的缺點(diǎn)在于：它們通常需要通過耗力且耗時(shí)的工序來隔離并分析存在的組分。以下將是有利的：實(shí)現(xiàn)通過極少處理或不處理樣本載荷產(chǎn)生類似于或優(yōu)于已確立工序所獲得的那些結(jié)果的結(jié)果的新技術(shù)。而且，這些方法對(duì)于表征生物物質(zhì)的內(nèi)層(諸如在動(dòng)物身體內(nèi)部的血流的組分)不能良好工作。皮膚、脂肪和肌肉層將血液與外部信號(hào)屏蔽開來，從而使其表征極度困難且易于出錯(cuò)。在生物物質(zhì)處于人工容器(瓶子或不透明塑料盒)內(nèi)部時(shí)面臨同樣問題，因?yàn)檫@些基于光的方法不提供對(duì)容器內(nèi)部的穿透。

用于表征物質(zhì)(不僅是生物物質(zhì))的一種不同方法是電介質(zhì)頻譜分析法，其利用微波或無線電波來表征樣本。在這種方法中，無線電波信號(hào)(通常是從天線生成的)被對(duì)著被測(cè)樣本(SUT)發(fā)射，且反射及透射的信號(hào)被記錄，從而帶來對(duì)樣本的電磁屬性(例如，其誘電率(permittivity)和導(dǎo)磁率(permeability))的估計(jì)，其隨后可被轉(zhuǎn)換為樣本的材料特性(例如，水中的糖或鹽的百分比、或奶中的細(xì)菌的濃度)。

表征生物物質(zhì)在特定部分中是及其有利的：人類血液中的葡萄糖濃度(對(duì)于糖尿病人)。

糖尿病是一種特征為血液中的高葡萄糖水平的疾病(多糖癥)。它是世界范圍內(nèi)是第5常見的死亡誘因，其具有8.3％的全球發(fā)病率且3億7千萬人受影響，預(yù)計(jì)到2030年，人數(shù)將上升至5億5千萬。糖尿病及其相關(guān)聯(lián)的并發(fā)癥的成本極為巨大，在2012年估計(jì)在歐盟每年為1300億美元，在美國(guó)為2450億美元(從2007年的1740億美元開始上升)。長(zhǎng)期無法控制的糖尿病的負(fù)擔(dān)是顯著的，因?yàn)槠淇赡軐?dǎo)致各種伴隨的并發(fā)癥，包括：血管損傷、心血管疾病、腎衰竭、精神病(神經(jīng)損傷)和糖尿病性視網(wǎng)膜病變。隨著這些并發(fā)癥的出現(xiàn)，治療它們變得越來越昂貴。

對(duì)糖尿病而言沒有已知的治愈法：僅能控制病情。糖尿病控制主要關(guān)注使用血糖儀對(duì)血液葡萄糖水平的精確測(cè)量，從而允許通過注射正確劑量的胰島素(I型病人)或者服用口服糖尿病藥物(II型)來更緊密地控制血液葡萄糖水平。精確且及時(shí)地監(jiān)視血糖水平因此是絕對(duì)關(guān)鍵的。

存在與糖尿病的管理和監(jiān)視相關(guān)聯(lián)的昂貴成本，且在歐盟，糖尿病占據(jù)了總醫(yī)療預(yù)算的10％。對(duì)于管理諸如糖尿病等慢性病情，這證明是一種極度昂貴的方法。在診斷早期階段良好地管理糖尿病有助于預(yù)防后期更昂貴的并發(fā)癥。更好的葡萄糖控制和管理是政府著手減少來自不受控糖尿病的住院數(shù)量的舉措的一部分。因此，對(duì)醫(yī)療提供者而言改善監(jiān)視粘合度和精確度并從而防止與糖尿病相關(guān)聯(lián)的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)的逐漸增加有巨大的成本效益。

非侵入式葡萄糖監(jiān)視系統(tǒng)將具有顯著的醫(yī)療影響。首先，這將消除從用戶抽血來獲取葡萄糖讀數(shù)的需要。這進(jìn)而消除了與刺破手指相關(guān)聯(lián)的疼痛、對(duì)昂貴的分離(strip)的需要、衛(wèi)生和感染問題和污染葡萄糖監(jiān)視器從而導(dǎo)致可能致命的不正確讀數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。其次，它可提供對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)當(dāng)前沒有完全支持的那些糖尿病人(即，2型糖尿病人和前期糖尿病人)的頻繁監(jiān)視的途徑。最后，這種系統(tǒng)對(duì)于依賴于胰島素泵來經(jīng)由自動(dòng)調(diào)整泵的內(nèi)置反饋功能來控制其藥物治療的病人是理想的。

許多非侵入式生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用基于穿過生物物質(zhì)(包括人體)的電磁輻射的互動(dòng)和傳播。然而，標(biāo)識(shí)了基礎(chǔ)挑戰(zhàn)，其來自微波場(chǎng)的基本性質(zhì)和其與活體組織的互動(dòng)。皮膚阻擋并反射入射的無線電波，這歸因于相較于空氣而言組織的高相對(duì)介電性和傳導(dǎo)性值。在電磁方面，造成了阻抗失配。這種阻抗失配導(dǎo)致透射能量的降級(jí)和所應(yīng)用的技術(shù)的降低的精確度。這可能是用于醫(yī)療目的的無線電波傳播中的最關(guān)鍵的問題。這個(gè)問題在主要醫(yī)療應(yīng)用中導(dǎo)致不同限制：例如，在微波成像技術(shù)和血液葡萄糖監(jiān)視中，解析度和精確度惡化，而在高熱癥治療中，需要可能有害的能量的更高的量。

如果解決了這種阻抗失配問題，則通過允許消耗更少功率并占據(jù)更少空間的更精確設(shè)備，其將對(duì)無線電波的醫(yī)療應(yīng)用具有重大影響。

最近，已經(jīng)在該領(lǐng)域中做出了改進(jìn)，且發(fā)明人自己早先的專利申請(qǐng)GB2500719公開了一種被布置成使用元材料(metamaterial)來改善電磁輻射到目標(biāo)中的耦合的設(shè)備。

元材料是可實(shí)現(xiàn)不會(huì)自然出現(xiàn)的電磁屬性的人造材料，諸如負(fù)折射率或電磁隱身。盡管原材料的理論特性在1960年代被首次描述，然而在過去的10-15年間在這種材料的設(shè)計(jì)、工程化和制造方面出現(xiàn)了重大進(jìn)展。元材料通常由大量晶胞(unit cell)，即多個(gè)個(gè)體元件(有時(shí)稱為“元-原子”)，組成，每個(gè)個(gè)體元件具有比工作波長(zhǎng)更小(通常小得多)的尺寸。可以說，每個(gè)元件具有至少一個(gè)“亞波長(zhǎng)”維度。這些晶胞是從諸如金屬、塑料和電介質(zhì)等傳統(tǒng)材料通過顯微鏡構(gòu)建的。然而，其精確形狀、幾何、尺寸、朝向、和布置可在宏觀上以非傳統(tǒng)方式影響輻射，諸如造成宏觀介電性和導(dǎo)磁性的共振或非常規(guī)值。

