РАДИОЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ УВЛАЖНЕННОСТИ КОЖИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УВЛАЖНЕННОСТИ КОЖИ Российский патент 2024 года по МПК H01P3/18 G01N22/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к радиочастотным (РЧ) резонансным датчикам для измерения содержания воды в объектах и, в частности, к РЧ датчику для контроля увлажненности кожи и устройству для контроля увлажненности кожи.

Описание предшествующего уровня техники

[0002] Кожа выполняет функцию барьера, защищая нижележащие и внутренние ткани от высыхания, инфекции, механического воздействия и химического раздражения. Параметр увлажненности кожи характеризует уровень содержания воды в эпидермисе и является важным фактором для анализа и контроля состояния кожи. Параметр увлажненности кожи является показателем потери воды кожей. Параметр увлажненности кожи указывает выполняет ли кожа барьерную функцию и определяет качество ее структуры и внешнего вида. Для здоровой кожи важно иметь достаточный уровень гидратации и увлажненности. Ежедневный контроль состояния кожи может предоставить пользователю полезную информацию для анализа эффективности применения косметических средств (например, увлажняющих кремов) и различных косметических процедур, таких как пилинги и увлажняющие маски.

[0003] Для контроля увлажненности кожи требуется специальное устройство. Существующие анализаторы, признанные устройствами с высокой точностью измерений и используемые в косметологических учреждениях, имеют высокую цену, а более доступные датчики имеют низкую точность и часто неудобны и даже болезненны в использовании. Существующие датчики предназначены для работы на частотах килогерцового-мегагерцового диапазона. Работа датчиков в килогерцовом-мегагерцовом диапазоне частот определяет небольшую глубину проникновения радиоволн в поверхность кожи. Поэтому эти датчики могут анализировать только роговой слой эпидермиса, имеющий толщину до 50 мкм. Анализ более глубоких слоев кожи, включая глубокие слои эпидермиса, достигающие толщины до 1,5 мм, может дать более объективные результаты измерения и контроля увлажненности кожи.

[0004] В уровне техники известны технические решения для измерения содержания воды в объектах, в том числе и для контроля увлажненности кожи.

[0005] Анализатор состояния кожи BELULU Skin Checker, изготавливаемый компанией BELULU. Для измерения увлажненности кожи в этом анализаторе применяется измерение биологического импеданса кожи. Анализатор работает на частотах килогерцового-мегагерцового диапазона, что обеспечивает измерения только рогового слоя эпидермиса. Измерения производятся с помощью двух объемных электродов, снабженных пружинным механизмом для утапливания электродов в корпус анализатора, эти электроды могут вызывать болезненные ощущения, травмировать тонкую кожу и даже привести кровоподтекам на теле. Кроме того, анализатор громоздкий и не может быть встроен в портативные устройства, такие как смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д.

[0006] Анализатор увлажненности кожи SK-IV, изготавливаемый компанией AURO. Для измерения увлажненности кожи в этом анализаторе применяется измерение биологического импеданса кожи. Анализатор работает на частотах килогерцового-мегагерцового диапазона, что обеспечивает измерения только в роговом слое эпидермиса. Измерения производятся с помощью планарных электродов сложной формы, расположенных на измерительной головке с пружинным механизмом для утапливания электродов в корпус, активируемыми при нажатии на измеряемую область кожи. Измерительная головка имеет большую площадь, что препятствует точному измерению на малых участках кожи, например, в зоне вокруг глаз. Кроме того, анализатор громоздкий и не может быть встроен в портативные устройства, такие как смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д.

[0007] Корнеометр CM 825, изготавливаемый компанией Courage+Khazaka electronic GmbH. Для измерения увлажненности кожи в этом анализаторе применяется измерение биологического импеданса кожи. Корнеометр работает на частотах килогерцового-мегагерцового диапазона, что обеспечивает измерения только в роговом слое эпидермиса. Кроме того, корнеометр громоздкий и не может быть встроен в портативные устройства, такие как смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д.

[0008] В документе «Ting-Hsiang Huang, Jung-Chuan Chou, Tai-Ping Sun, Shen-Kan Hsiung, «A device for skin moisture and environment humidity detection», Sensors and Actuators B: Chemical, том 134, выпуск 1, опубликован 28 августа 2008, стр. 206-212, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400508003122» предложено устройство для детектирования увлажненности кожи и влажности окружающей среды. Для детектирования увлажненности кожи и влажности окружающей среды в этом устройстве применяется измерение импеданса. Устройство работает на частотах килогерцового диапазона, что обеспечивает измерения только рогового слоя эпидермиса. Кроме того, устройство громоздкое и не может быть встроено в портативные устройства, такие как смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д.

[0009] В документе «Junkai Bai, Hongfu Guo, Hua Li, Chen Zhou and Hanchao Tang, «Flexible Microwave Biosensor for Skin Abnormality Detection Based on Spoof Surface Plasmon Polaritons», Micromachines, том 12, выпуск 12, 10.3390/mi12121550, опубликован 12 декабря 2021, https://doi.org/10.3390/mi12121550» предложен гибкий микроволновый биодатчик для обнаружения аномалий кожи на основе плазмон-поляритонов, формируемых на поверхностях с искусственным импедансом. Плазмон-поляритоны представляют собой разновидность электромагнитной поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы раздела металла, вызванной взаимодействием между свободными электронами и фотонами. Датчик предназначен для работы на частоте 11 ГГц. Датчик содержит плоский резонатор. Линии питания находятся на том же слое, что и часть для контакта с объектом, что приводит к ошибкам измерения и низкой повторяемости результатов изменения.