可用元材料的一些示例是負(fù)折射率元材料、手征性元材料、等離子元材料、光子元材料等。由于其亞波長(zhǎng)性質(zhì)，在微波頻率工作的元材料具有幾毫米的典型晶胞尺寸，而在頻譜的可見部分工作的元材料具有幾納米的典型晶胞尺寸。元材料可強(qiáng)烈吸收特定窄頻率范圍的輻射。

對(duì)于傳統(tǒng)材料，諸如導(dǎo)磁率和誘電率等電磁參數(shù)從構(gòu)成材料的原子或分子對(duì)被穿過的電磁波的響應(yīng)中產(chǎn)生。在元材料的情況下，這些電磁屬性不在原子或分子級(jí)別被確定。相反，這些屬性是通過更小對(duì)象(諸如構(gòu)成元材料的傳導(dǎo)組分或元件)的集合的選擇和配置來確定的。盡管這些對(duì)象集合及其結(jié)構(gòu)不像傳統(tǒng)材料那樣“看向”原子級(jí)別，然而元材料可被設(shè)計(jì)成使得電磁波將像正穿過傳統(tǒng)材料那樣穿過。而且，因?yàn)樵牧系膶傩钥蓮倪@些小對(duì)象的成分和結(jié)構(gòu)確定，所以元材料的電磁屬性(諸如誘電率和導(dǎo)磁率)可在極小量級(jí)上精確微調(diào)。

GB2500719公開了對(duì)包括周期性晶胞陣列的元材料的使用。值得注意，晶胞是規(guī)則的且陣列是規(guī)則的。本公開闡述了發(fā)明人所做的進(jìn)一步的改進(jìn)。

概述

本公開的各方面在所附獨(dú)立權(quán)利要求中限定。

概括而言，提供了一種用于將電磁輻射耦合到生物材料之中或之外的設(shè)備。該設(shè)備包括元材料，其中元原子元件中的至少兩個(gè)是不同。具體而言，元材料元件的尺寸和/或形狀不同。任選地，元材料元件中的至少一些是非對(duì)稱的或僅包括一個(gè)對(duì)稱軸。任選地，元材料元件陣列是不規(guī)則的。組分元件的維度針對(duì)該應(yīng)用被優(yōu)化。還提供了包括兩個(gè)耦合設(shè)備的傳感器。

元材料的元件被布置成影響電磁輻射的振幅和/或相位。根據(jù)本公開的元材料的元件不被設(shè)計(jì)成提供大量能量存儲(chǔ)。通過微調(diào)組分元件的尺寸、形狀、維度和定位，可減少反射性。反射性可由諸如皮膚或瓶子等包含組件引起。可對(duì)電磁輻射施加其它影響，諸如波聚焦。

附圖簡(jiǎn)述

現(xiàn)在參照附圖詳細(xì)描述本公開的實(shí)施例，在附圖中：

圖1是具有周期性圖案的元表面；

圖2是具有非周期性圖案的元表面；

圖3示出周期性構(gòu)造的多個(gè)元表面層；

圖4示出非周期性構(gòu)造的多個(gè)元表面層；

圖5示出用于將法向入射的電磁波折射到45度角的實(shí)和虛片狀阻抗；

圖6示出從圖5的片狀阻抗得到的反射和透射系數(shù)；

圖7示出該設(shè)計(jì)示例的元表面元件的各種視圖；

圖8描繪了改變所述設(shè)計(jì)示例的頂部元表面組件的平行銅條的長(zhǎng)度獲得的S參數(shù)。

圖9繪制了改變底層元表面元件的金屬環(huán)的間隙獲得的S參數(shù)；

圖10示出了元金屬元件維度的優(yōu)化過程；

圖11a示出了在60GHz處元表面元件的經(jīng)優(yōu)化幾何性質(zhì)；

圖11b是根據(jù)各實(shí)施例的元表面結(jié)構(gòu)；

圖11c、11d和11e是根據(jù)各實(shí)施例的元表面結(jié)構(gòu)的其它視圖；

圖11f、11g和11h示出了平面近場(chǎng)聚焦組件的示例；

圖11i示出了在根據(jù)本公開的元表面被抵靠人類皮膚放置時(shí)的情況下功率穿透的模擬結(jié)果。

圖12a到12m示出了一些設(shè)計(jì)配置；

圖13是該系統(tǒng)的概覽；

圖14a示出了根據(jù)各實(shí)施例的傳感器測(cè)量設(shè)備的系統(tǒng)組件；

圖14b示出了根據(jù)各實(shí)施例的另一傳感器測(cè)量設(shè)備的系統(tǒng)組件；

圖15a到15d示出了單傳感器和雙傳感器的一些示例；

圖16示出具有阻抗分析器的微調(diào)天線；

圖17a到17c示出在使用的傳感器；

圖18a和18b是通過人手的測(cè)量系統(tǒng)的等距視圖；

圖19a和19b是具有(a)周期性和(b)非周期性圖案中的天線配置的元表面的分解視圖；

圖20是天線和三個(gè)元表面層的分解側(cè)視圖；

圖21繪制了根據(jù)在包含水和葡萄糖的樣本中的葡萄糖濃度的輸出信號(hào)；

圖22繪制了根據(jù)在包含水和葡萄糖、水和葡萄糖和鹽、以及水和鹽的樣本中的濃度的輸出信號(hào)；

圖23繪制了根據(jù)在非常少量的包含水和葡萄糖的樣本中的葡萄糖濃度的輸出信號(hào)；

圖24示出了根據(jù)在棕仁油和菜籽油的混合物中的棕仁油的濃度的輸出信號(hào)；以及

圖25示出了用于不同的油的種類的Cole-Cole模型的馳緩頻率。

在附圖中，類似的參考標(biāo)號(hào)指代類似的部件。

附圖詳述

各實(shí)施例涉及“生物材料”，生物材料是一種通常是植物材料、動(dòng)物材料、或可在生命形式中發(fā)現(xiàn)的任何其它物質(zhì)的材料。一些示例包括人類組織(手、皮膚、肌肉、耳朵等)、動(dòng)物組織(例如，來自老鼠、?；蜇i)、水、血液、牛奶、唾液、眼淚、尿液、碳酸飲料、以及果汁、酒和油。然而，可以理解，本公開同樣適用于任何生物樣本。