[0010] Заявка на патент США US2018143145A1, опубликованная 24.05.2018 и озаглавленная «SENSOR FOR PERFORMING DIELECTRIC MEASUREMENTS», предлагает датчик для выполнения измерений параметров диэлектриков. Датчик содержит два резонатора, работающих на частотах субмиллиметрового и/или миллиметрового диапазона длин волн, причем добротность первого резонатора больше добротности второго резонатора. Второй резонатор расположен и ориентирован относительно первого резонатора таким образом, чтобы быть индуктивно связанным с первым резонатором, при этом второй резонатор состоит из двух проводящих элементов, разделенных зазором, который обеспечивает чувствительную область. Датчик представляет собой громоздкую и сложную конструкцию, которая состоит из нескольких металлических частей, печатной платы, диэлектрического стержня, микрокюветы для жидкости и двух резонаторов. Первый резонатор является цилиндрическим объемным резонатором, частично заполненным диэлектриком, второй резонатор является планарным кольцевым резонатором. Производство датчика сложно, поскольку части датчика производятся разными технологическими процессами. Датчик применим только для жидкостей, которые заливают в специальный канал для анализа. Кроме того, датчик громоздкий и не может быть встроен в портативные устройства, такие как смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д.

[0011] В документе «Abhishek Kandwal, Tobore Igbe, Jingzhen Li, Yuhang Liu, Sinan Li, «Highly Sensitive Closed Loop Enclosed Split Ring Biosensor With High Field Confinement for Aqueous and Blood-Glucose Measurements», Scientific report, опубликован 05 марта 2020, https://www.nature.com/articles/s41598-020-60806-9» предложен высокочувствительный биодатчик с кольцевым замкнутым контуром, работающий на частотах сантиметрового диапазона длин волн, для измерения уровня глюкозы в крови в организме человека. Датчик содержит планарный резонатор, причем линии питания находятся на том же слое, что и часть для контакта с объектом. Это приводит к ошибкам и низкой повторяемости результатов измерения из-за отражения сигнала от места контакта с объектом, которое может меняться от измерения к измерению.

[0012] В документе «Ala Eldin Omer, George Shaker, Safieddin Safavi-Naeini, Hamid Kokabi, Georges Alquié, Frédérique Deshours & Raed M. Shubair, «Low-cost portable microwave sensor for non-invasive monitoring of blood glucose level: novel design utilizing a four-cell CSRR hexagonal configuration», Scientific report, опубликован 16 сентября 2020, https://www.nature.com/articles/s41598-020-72114-3» предложен датчик, который включает в себя четыре ячейки копланарных кольцевых резонаторов шестиугольной формы, расположенных в конфигурации шестиугольных ячеек и изготовленных на тонком листе диэлектрической подложки FR4. Чувствительные элементы датчика подключены через плоскую микрополосковую линию к плате приемопередатчика, работающего в диапазоне 2,4-2,5 ГГц. Датчик измеряет импеданс объекта, расположенного на поверхности резонаторов. Линии питания резонаторов находятся на том же слое, что и часть для контакта с объектом, что приводит к ошибкам измерения и низкой повторяемости результатов изменения из-за отражения сигнала от места контакта с объектом, которое может меняться от измерения к измерению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Для устранения вышеперечисленных недостатков предложены РЧ датчик для контроля увлажненности кожи и устройство для контроля увлажненности кожи. РЧ датчик для контроля увлажненности кожи является компактным и может быть встроен в носимые и портативные устройства, например, смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д. Однако устройства, в которые может быть встроен РЧ датчик для контроля увлажненности кожи не ограничены вышеперечисленными носимыми и портативными устройствами. РЧ датчик для контроля увлажненности кожи не повреждает кожу при его применении, не требует механизмов утапливания электродов, выполняет анализ глубоких слоев кожи, т.е. всего эпидермиса. РЧ датчик для контроля увлажненности кожи обеспечивает высокую точность и повторяемость результатов, имеет высокую чувствительность к изменению увлажненности кожи и изменению ее диэлектрических параметров. РЧ датчик для контроля увлажненности кожи не требует калибровки.

[0014] Один аспект настоящего изобретения обеспечивает радиочастотный (РЧ) датчик для контроля увлажненности кожи, причем упомянутый РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, при этом упомянутый РЧ датчик содержит: печатную плату, содержащую по меньшей мере первый металлический слой, первый диэлектрический слой, второй металлический слой и второй диэлектрический слой, расположенные в указанном порядке сверху вниз датчика; диафрагму, предназначенную для контакта с кожей и выполненную в виде окна в первом металлическом слое, причем диафрагма имеет симметричную форму относительно двух осей симметрии, перпендикулярных друг другу и параллельных плоскости окна; объемный резонатор, образованный по меньшей мере первым металлическим слоем, первым диэлектрическим слоем, вторым металлическим слоем и переходными металлизированными отверстиями, выполненными в по меньшей мере первом диэлектрическом слое и ограничивающими объемный резонатор в печатной плате, причем переходные металлизированные отверстия окружают диафрагму при виде сверху; линию питания, расположенную на нижней поверхности второго диэлектрического слоя, причем по меньшей мере один конец линии питания соединен с источником радиочастотного (РЧ) сигнала, генерирующим РЧ сигнал с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, и причем электромагнитное поле с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания; и щель, выполненную во втором металлическом слое и расположенную напротив диафрагмы при виде сверху, причем щель возбуждает одну моду электромагнитного поля в объемном резонаторе и подавляет все другие моды электромагнитного поля.

[0015] В дополнительном аспекте форма расположения переходных металлизированных отверстий объемного резонатора представляет собой квадрат при виде сверху.

[0016] В другом дополнительном аспекте форма расположения переходных металлизированных отверстий объемного резонатора представляет собой круг при виде сверху.

[0017] В еще одном дополнительном аспекте переходные металлизированные отверстия объемного резонатора проходят сквозь первый металлический слой, первый диэлектрический слой, второй металлический слой и второй диэлектрический слой.

[0018] В еще одном дополнительном аспекте форма щели представляет собой кольцо.

[0019] В еще одном дополнительном аспекте щель имеет I-образную форму, при этом линия питания пересекает щель параллельно короткой стороне щели при виде сверху.

[0020] В еще одном дополнительном аспекте щель имеет Н-образную форму, при этом линия питания пересекает щель по центральному участку щели, перпендикулярно центральному участку щели при виде сверху.

[0021] В еще одном дополнительном аспекте печатная плата дополнительно содержит третий диэлектрический слой и третий металлический слой, при этом третий диэлектрический слой расположен под вторым диэлектрическим слоем, а третий металлический слой расположен под третьим диэлектрическим слоем, и при этом линия питания покрыта третьим диэлектрическим слоем.

[0022] В еще одном дополнительном аспекте один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания закорочен на второй металлический слой с помощью переходного металлизированного отверстия линии питания, выполненного во втором диэлектрическом слое.

[0023] В еще одном дополнительном аспекте один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания выполнен разомкнутым для работы в режиме холостого хода.

[0024] В еще одном дополнительном аспекте один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания является выходом для РЧ сигнала, принятого РЧ датчиком при измерении.

[0025] В еще одном дополнительном аспекте РЧ датчик дополнительно содержит защитный диэлектрический слой, расположенный на диафрагме и верхней поверхности первого металлического слоя.

[0026] В еще одном дополнительном аспекте по меньшей мере один диэлектрический слой состоит из множества слоев диэлектрика.

[0027] В еще одном дополнительном аспекте РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте 1-300 ГГц, частота РЧ сигнала, подаваемого в линию питания, составляет 1-300 ГГц, причем электромагнитное поле с частотой 1-300 ГГц поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания.

[0028] В еще одном дополнительном аспекте РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте 24 ГГц, частота РЧ сигнала, подаваемого в линию питания, составляет 24 ГГц, причем электромагнитное поле с частотой 24 ГГц поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания.

[0029] Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство для контроля увлажненности кожи, содержащее: блок управления, выполненный с возможностью управления устройством для контроля увлажненности кожи; по меньшей мере один радиочастотный (РЧ) датчик по любому варианту осуществления; и источник радиочастотного (РЧ) сигнала, выполненный с возможностью генерации РЧ сигнала с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн и подачи РЧ сигнала в линию питания по меньшей мере одного РЧ датчика.

[0030] В дополнительном аспекте устройство для контроля увлажненности кожи содержит по меньшей мере два РЧ датчика по любому варианту осуществления, при этом частоты работы РЧ датчиков отличаются друг от друга.

[0031] В другом дополнительном аспекте устройство для контроля увлажненности кожи дополнительно содержит: по меньшей мере один вспомогательный датчик, при этом вспомогательный датчик предназначен для измерения одного из множества параметров окружающей среды или одного из множества параметров организма человека; процессор; и память, в которой хранится обученная модель искусственного интеллекта для прогнозирования увлажненности кожи с использованием результатов измерения по меньшей мере одного РЧ датчика и по меньшей мере одного вспомогательного датчика.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0032] Фиг. 1 является схематичным изображением вида сверху и вида в разрезе по линии А-А РЧ датчика для контроля увлажненности кожи.

[0033] Фиг. 2 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим другой вариант осуществления формы расположения переходных металлизированных отверстий объемного резонатора.

[0034] Фиг. 3 является схематичным изображением вида спереди части РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим другой вариант осуществления переходных металлизированных отверстий объемного резонатора.

[0035] Фиг. 4 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим другой вариант осуществления формы щели.

[0036] Фиг. 5 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим еще один вариант осуществления формы щели.

[0037] Фиг. 6 является схематичным изображением вида спереди и вида сбоку части РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим вариант осуществления, в котором РЧ датчик содержит третий диэлектрический слой и третий металлический слой.

[0038] Фиг. 7 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим другой вариант осуществления линии питания.

[0039] Фиг. 8 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика для контроля увлажненности кожи, иллюстрирующим еще один вариант осуществления линии питания.

[0040] Фиг. 9 является схематичным изображением вида в разрезе РЧ датчика для контроля увлажненности кожи по линии А-А, показанной на фиг. 1, иллюстрирующим вариант осуществления РЧ датчика, содержащего защитный диэлектрический слой.

[0041] Фиг. 10 является блок-схемой варианта осуществления устройства для контроля увлажненности кожи.

[0042] Фиг. 11 является блок-схемой другого варианта осуществления устройства для контроля увлажненности кожи.

[0043] Фиг. 12 является блок-схемой еще одного варианта осуществления устройства для контроля увлажненности кожи.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0044] Нижеследующее описание со ссылкой на прилагаемые чертежи приведено, чтобы облегчить полное понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заданного формулой изобретения, и его эквивалентов. Описание включает в себя различные конкретные подробности, чтобы облегчить такое понимание, но данные подробности следует считать только примерными. Соответственно, специалисты в данной области техники обнаружат, что можно разработать различные изменения и модификации различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, описания общеизвестных функций и конструкций могут быть исключены для ясности и краткости.

[0045] Термины и формулировки, используемые в последующем описании и формуле изобретения не ограничены библиографическим значениями, а просто использованы создателем настоящего изобретения, чтобы обеспечить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что последующее описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается только для иллюстрации.

[0046] Следует понимать, что указание элементов в единственном числе включает в себя множественность элементов, если контекст явно не указывает иное.

[0047] Следует понимать, что, хотя термины «первый», «второй» и т.д. могут использоваться здесь в отношении элементов настоящего раскрытия, такие элементы не следует толковать как ограниченные этими терминами. Термины используются только для того, чтобы отличить один элемент от других элементов.

[0048] Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящей заявке, означают присутствие изложенных признаков, значений, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, значений, операций, элементов, компонентов и/или их групп.

[0049] В различных вариантах осуществления настоящего раскрытия «модуль» или «блок» может выполнять по меньшей мере одну функцию или операцию и может быть реализован с помощью аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации. «Множество модулей» или «множество блоков» может быть реализовано по меньшей мере с одним процессором посредством его интеграции по меньшей мере с одним модулем, отличным от «модуля» или «блока», который необходимо реализовать с помощью специального аппаратного обеспечения.

[0050] По меньшей мере один из множества модулей может быть реализован посредством модели искусственного интеллекта (ИИ). Функция, связанная с ИИ, может выполняться посредством энергонезависимой памяти, энергозависимой памяти и процессора.