各實(shí)施例涉及“不規(guī)則”形狀，所述不規(guī)則形狀包括不具有對(duì)稱軸的形狀和僅有一個(gè)對(duì)稱軸的形狀。

元材料包括具有不大于電磁輻射的第一波長(zhǎng)的厚度的基底組件；以及由該基底組件支持的多個(gè)元件，其中每個(gè)元件具有不大于該電磁輻射的第一波長(zhǎng)的第一維度。各實(shí)施例涉及“元表面”，該元表面可被認(rèn)為是特殊類型的元材料。具體而言，元表面是一種在其中所述多個(gè)元件中的至少兩個(gè)元件在尺寸、形狀、朝向和成分方面是非等同的、或不同的元材料。元表面僅是二維的。

用于耦合電磁輻射的設(shè)備

概括而言，本公開描述了使用特定類型的元材料來增強(qiáng)穿過皮膚的無線電波穿透，并且因此解決失配問題。這通過利用元材料子集的新穎且專門的電磁屬性來實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)上，元材料包括按周期性圖案布置的晶胞。然而，發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到，特定類型的元材料，有時(shí)被稱為“元表面”，對(duì)于將電磁輻射耦合到生物樣本(特別是容器中的生物樣本)中是特別有利的。

元表面易于制造并且提供了構(gòu)建低損耗結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。元表面的屬性是從其成分元件的周期性和設(shè)計(jì)確定的。注意，與同一元件的周期性布置的其它元材料不同，元表面通常包括不同元件。類似地，元表面的元件不必是周期性地布置的。本公開涉及其中多個(gè)元件的亞波長(zhǎng)元件中的至少兩個(gè)在形狀和/或尺寸和/或成分和/或朝向上不同的元材料。

圖1示出了根據(jù)本公開的元表面100，該元表面包括基底組件101和多個(gè)元件103。如圖1中所示，元件103在尺寸和形狀上不同。然而，在此實(shí)施例中，元件103在基本規(guī)則的陣列中布置。即，相鄰元件的中心之間的間隔在兩個(gè)正交方向上基本恒定。

因此，提供了一種被布置成耦合電磁輻射的設(shè)備，該設(shè)備包括第一元材料，該第一元材料包括：具有不大于電磁輻射的第一波長(zhǎng)的厚度的基底組件；以及由該基底組件支持的多個(gè)元件，其中每個(gè)元件具有不大于該電磁輻射的第一波長(zhǎng)的第一維度，且該多個(gè)元件中的至少兩個(gè)元件是不等同的。

有利地，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：使用元表面顯著減少了與在傳統(tǒng)元材料中出現(xiàn)的共振相關(guān)聯(lián)的損耗。事實(shí)上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用其中該多個(gè)元件中的至少兩個(gè)元件是不等同的元材料可產(chǎn)生近乎無損耗的系統(tǒng)。更加有利地，此類元材料非常薄且易于制造。這使其甚至更優(yōu)選地作為用于生物材料(特別是容器中的生物材料)的傳感器。具體而言，其使得該設(shè)備尤其適于作為抗反射組件，諸如抗反射涂覆。這些優(yōu)點(diǎn)被實(shí)現(xiàn)是因?yàn)椋弘姶泡椛涞淖杩蛊ヅ浜?或成形可在不同尺寸和/或形狀的元件被使用時(shí)實(shí)現(xiàn)。

在一實(shí)施例中，第一維度是該電磁輻射傳播的方向。在各實(shí)施例中，第一維度是每個(gè)元件的厚度。相應(yīng)地，這些元件不被設(shè)計(jì)成提供需要更大的量的實(shí)質(zhì)能量存儲(chǔ)。在實(shí)施例中，每個(gè)元件的所有維度均小于電磁輻射的波長(zhǎng)。在實(shí)施例中，第一波長(zhǎng)包括包含第一波長(zhǎng)的多個(gè)波長(zhǎng)的帶寬。

圖1中示出的元件103中的一些可被認(rèn)為是不規(guī)則和/或不對(duì)稱的。即，在一實(shí)施例中，該多個(gè)元件中的至少一個(gè)元件具有不規(guī)則的形狀。在一實(shí)施例中，該多個(gè)元件中的所有元件均具有不規(guī)則的形狀。有利地，這允許元表面的性質(zhì)的更精細(xì)的微調(diào)，因?yàn)楦嘧杂啥仍谡{(diào)諧其性能時(shí)可用。

在一實(shí)施例中，生物材料被容器束縛。在各實(shí)施例中，生物材料被容器圍繞。在一實(shí)施例中，其中生物材料是血液，容器包括皮膚。在一實(shí)施例中，其中生物材料是糧食，容器是塑料瓶。其他示例在下面給出。

圖2示出了一實(shí)施例，其中元件按非周期性圖案排列。圖2示出了包括基底組件201和多個(gè)不規(guī)則放置的元件203的元表面200。元件203在大小和形狀方面也是不規(guī)則的。元件陣列中的所有元件不必都是不規(guī)則排列的。在一實(shí)施例中，這些元件的至少一子集以不規(guī)則陣列排列。在其它實(shí)施例中，所有元件均以不規(guī)則陣列排列。有利地，元件的放置中的不規(guī)則性允許對(duì)元表面的性質(zhì)的更精細(xì)的微調(diào)。

圖2和3中示出的元表面是基本平坦的。即，在一實(shí)施例中，基底組件是平坦的。該元表面被設(shè)計(jì)成用于電磁輻射在垂直于元表面的平面的方向穿過。在其它實(shí)施例中，元表面是不平坦的或彎曲的，諸如球形或圓柱形的。在實(shí)施例中，基底是柔性的。與穿過元表面的傳輸相關(guān)聯(lián)的損耗被減少，因?yàn)殡姶泡椛浯┻^更少體積的元材料。

在一實(shí)施例中，基底組件是介電性的而元件是導(dǎo)電性的。在一實(shí)施例中，元件是從任何導(dǎo)電材料形成的，所述導(dǎo)電材料包括同質(zhì)(homogeneous)材料，諸如金屬以及合成物和納米合成物，包括Bragg反射體(reflector)。這些元件例如可從銀、金、銅、和/或鋁、或支持在感興趣的波長(zhǎng)處的反射的任何其它金屬形成。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，用于在介電支撐結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生導(dǎo)電組件的任何適當(dāng)技術(shù)可以是合適的。在實(shí)施例中，蝕刻、光阻蝕刻、電子印刷或光刻技術(shù)被使用。在其它實(shí)施例中，自我組裝化學(xué)過程被使用。

在替換實(shí)施例中，基底組件是導(dǎo)電性的而元件是介電性的。

元件的厚度可以是幾微米到幾厘米。這些元件的至少一個(gè)維度是亞波長(zhǎng)的。

金屬和介電元件的“亞波長(zhǎng)”周期性布置允許周期性導(dǎo)電組件在共振頻率(或波長(zhǎng))處共振。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以存在以至少部分共振將發(fā)生的共振頻率為中心的窄頻帶。在共振頻率處，輻射將至少部分被原材料“捕捉”且放大可通過例如構(gòu)造性干擾來進(jìn)行。元材料形成一種類型的波導(dǎo)，該“波導(dǎo)”內(nèi)的場(chǎng)是被約束并包含的，從而準(zhǔn)許放大。相應(yīng)地，提供了一種被布置成增加輻射到目標(biāo)中的穿透力的設(shè)備。

在實(shí)施例中，該設(shè)備被調(diào)諧到該源和目標(biāo)介質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，入射波沿該元材料的導(dǎo)電組件的最小電阻的路徑行進(jìn)。例如，如果源提供平面輻射波，則對(duì)稱導(dǎo)電元件可以是優(yōu)選的。導(dǎo)電元件的形狀和配置也可被選擇以匹配入射輻射的極化。例如，具有水平和豎直特征的導(dǎo)電元件可對(duì)于水平和垂直極化的輻射是優(yōu)選的。

導(dǎo)電元件可包括具有針對(duì)感興趣的波長(zhǎng)優(yōu)化的長(zhǎng)度。在實(shí)施例中，主要特征的長(zhǎng)度大致為入射輻射的波長(zhǎng)的一半。例如，具有長(zhǎng)元件(諸如螺旋或規(guī)則曲折(meander))的導(dǎo)電組件將具有相對(duì)長(zhǎng)的共振波長(zhǎng)。例如，規(guī)則曲折中的螺旋的匝數(shù)可被增加以增加共振波長(zhǎng)。導(dǎo)電元件可包括旋轉(zhuǎn)含義，諸如針對(duì)例如環(huán)形或橢圓形極化輻射優(yōu)化的左手或右手螺旋。各元件的形狀和尺寸可按照實(shí)驗(yàn)或數(shù)字地被優(yōu)化。

在各實(shí)施例中，各元件的形狀的優(yōu)化經(jīng)由數(shù)字模擬來實(shí)現(xiàn)，以使得設(shè)備增強(qiáng)波在特定波長(zhǎng)處的穿透力。各元件的形狀也可被優(yōu)化以按以下方式修改入射波的振幅和相位：輸出波具有特定屬性，諸如最大透射，或聚焦波中的相前結(jié)果，或具有特定極化的波(例如，線性或右手環(huán)形)。在一個(gè)實(shí)施例中，這些被設(shè)計(jì)為電磁模擬器中的該系統(tǒng)的模型。該模型包括該系統(tǒng)的所有組件：源介質(zhì)、一個(gè)或多個(gè)設(shè)備組件、目標(biāo)介質(zhì)、和嵌入在需要被成像的目標(biāo)介質(zhì)中的任何其它特征。隨后電磁屬性根據(jù)每個(gè)組件的頻率被指定，諸如誘電率、導(dǎo)磁率、傳導(dǎo)率或損耗。隨后該系統(tǒng)的S參數(shù)(反射和透射)根據(jù)頻率被評(píng)估。透射被最大化的頻率范圍可指示該系統(tǒng)的最優(yōu)操作范圍。在其它實(shí)施例中，目標(biāo)不是最大化透射而是在每個(gè)元表面元件之后的每個(gè)位置處形成具有特定相位和振幅的透射波。例如，相位可沿元表面元件線性改變以形成輸出波，該輸出波與入射波相比以一角度傳播。當(dāng)元件的幾何形狀被修改時(shí)，透射峰值將被相應(yīng)改變。從而，人們可修改形狀(或其周期)來將操作頻率微調(diào)到一個(gè)或多個(gè)感興趣的頻率(例如，生成入射波的天線系統(tǒng)的輻射頻率)。

元材料的操作原理是其在特定頻率附近高度共振。對(duì)于那些頻率，波穿過該陣列的透射被增強(qiáng)多倍且從而發(fā)生穿過目標(biāo)的增加的波穿透。也就是說，多個(gè)元件共同被布置成在電磁輻射的第一波長(zhǎng)處共振。共振條件是通過陣列元件的幾何形狀確定，且在被放置到特定目標(biāo)頂上時(shí)針對(duì)透射優(yōu)化。也就是說，設(shè)備的組件被針對(duì)目標(biāo)定制。

該多個(gè)元件中的每個(gè)元件可被單獨(dú)調(diào)諧到源、容器和生物材料。為了設(shè)計(jì)根據(jù)本公開的元表面，其可被建模為透射線元件。例如，元表面可擔(dān)當(dāng)這兩個(gè)介質(zhì)之間的匹配樁，且其阻抗可被設(shè)計(jì)成使得從一個(gè)介質(zhì)到另一個(gè)介質(zhì)的期望透射被優(yōu)化。使用分析建模將透射系數(shù)與片阻抗相關(guān)。從而，元表面的阻抗將確定單位元件(例如，用仿真軟件測(cè)試過的)的定制設(shè)計(jì)，其在與一模式相組合時(shí)將創(chuàng)建在感興趣的頻率處具有必要響應(yīng)的元表面以允許小反射情況下的入射輻射的高透射。

在實(shí)施例中，元表面被專門設(shè)計(jì)并使用以與透射側(cè)的人類組織交互。元表面被專門設(shè)計(jì)以1)最大化穿過組織或生物樣本的透射，和/或2)將入射能量聚焦在接收方樣本內(nèi)的特定點(diǎn)。這可通過基于在入射波上應(yīng)當(dāng)給予的期望相位優(yōu)化元表面元件的形狀來實(shí)現(xiàn)。

該透射線理論意味著元表面可擔(dān)當(dāng)空氣和皮膚組織之間的匹配樁。通過知道空氣和皮膚的性質(zhì)，透射和反射系數(shù)可被得到并與該元表面的片阻抗相關(guān)。這些阻抗性質(zhì)將確定亞波長(zhǎng)單位元件的定制設(shè)計(jì)，其在微觀上將“操縱”入射波并提供用于阻抗匹配的必要電抗。獲得使用數(shù)字計(jì)算環(huán)境來執(zhí)行某些數(shù)字計(jì)算的此定制設(shè)計(jì)。在此建模之后，使用電磁評(píng)估軟件來評(píng)估和優(yōu)化計(jì)算結(jié)構(gòu)。

基底擔(dān)當(dāng)成形元件的支撐結(jié)構(gòu)。在實(shí)施例中，成形元件被涂覆在基底表面上。在其它實(shí)施例中，成形元件被嵌入在基底內(nèi)。技術(shù)人員將理解，成形元件陣列可按多種方式支撐在基底上。在實(shí)施例中，基底是柔性的。在實(shí)施例中，設(shè)備是多層設(shè)備，該多層設(shè)備包括多個(gè)包括金屬的層和/或包括電介質(zhì)的層。