[0051] Процессор может включать в себя один или множество процессоров. В то же время один или множество процессоров могут быть процессором общего назначения, таким как центральный процессор (ЦП), процессор приложений (AP) или подобный, процессором для графики, таким как графический процессор (GPU), процессор обработки изображений (VPU) и/или специализированным процессором искусственного интеллекта (ИИ), таким как нейронный процессор (NPU). Настоящее изобретение не ограничено вышеприведенными процессорами и может быть использован любой процессор, обеспечивающий выполнение требуемой задачи.

[0052] Один или более процессоров управляют обработкой входных данных в соответствии с заданным правилом работы или моделью ИИ, хранящимися в энергонезависимой памяти или энергозависимой памяти. Заданное правило работы или модель ИИ обеспечивается посредством обучения.

[0053] В данном случае обеспечение посредством обучения означает, что, применяя алгоритм обучения ко множеству обучающих данных, создается заданное правило работы или модель ИИ требуемой характеристики. Обучение может быть выполнено в самом устройстве, которое содержит ИИ в соответствии с вариантом осуществления, и/или может быть реализовано через отдельный сервер/систему.

[0054] Модель ИИ может состоять из множества слоев нейронной сети. Каждый слой имеет множество весовых значений и выполняет операцию слоя с использованием вычисления предыдущего слоя и множества весов. Примеры нейронных сетей включают в себя, но не ограничиваются ими, сверточную нейронную сеть (CNN), глубокую нейронную сеть (DNN), рекуррентную нейронную сеть (RNN), ограниченную машину Больцмана (RBM), глубокую сеть доверия (DBN), двунаправленную рекуррентную глубокую нейронную сеть (BRDNN), генеративные состязательные сети (GAN) и глубокие Q-сети.

[0055] Алгоритм обучения является способом обучения заранее заданного целевого устройства (например, автоматического устройства) с использованием множества обучающих данных, чтобы заставлять, позволять или управлять целевым устройством для выполнения определения или предсказания. Примеры алгоритмов обучения включают, но не ограничиваются этим, обучение с учителем, обучение без учителя, обучение частично с учителем или обучение с подкреплением.

[0056] В дальнейшем, различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.

[0057] Глубина проникновения электромагнитного поля в объект, например, кожу, зависит от частоты электромагнитного поля. Килогерцовый-мегагерцовый диапазон частот, в котором работают датчики для измерения и/или контроля увлажненности кожи, обеспечивает глубину проникновения радиоволн в кожу до 50 мкм, ввиду того, что на столь низких частотах отсутствует свободная электромагнитная волна, проникающая в исследуемый объект, и воздействие на объект осуществляется единственно электрическим полем. А поскольку конструкция электродов известных датчиков килогерцового-мегагерцового диапазона частот планарная, то и ток, производимый этим полем, будет распределяться в узком поверхностном слое, а, конкретно, только в роговом слое эпидермиса. Предлагаемый РЧ датчик 100 может работать на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, предпочтительно на частотах в диапазоне 1-300 ГГц. Для выполнения измерения по всей толщине эпидермиса необходима глубина проникновения до 1,5 мм. С ростом частоты возможна генерация излучаемого электромагнитного поля, проникающего в объект на определенную глубину. Для эффективного излучения и проникновения электромагнитного поля в кожу на глубину до 1,5 мм частота электромагнитного поля должна составлять около 20 ГГц. Чтобы обеспечить измерение по всей толщине эпидермиса, наиболее предпочтительно, чтобы РЧ датчик 100 для контроля увлажненности кожи работал, например, на частоте 24 ГГц, поскольку частоты 24-24,25 ГГц входят в перечень лицензированных частот для биомедицинских применений.

[0058] РЧ датчик 100 может быть спроектирован для работы на других частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, например, в диапазоне 1-300 ГГц, для других применений в зависимости от требуемой глубины проникновения, чтобы обеспечить измерения содержания воды в объектах с другой глубиной проникновения электромагнитного поля в объект. РЧ датчик 100 также может выполнять измерение содержания воды в пищевых продуктах, например, фруктах, овощах, хлебе, крупах и т.д. РЧ датчик 100 также может выполнять контроль сухости продуктов по стадии готовности для сухофруктов, вяленой рыбы и т.п. РЧ датчик 100 может выполнять контроль содержания воды в замороженных продуктах и контроль разморозки замороженных продуктов. Кроме того, РЧ датчик 100 может определять содержание воды в жидкостях, например, маслах или нефтепродуктах. Так же возможно применение РЧ датчика 100 для определения количества содержания воды в промышленных материалах, например, в деловой древесине.

[0059] Диэлектрические параметры органических объектов, такие как удельная электрическая проводимость, относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь, и глубина проникновения электромагнитного поля в измеряемые объекты зависят от содержания в них воды. В таблице 1 приведены параметры для сухой и увлажненной кожи при работе РЧ датчика 100 на частоте 24 ГГц. Чем больше увлажненность кожи/содержание воды в коже, тем больше значения удельной электрической проводимости, относительной диэлектрической проницаемости и глубины проникновения электромагнитного поля в органический объект, например, кожу.

Тип кожи Удельная электри
ческая проводимость (См/м) Относительная диэлектри
ческая проницаемость Тангенс угла потерь Глубина проникновения (мм) Сухая 22,841 18,993 0,90073 1,097 Увлажненная 23,192 20,98 0,82796 1,1239

Таблица 1.

[0060] Приведенные в таблице 1 значения для сухой кожи и увлажненной кожи при измерении РЧ датчиком 100, работающем на частоте 24 ГГц, отличаются друг от друга приблизительно на 10%. Конкретные значения параметров для сухой и увлажненной кожи при работе РЧ датчика 100 на частоте 24 ГГц приведены для примера. Однако во всем диапазоне частот сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, в том числе в диапазоне 1-300 ГГц, значения удельной электрической проводимости, относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь и глубины проникновения электромагнитного поля в органический объект для сухой кожи и увлажненной кожи отличаются друг от друга приблизительно на 10%. Такое отличие значений для сухой кожи и увлажненной кожи обеспечивает высокую точность и повторяемость результатов измерения, высокую чувствительность к изменению увлажненности кожи и изменению ее диэлектрических параметров.