元表面設(shè)計(jì)示例

以下是如何設(shè)計(jì)元表面陣列的一示例。

元表面的目的是沿入射波施加特定相位和振幅改變。元表面的屬性被在元表面之前和之后的期望電和磁場(chǎng)的比來提取。

設(shè)計(jì)元表面的第一步是確定操作頻率處的必要片阻抗。

此處Y_es和Z_ms是元表面的片導(dǎo)納和阻抗(它們是頻率和位置的函數(shù))。H和E是元表面周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)：上標(biāo)(y或z)指示向量字段分量，而上標(biāo)指示在元表面之前(索引＝1)或之后(索引＝2)的位置。在此示例中，波沿x方向傳播，且元表面位于y-z平面中。

此示例涉及元表面的設(shè)計(jì)，以將源自空氣的入射平面波以60GHz頻率折射到45度角。替換地，其可被設(shè)計(jì)為將該波聚焦在透射側(cè)的目標(biāo)介質(zhì)(例如，生物材料)內(nèi)的特定點(diǎn)，或準(zhǔn)確匹配阻抗(最大透射)。重要因素是恰在元表面元件之前和緊接在元表面之后的期望電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比率。

在計(jì)算沿元表面長(zhǎng)度(垂直于傳播方向)的這些場(chǎng)之后獲得的結(jié)果在圖5中被示出。

在圖5中，示出周期性。此周期性將導(dǎo)致周期性元表面，其將在單個(gè)晶胞中被細(xì)分。針對(duì)沿y軸的每個(gè)周期，典型數(shù)字在5–20之間，盡管更多(更少)元件可被用來增加解析度。

一旦片阻抗已知，則可能使用等式1.3和1.4來提取反射和透射系數(shù)的值。

此處η是背景介質(zhì)的波阻抗。圖6示出了從圖5的片阻抗得到的反射和透射系數(shù)。

根據(jù)本公開的元表面是由不同晶胞制成的，本研究將專注于設(shè)計(jì)其中之一。在一實(shí)施例中，為了開始設(shè)計(jì)，晶胞之一被故意“失調(diào)(tuned out)”。在此示例中，每個(gè)元表面元件由電介質(zhì)基底(例如特氟龍)任一側(cè)上的兩個(gè)亞元件構(gòu)成。

圖7示出了根據(jù)此示例的元表面元件的各種視圖。

目標(biāo)是獲得根據(jù)等式1.5的S參數(shù)以便實(shí)現(xiàn)此塊的正確執(zhí)行。

S₁₁＝-0.1327+0.1107i S₂₁＝-0.3290-0.9360i (1.5)

圖8示出了當(dāng)上元件中的桿的長(zhǎng)度和下元件中的環(huán)中的間隙被改變時(shí)元表面元件的所獲得的模擬S參數(shù)。

圖9示出了改變下元表面元件的金屬環(huán)的間隙獲得的S參數(shù)。

從此，可能做出對(duì)解的第一逼近。然而，為了獲得最精確的值，必須進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化例如可在仿真軟件中執(zhí)行。

圖10示出了用于元表面元件維度的優(yōu)化過程。

在優(yōu)化之后，所得到的S參數(shù)是：

S₁₁＝-0.1327+0.03968i S₂₁＝-0.3245-0.9261i (1.6)

經(jīng)優(yōu)化的元表面元件在圖11a中示出。經(jīng)優(yōu)化的S參數(shù)用圖8和9中的垂直線來指示。在各實(shí)施例中，每個(gè)元表面元件通?；蚧旧鲜鞘中蔚摹?/p>

每個(gè)元表面元件可按類似方式來設(shè)計(jì)。

在一實(shí)施例中，提供了一元表面，該元表面包括由電介質(zhì)基底分開的金屬十字和所謂的Jerusalem十字的組合。在各實(shí)施例中，電介質(zhì)基底是液晶聚合物。圖11b示出了一實(shí)施例的分解圖，其包括由電介質(zhì)分開并夾在兩個(gè)電介質(zhì)層之間的兩個(gè)金屬圖案化層(總共5層)。圖11c是裸元表面結(jié)構(gòu)(在電介質(zhì)的任一側(cè)上兩個(gè)金屬圖案)的示意圖。在實(shí)施例中，金屬部件被嵌入到電介質(zhì)中。在其它實(shí)施例中，金屬部件從電介質(zhì)突出。圖11d和11e示出了金屬層的俯視圖和仰視圖。

在實(shí)施例中，元表面元件被優(yōu)化以促使近場(chǎng)的收斂。這些“近場(chǎng)聚焦結(jié)構(gòu)”可導(dǎo)致聚焦遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衍射限制的尺寸細(xì)節(jié)。相應(yīng)地，元表面可被設(shè)計(jì)成提供在樣本(例如，容器中的生物樣本)內(nèi)部的聚焦。在傳統(tǒng)材料中，聚焦通常通過對(duì)均質(zhì)材料(例如玻璃)恰當(dāng)成形來實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生透鏡型結(jié)構(gòu)。通過根據(jù)本公開的元表面，結(jié)構(gòu)的形狀可以保留扁平，但是不再是均質(zhì)的，因?yàn)槠溆刹煌饘俸碗娊橘|(zhì)元件構(gòu)成。

附加層

該設(shè)備可包括多個(gè)元表面，其中每個(gè)元表面被不同地微調(diào)。例如，每個(gè)元表面可被布置成在不同波長(zhǎng)處共振。在實(shí)施例中，通過至少部分重疊多個(gè)元表面的共振波長(zhǎng)，形成偽寬帶設(shè)備。對(duì)于偽寬帶設(shè)備，鄰近層的共振頻率可相差例如半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

在一實(shí)施例中，該設(shè)備進(jìn)一步包括耦合到第一元材料的第二元材料，其中第二元材料包括：具有不大于電磁輻射的第二波長(zhǎng)的基底組件；以及被該基底組件支撐的多個(gè)元件，其中每個(gè)元件具有不大于該電磁輻射的第二波長(zhǎng)的第一維度且該多個(gè)元件中的至少兩個(gè)元件是不等同的。

在一實(shí)施例中，第二元材料與第一元材料協(xié)作地被布置成在電磁輻射的第二波長(zhǎng)處共振。

在一實(shí)施例中，第一波長(zhǎng)與第二波長(zhǎng)不同。在實(shí)施例中，第二波長(zhǎng)還包括包含第二波長(zhǎng)的波長(zhǎng)帶寬。

在實(shí)施例中，提供了附加近場(chǎng)聚焦組件，該組件專用于提供上述近場(chǎng)聚焦。在實(shí)施例中，近場(chǎng)聚焦組件被緊鄰該設(shè)備放置以根據(jù)本公開耦合EM輻射。在一實(shí)施例中，近場(chǎng)聚焦組件是22mm乘以22mm乘以0.368mm結(jié)構(gòu)，其由具有2mm的周期的更小的方形晶胞構(gòu)成。晶胞包括由電介質(zhì)層分開的三個(gè)金屬元件層。具有大范圍透射(S₂₁)相位的晶胞是透鏡所需的。數(shù)字仿真可被用來通過改變參數(shù)來影響S₂₁相位和幅度來找到合適的設(shè)計(jì)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，單一元件不提供更大的相位范圍，并且因此在實(shí)施例中，近場(chǎng)聚焦組件包括多個(gè)元件層。在使用三層設(shè)計(jì)的實(shí)施例中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)有可能將總透射保持很高：所有選擇的晶胞具有大于0.8的S₂₁幅度。具有三個(gè)元件層的晶胞產(chǎn)生360°S₂₁相位范圍。在實(shí)施例中，外部?jī)蓚€(gè)元件是矩形柱而內(nèi)部元件是分割的環(huán)形整流器。目標(biāo)焦距為18mm。

示例近場(chǎng)聚焦組件在圖11f(透視視圖)、11g(正視圖)和11h(后視圖)中示出。

在實(shí)施例中，在天線和設(shè)備之間提供了用于耦合EM輻射的附加層，該EM輻射將天線所發(fā)射的電磁波成形。此附加層可被認(rèn)為是波束成形層。波束成形層將輻射圖案的振幅和/或相位成形。在實(shí)施例中，波束成形層優(yōu)化設(shè)備的輻射圖案的形狀以用于根據(jù)本公開耦合EM輻射。在實(shí)施例中，該層是適當(dāng)成形的電介質(zhì)或非金屬材料。在其它實(shí)施例中，該層本身是諸如電介質(zhì)基底上的金屬部件的周期性組合的元材料或元表面。在實(shí)施例中，波束成形層包括特氟龍、液晶聚合物、Rogers 3000或Rogers 400系列材料、或向沖擊波添加相位的其它電介質(zhì)材料。在實(shí)施例中，波束成形層還包括銅、鋁、或其它高度導(dǎo)電材料。

在各實(shí)施例中，提供了被布置成將設(shè)備耦合到目標(biāo)的可丟棄的生物兼容層。在實(shí)施例中，可丟棄的生物兼容層可出于衛(wèi)生原因而被提供。在其它實(shí)施例中，可丟棄的生物兼容層可包括電介質(zhì)組件，該電介質(zhì)組件任選地支持導(dǎo)電元件的平面陣列?？蓙G棄的生物兼容層因此可被“微調(diào)”到該設(shè)備的剩余部分?？蓙G棄的生物兼容層可以是可變形的和/或可具有被布置成附連于人體的一部分的形態(tài)?？蓙G棄的生物兼容層可由基于聚合物的材料形成。

因此可以理解，在實(shí)施例中，該設(shè)備是多層設(shè)備，該多層設(shè)備包括多個(gè)包括金屬的層和/或包括電介質(zhì)的層。有利地，多層結(jié)構(gòu)可被布置成覆蓋適當(dāng)大的相位范圍，同時(shí)維持高透射性。在實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)包括至少三個(gè)元表面層。在各實(shí)施例中，每個(gè)層具有λ/200到λ/3的厚度，任選地，λ/150到λ/50，進(jìn)一步任選地，λ/120到λ/80。有利地，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)每個(gè)層的厚度的這一約束確保了感興趣的波在抵達(dá)目標(biāo)(或完全穿過該設(shè)備)之前不會(huì)由于傳播(擴(kuò)展束)而被過度衰減。對(duì)每一層的厚度的這一約束也有助于最小化設(shè)備尺寸。

用于生物材料的傳感器

在一實(shí)施例中，提供一種可穿戴設(shè)備，該可穿戴設(shè)備夾到耳垂、手、或富含血液的其它身體部位上并且非侵入式地實(shí)時(shí)(瞬時(shí)或持續(xù)地)監(jiān)視血液葡萄糖水平的變化。無線電波傳感器向組織發(fā)射并接收數(shù)千個(gè)個(gè)體低功率無線電波信號(hào)，這些信號(hào)隨后被組合以使用算法獲得精確的血糖讀數(shù)。任選地，葡萄糖讀數(shù)在數(shù)秒內(nèi)被顯示在該設(shè)備上或者它們可以經(jīng)由藍(lán)牙被傳送至移動(dòng)應(yīng)用，病人可在移動(dòng)應(yīng)用處管理該數(shù)據(jù)并接收警告。進(jìn)一步任選地，數(shù)據(jù)隨后被安全上傳到加密的基于云的歷史記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)病人或醫(yī)生可用。

在一實(shí)施例中，提供一種經(jīng)由穿過人類血液的非離子化毫米電磁波的透射和反射的非侵入式葡萄糖測(cè)量。根據(jù)本公開的設(shè)備適用于10到300GHz的范圍。然而，在一實(shí)施例中，波的頻率為約40–100GHz頻帶，其是對(duì)醫(yī)療和通信應(yīng)用開放的可用頻譜部分。歷史上，此頻帶尚未被充分利用來進(jìn)行葡萄糖測(cè)量。

有兩種用于使用電磁波的非侵入式葡萄糖監(jiān)視的主要方法。第一種方法利用低頻無線電波，通常在MHz或幾(最多5)GHz區(qū)域。第二種方法利用在頻譜的光學(xué)部分的高得多的頻率。兩種方法的基礎(chǔ)限制一直是繞過皮膚層的問題，其導(dǎo)致僅在組織液層采樣，從而限制了其有效精度和速度。已經(jīng)報(bào)告，在組織液層，與靜脈中采樣相比，葡萄糖敏感度被延遲最多30分鐘。組織液恰在皮膚下方且在血液動(dòng)脈和毛細(xì)血管外側(cè)。

在此頻帶中的測(cè)量提供優(yōu)于其它非侵入式方法的兩個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。首先，波的波長(zhǎng)(在空氣中約為5mm)足夠大以允許穿透人類組織(諸如耳垂)，而同時(shí)又足夠小以在其內(nèi)部提供血液區(qū)域的足夠的解析度。其次，小波長(zhǎng)需要同樣小的天線來生成它們。從而，可被持續(xù)穿戴在人體(例如耳朵)上的移動(dòng)的小型化無線傳感器是可行的，其并入了用于執(zhí)行葡萄糖測(cè)量的所有必要的電子器件和處理能力。

與光學(xué)方法相比，在波長(zhǎng)小得多的情況下(在幾微米范圍)，40-100GHz頻帶是進(jìn)一步有利的，因?yàn)槠渖删哂凶銐蜷L(zhǎng)以很好穿透壁進(jìn)入生物樣本的波長(zhǎng)的波?；谒臉颖竞徒M織樣本通常具有非常高的損耗并產(chǎn)生顯著的阻抗失配，并且從而具有更短波長(zhǎng)的波將感知到要穿透的電學(xué)上更長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，從而沿該路顯著衰減。發(fā)明人已將1000GHz標(biāo)識(shí)為最大頻率，超出該頻率的波長(zhǎng)太短而無法在不衰減太多的情況下穿透得足夠深入到生物樣本中。