[0061] РЧ датчик 100 для контроля увлажненности кожи выполнен на печатной плате. Печатная плата представляет собой многослойную СВЧ печатную плату. Толщина печатной платы для РЧ датчика 100, работающего на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, и размер РЧ датчика 100, работающего на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, зависят от частоты/ длины волны, на которой спроектирован работать РЧ датчик 100, а также от диэлектрических параметров материалов печатной платы. Толщина печатной платы для РЧ датчика 100, работающего на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, составляет около 0,5-1,5 мм, а размер РЧ датчика 100, работающего на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, составляет от 1 мм × 1 мм до 10 мм × 10 мм. В частности, толщина печатной платы для РЧ датчика 100, работающего на частоте 24 ГГц, составляет около 1 мм, а размер РЧ датчика 100, работающего на частоте 24 ГГц, составляет около 5 мм × 5 мм при виде сверху РЧ датчика 100. Такие толщины и размеры РЧ датчика 100, работающего на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, позволяют обеспечить компактный РЧ датчик 100 для контроля увлажненности кожи, который можно встроить в носимые и/или портативные устройства, например, смартфон, интеллектуальные часы, стилус для планшетного компьютера и т.д.

[0062] На фиг. 1 показано схематичное изображение вида сверху и вида в разрезе по линии А-А РЧ датчика 100 для контроля увлажненности кожи. Фиг. 1 отображает основные элементы РЧ датчика 100 для контроля увлажненности кожи.

[0063] РЧ датчик 100 для контроля увлажненности кожи содержит печатную плату, диафрагму 105, объемный резонатор, линию 107 питания и щель 109.

[0064] Источник 202 РЧ сигнала генерирует РЧ сигнал с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн. Источник 202 РЧ сигнала входит в состав устройства 200 для контроля увлажненности кожи. При подаче РЧ сигнала в линию 107 питания электромагнитное поле поступает в РЧ датчик 100. Щель 109 возбуждает одну моду электромагнитного поля в объемном резонаторе и подавляет все другие моды электромагнитного поля. Электромагнитное поле/электромагнитная волна через объемный резонатор и диафрагму 105 излучается наружу РЧ датчика 100 и взаимодействует с измеряемым объектом. В результате этого взаимодействия образуется отраженная электромагнитная волна/отраженный РЧ сигнал. Излученная электромагнитная волна и отраженная электромагнитная волна складываются, формируя результирующую электромагнитную волну/результирующий РЧ сигнал, которая поступает обратно в РЧ датчик 100. Результирующая электромагнитная волна характеризуется амплитудой, фазой и частотой. Результирующая электромагнитная волна по линии 107 питания поступает в компаратор или любое другое устройство, способное сравнивать РЧ сигналы. Компаратор или любое другое устройство может быть, например, процессором, входящим в состав устройства 200 для контроля увлажненности кожи. Компаратор сравнивает амплитуду результирующей электромагнитной волны с амплитудой подаваемой электромагнитной волны и определяет величину изменения амплитуды. На основании изменения амплитуды и частоты вычисляется значение коэффициента отражения. Определенная на стадии разработки датчика корреляция между значением коэффициента отражения и увлажненностью кожи дальше переводится в информацию для пользователя, интерпретируя отклик сигнала от кожи в состояние сухая/нормальная/увлажненная кожа.

[0065] Печатная плата является СВЧ печатной платой. Печатная плата содержит по меньшей мере первый металлический слой 101, первый диэлектрический слой 102, второй металлический слой 103 и второй диэлектрический слой 104, расположенные в указанном порядке сверху вниз РЧ датчика 100. Все параметры СВЧ печатной платы, такие как количество, толщина и материалы металлических и диэлектрических слоев выбираются и оптимизируются исходя из используемого диапазона частот и требуемых компонентов РЧ датчика 100. Материалом диэлектрических слоев могут быть, например, FR4, Rogers 4003 и другие. Материалом металлических слоев могут быть, например, медь, серебро, золото и другие. Однако материалы диэлектрических и металлических слоев не ограничены вышеперечисленными материалами.

[0066] Диафрагма 105 предназначена для контакта с кожей и вырезана в первом металлическом слое 101 в виде окна. Диафрагма 105 может иметь любую симметричную форму относительно двух осей симметрии, перпендикулярных друг другу и параллельных плоскости окна. Размер W_DIAF диафрагмы 105 по каждой из двух осей симметрии рассчитывается по формуле W_DIAF ≈ /4… /2 (1), где является длиной волны электромагнитного поля в диэлектрических слоях печатной платы. РЧ датчик 100 не повреждает кожу, поскольку он не содержит утапливаемых электродов, входящих в контакт с кожей.

[0067] Объемный резонатор образован по меньшей мере первым металлическим слоем 101, первым диэлектрическим слоем 102, вторым металлическим слоем 103 и переходными металлизированными отверстиями 106. Переходные металлизированные отверстия 106 выполнены в по меньшей мере первом диэлектрическом слое 102, стенки переходных металлизированных отверстий 106 покрыты слоем металла. Металл, покрывающий стенки переходных металлизированных отверстий 106, может быть любым металлом, используемым в технологии СВЧ печатных плат. Переходные металлизированные отверстия 106 ограничивают объемный резонатор в печатной плате и окружают диафрагму при виде сверху РЧ датчика 100. Предпочтительно, чтобы объемный резонатор имел низкий импеданс порядка 7 Ом. Однако объемный резонатор не ограничен указанным значением импеданса. Низкий импеданс объемного резонатора обеспечит хорошее согласование РЧ датчика 100 с органическими материалами, обладающими из-за содержания воды высокой диэлектрической проницаемостью и, как следствие, низким импедансом. Низкий импеданс РЧ датчика 100 обеспечит высокую чувствительность РЧ датчика 100 к изменению диэлектрических параметров органического материала. Предпочтительно, чтобы объемный резонатор был разработан для работы на второй волноводной моде ТН₁₁ электромагнитного поля, поскольку эта мода также обладает низким импедансом и обеспечивает более точное измерение увлажненности кожи. Однако объемный резонатор может быть разработан для работы на других модах электромагнитного поля, более оптимальных для других сред, в зависимости от их диэлектрических параметров.