與利用微波或無線電波的電介質(zhì)頻譜學(xué)的其它方法相比，它們通常在低得多的頻率(更長(zhǎng)的波長(zhǎng))下操作，高至10GHz，其中波長(zhǎng)為3cm。這些波足夠長(zhǎng)以在沒有太多衰減的情況下感知電學(xué)上小的樣本。然而，對(duì)于一些樣本，它們沒有小到足以解析樣本內(nèi)的細(xì)節(jié)，而僅提供了平均化的宏觀信息。此外，如果樣本很薄，例如3mm或更少(對(duì)于耳垂而言是如此)，則至少更長(zhǎng)10倍的波將不能夠從該樣本感測(cè)到任何高精度信息。從而，在一實(shí)施例中，40GHz是最低頻率，低于該頻率的波長(zhǎng)太長(zhǎng)而無法以高的可再現(xiàn)的精度感測(cè)到樣本中的小細(xì)節(jié)和成分。

結(jié)果是，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，10–300GHz(任選地40–100GHz)是用于產(chǎn)生精確的感測(cè)測(cè)量而不衰減波的最優(yōu)頻帶。更具體而言，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)帶寬(59-64和68-72GHz)特別適用于生物樣本的范圍。在實(shí)施例中，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶寬為4-6GHz時(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的結(jié)果。

過去已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試來使用共振方法估計(jì)葡萄糖水平。這些方法是極其精確的，并且它們?cè)S多年來常被用于表征材料。毫無疑問，如果所有其它因素保持恒定，則它們可被用來精確地測(cè)量葡萄糖。然而，它們的最大的長(zhǎng)處也是它們最大的弱點(diǎn)：如果你在不同人身上嘗試，或者對(duì)于任何生理皮膚改變(例如，老化、在懷孕期間、出汗/濕潤(rùn)或干燥的皮膚等)，則測(cè)量將提供假讀數(shù)。皮膚具有小孔，我們的身體使用這些小孔來維持恒定的溫度。像移動(dòng)到更熱的房間這樣簡(jiǎn)單的事情也將觸發(fā)汗腺中汗的產(chǎn)生，這將使得測(cè)量不精確。根據(jù)本公開的結(jié)構(gòu)減弱了皮膚的影響和/或允許電磁輻射基本上穿透原本其將被反射的皮膚。

在實(shí)施例中，根據(jù)本公開的設(shè)備被布置成最小化皮膚和其它生物組織的反射。在實(shí)施例中，感興趣的生物材料是血液而設(shè)備被布置成最小化皮膚的反射。在實(shí)施例中，因此提供了用于皮膚的抗反射涂層。在這些實(shí)施例中，皮膚可被認(rèn)為是感興趣的生物材料的容器。

圖11i示出了對(duì)人類皮膚使用根據(jù)本公開的元表面的功率穿透的仿真結(jié)果。具體而言，圖11i示出了將所反射的功率、透射的功率和逸散的功率對(duì)照與0.58mm厚的皮膚層接觸的結(jié)構(gòu)的頻率。實(shí)線對(duì)應(yīng)于由元表面和皮膚構(gòu)成的設(shè)置，而虛線對(duì)應(yīng)于僅由皮膚而沒有元表面構(gòu)成的設(shè)置。

元表面結(jié)構(gòu)的總厚度為150μm。添加元表面產(chǎn)生了60GHz處的反射功率從39％到0.16％的降低以及逸散功率的56％到94％的增加。透射功率從4.5％增加到6.3％。沒有實(shí)現(xiàn)完美透射的主要原因是結(jié)構(gòu)中的損耗的存在。

傳感器構(gòu)造

在圖12a到12m中示出了傳感器的示意性表示。傳感器可被放入富含血液而沒有許多其它阻擋(諸如骨頭)的身體區(qū)域。在實(shí)施例中，位置為耳垂、手(在拇指和食指之間)、腳趾之間、嘴唇上，而也可使用其它位置。傳感器可被手臨時(shí)保持就位，或被持續(xù)附連。

用于食品的傳感器

在其它實(shí)施例中，根據(jù)本公開的設(shè)備被用來探測(cè)食品的屬性。也就是說，在實(shí)施例中，生物材料是食品。在其它實(shí)施例中，生物材料是包裝食品且根據(jù)本公開的設(shè)備被布置和/或使用以最小化包裝的反射。在實(shí)施例中，因此提供了用于食品的包裝的抗反射涂層。在實(shí)施例中，食品是油，諸如橄欖油或含有橄欖油的合成油。

系統(tǒng)概覽

在一實(shí)施例中，提供一種傳感器系統(tǒng)，其包括測(cè)量穿過被測(cè)樣本(SUT)的透射的傳感器1303、實(shí)時(shí)地或每當(dāng)連接變得可用時(shí)接收該數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用(移動(dòng)、平板、計(jì)算機(jī)等)、在線存儲(chǔ)1301以及數(shù)據(jù)庫(kù)、以及向用戶或第三方顯示該數(shù)據(jù)的客戶端應(yīng)用/接口。這在圖13中被示出。

傳感器包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。在實(shí)施例中，發(fā)射機(jī)包括用于生成輻射的一個(gè)、兩個(gè)、或更多個(gè)天線，以及用于增強(qiáng)對(duì)樣本的穿透力的元材料(通常被置于天線和樣本之間)。

因此提供了一種傳感器，該傳感器包括：包括第一天線和(用于耦合電磁輻射的，如上所述)第一設(shè)備的發(fā)射機(jī)，該第一設(shè)備被布置成將由該第一天線發(fā)射的電磁輻射耦合到生物材料；以及包括第二天線和(用于耦合電磁輻射的，如上所述)第二設(shè)備的接收機(jī)，該第二設(shè)備被布置成將該生物材料所發(fā)射的電磁輻射耦合到第二天線。

圖14a中示出了根據(jù)實(shí)施例的傳感器中的組件的框圖。以下組件中的一些或全部可被包括：用于提供電力的電池1407；用于顯示數(shù)據(jù)的屏幕1408；以及用于提供視覺反饋的LED 1409；同樣用于向用戶提供反饋的振動(dòng)系統(tǒng)1411；可測(cè)量天線間的距離的電子卡鉗組件1410；主存所述電子器件的印刷電路板1401；用于向接收機(jī)傳送信息的藍(lán)牙或其它通信組件1402；用于直接估計(jì)被測(cè)樣本的阻抗的阻抗分析器1403；用于感測(cè)運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)1404；用于生成無線電波信號(hào)的天線系統(tǒng)1405；以及增強(qiáng)被測(cè)樣本內(nèi)的輻射的穿透力的元材料組件1406。圖14b示出了根據(jù)其它實(shí)施例的傳感器的組件，其包括附加的波束成形元件1450。在本文描述的實(shí)施例中，波束成形元件是相位矯正器(僅作為示例)。

在一實(shí)施例中，發(fā)射機(jī)進(jìn)一步包括檢測(cè)器，該檢測(cè)器被布置成檢測(cè)生物材料所反射的電磁輻射。有利地，這允許進(jìn)行生物材料的更精確測(cè)量。

在進(jìn)一步實(shí)施例中，傳感器被進(jìn)一步布置成確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。在另一實(shí)施例中，傳感器被進(jìn)一步布置成確定生物材料的阻抗。有利地，這允許該設(shè)備與不同的生物材料工作，諸如與不同的人。在一實(shí)施例中，該傳感器進(jìn)一步包括加速度計(jì)。

天線、元材料、或者兩者可以是有源的可調(diào)諧組件，以便取決于被測(cè)樣本的電磁屬性(誘電率、導(dǎo)磁率、阻抗)來調(diào)整其操作。例如，當(dāng)具有與之前的樣本略微不同的阻抗的一不同樣本被測(cè)試時(shí)，阻抗分析器將感測(cè)到這一點(diǎn)并且天線和元材料將被相應(yīng)地調(diào)諧以最大化對(duì)樣本的穿透力。這可通過集成可調(diào)諧電組件(諸如可變電容器(變抗器(varactor))、電感器或電阻器)來實(shí)現(xiàn)。

也就是說，在一實(shí)施例中，該傳感器進(jìn)一步包括耦合到天線和/或元材料的可變電阻器和/或電容器以提供調(diào)諧能力。

被測(cè)樣本可以或可以不被置于外殼或容器內(nèi)部。皮膚可被認(rèn)為是動(dòng)物或人類組織的容器。在一實(shí)施例中，生物材料是人類或動(dòng)物組織。在一實(shí)施例中，傳感器是可穿戴的。在一進(jìn)一步實(shí)施例中，傳感器被布置成被穿戴在手、腳、耳朵或嘴唇上，或其中該傳感器是手持式的。

在一實(shí)施例中，生物材料是食品。在一實(shí)施例中，食品包括從包括油、奶、酒、咖啡和果汁的組中選擇的至少一者，和/或食品由容器(任選地，瓶或盒)封裝。在一實(shí)施例中，容器包括玻璃和/或塑料。

還提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器并進(jìn)一步包括：被布置成從該傳感器接收與生物材料有關(guān)的數(shù)據(jù)的無線接收機(jī)；在遠(yuǎn)離該傳感器的設(shè)備上操作的軟件應(yīng)用，該軟件應(yīng)用被布置成處理該數(shù)據(jù)；以及被布置成顯示該數(shù)據(jù)和/或與該數(shù)據(jù)有關(guān)的信息的接口。有利地，因此可以可能遠(yuǎn)程監(jiān)視樣本。例如，醫(yī)療專家可以能夠遠(yuǎn)程測(cè)量病人的血液葡萄糖水平。

圖15a到15d示出了具有單天線和雙天線1503和元材料1502布置的被測(cè)樣本1501、1504、1505、1506的一些示例。圖16示出了調(diào)諧天線1602，其包括阻抗分析器1603，用于探測(cè)被測(cè)樣本1604的元表面1601。

圖17a到17c和18示出了在操作中的示例設(shè)備。圖18a示出了包括兩個(gè)天線180和兩個(gè)元表面1802的傳感器，所述元表面被布置成改善進(jìn)出人手1803的電磁輻射的耦合。圖18b示出了具有附加的相位矯正器組件1805的傳感器。

圖19示出了具有以周期性模式(上)和非周期性模式(下)的天線構(gòu)造的元表面的分解圖。

圖20示出了根據(jù)實(shí)施例的分層設(shè)備，其包括三個(gè)元表面層2001-2003以及天線層2004。

有利地，根據(jù)本公開的實(shí)施例的設(shè)備是無源的。即，其不需要電力供應(yīng)。該設(shè)備因此可增加整體能量效率

因此提供了用于葡萄糖傳感器的抗反射介質(zhì)，該抗反射介質(zhì)包括元表面。還提供了用于食品容器的抗反射涂層，該抗反射涂層包括元表面。

盡管上面已描述了各方面和實(shí)施例，然而可進(jìn)行各種變形而不背離本文公開的發(fā)明思想。

示例實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所呈現(xiàn)的兩個(gè)示例是在經(jīng)校準(zhǔn)的基于水的樣本中的葡萄糖感測(cè)、以及油混合物中的油感測(cè)。測(cè)量在50-75GHz頻帶中執(zhí)行。所呈現(xiàn)的量是在應(yīng)用噪聲過濾和其它信號(hào)處理算法操作之后從原始傳輸和反射記錄信號(hào)取回的。

示例1：葡萄糖感測(cè)

圖21示出了葡萄糖濃度和被處理的信號(hào)之間的相關(guān)性，其在60GHz附近在兩個(gè)獨(dú)立制備的樣本溶液中重復(fù)。所述結(jié)果指示所利用的方法和算法的可重復(fù)性。

圖22將針對(duì)三種不同類型的樣本獲得的測(cè)量：由水和變化的量的葡萄糖構(gòu)成的樣本，由水、鹽(NaCl)和變化的量的葡萄糖構(gòu)成的樣本以及由水、變化的量的鹽和葡萄糖構(gòu)成的樣本。所述結(jié)果證明，三種不同溶液及其相應(yīng)濃度可彼此完全區(qū)分開。使用鹽的目的是人類血液的更逼真表示。

圖23呈現(xiàn)了根據(jù)在68GHz頻率處作為極低濃度(成年人的正常范圍在4和8mMol/L之間)的葡萄糖濃度的被處理信號(hào)。其證明極低葡萄糖濃度可被量化。

示例2：油感測(cè)

在此示例中，針對(duì)兩輪不同的實(shí)驗(yàn)來確定棕仁油和菜籽油的混合物中棕仁油的未知濃度。被處理的數(shù)據(jù)用線性方程來擬合，其可被用來準(zhǔn)確地確定每個(gè)油品種在混合物中的濃度。

圖24示出了根據(jù)棕仁油在棕仁油和菜籽油的混合物中的濃度的輸出信號(hào)。

圖25示出了來自無線電波反射測(cè)量的被處理信號(hào)被用分析用Cole-Cole模型擬合，從而估計(jì)該模型的松弛頻率。每個(gè)油品種呈現(xiàn)出一種特征性的松弛頻率，這可被用來標(biāo)識(shí)樣本中的未知油品種。在這種情況下，可對(duì)該樣本使用單一傳感器。

根據(jù)實(shí)施例的傳感器因此在確定油在油混合物中的濃度時(shí)高度有效。