[0068] Линия 107 питания расположена на нижней поверхности второго диэлектрического слоя 104. По меньшей мере одна часть линии 107 питания продолжается от одного края щели 109 до одного края РЧ датчика 100 при виде сверху РЧ датчика 100 и конец этой части линии 107 питания соединен с источником 202 радиочастотного (РЧ) сигнала. Источник 202 РЧ сигнала генерирует РЧ сигнал с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, и электромагнитное поле с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию 107 питания. Частота РЧ сигнала выбирается исходя из применения РЧ датчика 100 и требуемой глубины проникновения электромагнитного поля в объект, например, 1-300 ГГц, а для контроля увлажненности кожи частота РЧ сигнала предпочтительно составляет 24 ГГц. Металл для линии 107 питания может быть любым металлом, используемым в технологии СВЧ печатных плат. Линия 107 питания представляет собой микрополосковую линию, а ширина и высота микрополосковой линии выбираются, чтобы обеспечить импеданс предпочтительно 50 Ом. Однако линия 107 питания не ограничена указанным значением 50 Ом. Линия 107 питания пересекает края щели 109 в двух местах при виде сверху РЧ датчика 100. Чтобы объемный резонатор работал на второй моде ТН₁₁ электромагнитного поля, РЧ сигнал должен быть синфазным в местах пересечения линии 107 питания с краями щели 109 при виде сверху РЧ датчика 100. Синфазность РЧ сигнала в местах пересечения линии 107 питания с краями щели 109 обеспечивается длиной L линии 107 питания между краями щели 109, которая рассчитывается по формуле L ≈ /2 (2), где является длиной волны РЧ сигнала, подаваемого в линию 107 питания с учетом диэлектрических параметров диэлектрического слоя печатной платы. Линия 107 питания может иметь изгиб между краями щели 109 для обеспечения требуемой длины линии 107 питания между краями щели 109, чтобы обеспечить синфазность РЧ сигнала в местах пересечения линии 107 питания краев щели 109, как показано на фиг. 1. Синфазность РЧ сигнала в местах пересечения линии 107 питания с краями щели 109 обеспечивает отсечку других мод электромагнитного поля, поступающих в объемный резонатор. Однако объемный резонатор может работать на других модах электромагнитного поля, например, на первой моде ТЕ₁₀ электромагнитного поля. Конец линии 107 питания может быть соединен с источником 202 РЧ сигнала через любое известное соединительное средство, например, контактную площадку, штырьковый вывод, разъем и т.д. Поскольку линия 107 питания находится в нижней части РЧ датчика 100, а диафрагма 105, предназначенная для контакта с измеряемым объектом, находится в верхней части РЧ датчика 100, то исключена ошибка измерения и низкая повторяемость результатов измерения из-за отражения сигнала от места контакта с объектом, которое может меняться от измерения к измерению.

[0069] Щель 109 выполнена во втором металлическом слое 103 и расположена напротив диафрагмы 105 при виде сверху РЧ датчика 100. Щель 109 оставляет одну моду электромагнитного поля и подавляет все другие моды электромагнитного поля.

[0070] Однако на фиг. 1 показаны только один из нескольких вариантов осуществления конструкции РЧ датчика 100 для контроля увлажненности кожи, включая один из нескольких вариантов осуществления количества слоев РЧ датчика 100, один из нескольких вариантов осуществления диафрагмы 105, один из нескольких вариантов осуществления расположения переходных металлизированных отверстий 106 объемного резонатора, один из нескольких вариантов осуществления щели 109 и один из нескольких вариантов осуществления линии 107 питания.

[0071] На фиг. 1, вид сверху РЧ датчика 100, показан вариант осуществления переходных металлизированных отверстий 106 объемного резонатора, в котором форма расположения переходных металлизированных отверстий 106 представляет собой квадрат при виде сверху РЧ датчика 100. Длина стороны квадрата, в форме которого расположены переходные металлизированные отверстия 106, и, соответственно, длина стороны объемного резонатора, поскольку переходные металлизированные отверстия 106 ограничивают объемный резонатор, рассчитывается по формуле (3), где является длиной волны электромагнитного поля в диэлектрических слоях печатной платы.

[0072] На фиг. 2 показан вариант осуществления переходных металлизированных отверстий 106 объемного резонатора, в котором форма расположения переходных металлизированных отверстий 106 представляет собой круг при виде сверху РЧ датчика 100. Однако на фиг. 2 показаны только один из нескольких вариантов осуществления диафрагмы 105, один из нескольких вариантов осуществления щели 109 и один из нескольких вариантов осуществления линии 107 питания. Радиус круга, в форме которого расположены переходные металлизированные отверстия 106 рассчитывается по формуле (4), где является рабочей длиной волны РЧ датчика в свободном пространстве, а является диэлектрической проницаемостью диэлектрического слоя печатной платы.

[0073] Фиг. 3 является схематичным изображением вида спереди части РЧ датчика 100, иллюстрирующим другой вариант осуществления переходных металлизированных отверстий 106 объемного резонатора. В этом варианте осуществления переходные металлизированные отверстия 106 объемного резонатора проходят через первый металлический слой 101, первый диэлектрический слой 102, второй металлический слой 103, второй диэлектрический слой 104. Однако настоящее изобретение не ограничено этим вариантом осуществления переходных металлизированных отверстий 106 объемного резонатора. В зависимости от используемой технологии изготовления печатной платы РЧ датчика 100, переходные металлизированные отверстия 106 объемного резонатора могут быть выполненными сквозными, т.е. проходить через все слои печатной платы, или проходить сквозь несколько слоев печатной платы, не ограничиваясь первым диэлектрическим слоем 102 или вариантом осуществления, показанным на фиг. 3. Использование переходных металлизированных отверстий 106, проходящих сквозь все слои печатной платы, может значительно упростить и удешевить изготовление РЧ датчика 100.

[0074] На фиг. 1, вид сверху РЧ датчика 100, показан вариант осуществления, в котором форма щели 109 представляет собой кольцо. Внешний диаметр кольца щели 109 рассчитывается по формуле (5), является длиной волны электромагнитного поля в диэлектрических слоях печатной платы.

[0075] Фиг. 4 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика 100, иллюстрирующим другой вариант осуществления формы щели 109, в котором щель 109 имеет I-образную форму. I-образная форма представляет собой прямоугольник, причем его длинная сторона перпендикулярна линии 107 питания. Линия 107 питания пересекает щель 109 параллельно короткой стороне щели при виде сверху РЧ датчика 100. В таком варианте осуществления, линия питания пересекает щель 109 только в одной точке, поэтому не требуется добавлять отрезок линии питания для обеспечения синфазности РЧ сигнала в местах пересечения линии 107 питания с краями щели 109 при виде сверху РЧ датчика 100. Однако на фиг. 4 показаны только один из нескольких вариантов осуществления диафрагмы 105, один из нескольких вариантов осуществления расположения металлизированных отверстий 106 объемного резонатора и один из нескольких вариантов осуществления линии 107 питания. Если РЧ датчик 100 содержит щель 109, имеющую I-образную форму, то объемный резонатор работает на первой моде ТЕ₁₀ электромагнитного поля. Щель 109 I-образной формы возбуждает моду ТЕ₁₀ электромагнитного поля в объемном резонаторе и одновременно работает как блок-фильтр для высших мод ТЕ₁₁ и TH₁₁ электромагнитного поля, выступающих в данном случае как паразитные. Длина щели 109 I-образной формы составляет примерно (6), а ширина щели 109 I-образной формы составляет примерно (7), где является рабочей длиной волны РЧ датчика 100 в свободном пространстве, а является диэлектрической проницаемостью диэлектрического слоя печатной платы. При измерении увлажненности кожи чувствительность объемного резонатора в режиме моды TE₁₀ меньше, чем чувствительность объемного резонатора в режиме моды TH₁₁. Импеданс объемного резонатора в режиме моды TE₁₀ выше, а его согласование с измеряемыми объектами с низким импедансом, такими как кожа и другие биообъекты, более низкое, чем при работе РЧ датчика 100 на моде ТН₁₁. В результате реакция РЧ датчика 100 на биоматериалы снижается из-за малого импеданса биообъектов. Конструкция РЧ датчика 100, содержащего щель 109 I-образной формы более эффективна для измерений объектов с высоким импедансом, т.е. с малой диэлектрической проницаемостью и малой проводимостью.

[0076] Фиг. 5 является схематичным изображением вида сверху РЧ датчика 100, иллюстрирующим другой вариант осуществления формы щели 109, в котором щель 109 имеет Н-образную форму, и центральный участок щели 109 Н-образной формы перпендикулярен линии 107 питания. Линия 107 питания пересекает щель 109 по центральному участку щели 109, перпендикулярно центральному участку щели при виде сверху РЧ датчика 100. В таком варианте осуществления, линия питания пересекает щель 109 только в одной точке, поэтому не требуется добавлять отрезок линии питания для обеспечения синфазности РЧ сигнала в местах пересечения линии 107 питания с краями щели 109 при виде сверху РЧ датчика 100. Однако на фиг. 5 показаны только один из нескольких вариантов осуществления диафрагмы 105, один из нескольких вариантов осуществления расположения металлизированных отверстий 106 объемного резонатора и один из нескольких вариантов осуществления линии 107 питания. Если РЧ датчик 100 содержит щель 109 Н-образной формы, то объемный резонатор работает на первой моде ТЕ₁₀ электромагнитного поля. Щель 109 Н-образной формы возбуждает моду ТЕ₁₀ электромагнитного поля в объемном резонаторе и одновременно работает как блок-фильтр для высших мод ТЕ₁₁ и TH₁₁ электромагнитного поля, выступающих в данном случае как паразитные. Суммарная длина щели 109 Н-образной формы, учитывая все ответвления, составляет примерно (6), а ширина щели 109 составляет примерно (7), где является является рабочей длиной волны РЧ датчика в свободном пространстве, а является диэлектрической проницаемостью диэлектрического слоя печатной платы. При измерении увлажненности кожи чувствительность объемного резонатора в режиме моды TE₁₀ меньше, чем чувствительность объемного резонатора в режиме моды TH₁₁. Импеданс объемного резонатора в режиме моды TE₁₀ выше, а его согласование с измеряемыми объектами с низким импедансом, такими как кожа и другие биообъекты, более низкое, чем при работе РЧ датчика 100 на моде ТН₁₁. В результате реакция РЧ датчика 100 на биоматериалы снижается из-за малого импеданса биообъектов. Конструкция РЧ датчика 100, содержащего щель 109 Н-образной формы более эффективна для измерений объектов с высоким импедансом, т.е. с малой диэлектрической проницаемостью и малой проводимостью.

[0077] Фиг. 6 является схематичным изображением вида спереди и вида сбоку части РЧ датчика 100, иллюстрирующим вариант осуществления, в котором РЧ датчик содержит третий диэлектрический слой 111 и третий металлический слой 112. На фиг. 6 показан только один из нескольких вариантов осуществления линии 107 питания. Печатная плата может дополнительно содержать третий диэлектрический слой 11 и третий металлический слой 112. Третий диэлектрический слой 111 расположен под вторым диэлектрическим слоем 104, а третий металлический слой 112 расположен под третьим диэлектрическим слоем 111. Линия 107 питания покрыта третьим диэлектрическим слоем 111. При такой конструкции РЧ датчика 100 линия 107 питания изолирована диэлектрическими слоями 104 и 111. При такой конструкции РЧ датчика 100 можно выбрать удобный для изготовления тип линии 107 питания в зависимости от конструкции печатной платы.

[0078] На фиг. 1, вид сверху и вид в разрезе по линии А-А РЧ датчика 100, показан вариант осуществления, в котором одна часть линии 107 питания продолжается от одного края щели 109 до одного края РЧ датчика 100 при виде сверху РЧ датчика 100, и конец этой части линии 107 питания соединен с источником 202 РЧ сигнала, а конец другой части линии 107 питания, закорочен на второй металлический слой 103 с помощью переходного металлизированного отверстия 108 линии 107 питания, проходящего через второй диэлектрический слой 104. Стенка переходного металлизированного отверстия 108 покрыта слоем металла. Металл, покрывающий стенку переходного металлизированного отверстия 108, может быть любым металлом, используемым в технологии СВЧ печатных плат. Длина L_SHORT другой части линии 107 питания, закороченной на второй металлический слой 103 с помощью переходного металлизированного отверстия 108, от другого края щели 109 до переходного металлизированного отверстия 108 рассчитывается по формуле L_SHORT ≈ /2 (8), где является длиной линии 107 питания от другого края щели 109 до переходного металлизированного отверстия 108, а является длиной волны электромагнитного поля в диэлектрических слоях печатной платы. Один край щели 109 находится осесимметрично относительно другого края щели 109.

[0079] На фиг. 7 показан вариант осуществления, в котором одна часть линии 107 питания продолжается от одного края щели 109 до одного края РЧ датчика 100 при виде сверху РЧ датчика 100, и конец этой части линии 107 питания соединен с источником 202 РЧ сигнала, а конец другой части линии 107 питания выполнен разомкнутым для работы в режиме холостого хода. Другая часть линии 107 питания, продолжающаяся от другого края щели 109 до конца другой части линии 107 питания, для компактности, может быть выполнена с одиночным изгибом под произвольным углом или множественными изгибами. Один край щели 109 находится осесимметрично относительно другого края щели 109. Длина L_SHORT участка другой части линии 107 питания, продолжающегося от другого края щели 109 до разомкнутого конца линии 107 питания составляет примерно L_SHORT ≈ (9), где является длиной волны электромагнитного поля в диэлектрических слоях печатной платы. Такая конструкция линии 107 питания позволяет упростить изготовление РЧ датчика 100.

[0080] На фиг. 8 показан вариант осуществления, в котором один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания является выходом для РЧ сигнала, принятого РЧ датчиком при измерении. Одна часть линии 107 питания продолжается от одного края щели 109 до одного края РЧ датчика 100, а другая часть линии 107 питания продолжаются от другого края щели 109 до другого края РЧ датчика 100 при виде сверху РЧ датчика 100. Один край щели 109 находится напротив другого края щели 109. Один край РЧ датчика 100 находится напротив другого края РЧ датчика 100. Такая конструкция линии 107 питания позволяет работать с двух портовыми источниками питания и микросхемами управления РЧ сигналом.

[0081] Фиг. 9 является схематичным изображением вида в разрезе РЧ датчика 100 по линии А-А, показанной на фиг. 1, иллюстрирующим вариант осуществления РЧ датчика 100, содержащего защитный диэлектрический слой. РЧ датчик 100 может быть покрыт защитным диэлектрическим слоем 110. Защитный диэлектрический слой 110 покрывает диафрагму 105 и верхнюю поверхность первого металлического слоя 101. Защитный диэлектрический слой 110 обеспечивает защиту РЧ датчика 100 от нежелательного внешнего воздействия и обеспечивает более эстетичный вид РЧ датчика 100.

[0082] Если какой-либо диэлектрический слой или все диэлектрические слои стандартной печатной платы тоньше, чем требуется для обеспечения любых требуемых характеристик РЧ датчика 100, например, толщины объемного резонатора РЧ датчика 100 и т.п., то в еще одном варианте осуществления какой-либо диэлектрический слой или все диэлектрические слои, т.е. по меньшей мере один диэлектрический слой может быть выполнен из множества слоев диэлектрика для обеспечения требуемых характеристик РЧ датчика 100.

[0083] Следует понимать, что на фиг. 1-9 изображены не все варианты осуществления РЧ датчика 100. Фиг. 1-9 предназначены для иллюстрации и пояснения разных вариантов осуществления элементов РЧ датчика 100. РЧ датчик 100 может содержать любую комбинацию вариантов осуществления элементов РЧ датчика 100.

[0084] РЧ датчик 100 для контроля увлажненности кожи встраивается в устройство 200 для контроля увлажненности кожи. Устройство 200 может быть любым носимым и/или портативным устройством, например, смартфоном, интеллектуальными часами, стилусом для планшетного компьютера и т.д. Однако устройства, в которые может быть встроен РЧ датчик 100 для контроля увлажненности кожи не ограничены вышеперечисленными носимыми и/или портативными устройствами.

[0085] Фиг. 10 является блок-схемой варианта осуществления устройства 200 для контроля увлажненности кожи. Устройство 200 для контроля увлажненности кожи содержит блок 201 управления, по меньшей мере один РЧ датчик 100 по любому из вариантов осуществления РЧ датчика 100 и источник 202 РЧ сигнала. Блок 201 управления выполнен с возможностью управления устройством 200 для контроля увлажненности кожи. Блок 201 управления может быть выполнен, например, в виде интегральной схемы. Источник 202 РЧ сигнала выполнен с возможностью генерации РЧ сигнала с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн и подачи РЧ сигнала в линию 107 питания по меньшей мере одного РЧ датчика 100. Источник 202 РЧ сигнала может быть выполнен, например, в виде интегральной схемы.

[0086] Фиг. 11 является блок-схемой другого варианта осуществления устройства 200 для контроля увлажненности кожи. В этом варианте осуществления устройство 200 для контроля увлажненности кожи может дополнительно содержать по меньшей мере два РЧ датчика 100 по любому из вариантов осуществления РЧ датчика 100. Частоты работы РЧ датчиков 100 отличаются друг от друга. РЧ датчики 100 с разной частотой работы измеряют содержание воды на разных глубинах проникновения электромагнитного поля в измеряемый объект, что позволяет более точно измерять содержание воды в измеряемом объекте.

[0087] Фиг. 12 является блок-схемой еще одного варианта осуществления устройства для контроля увлажненности кожи. В этом варианте осуществления устройство 200 для контроля увлажненности по любому из вариантов осуществления устройства 200 может дополнительно содержать по меньшей мере один вспомогательный датчик 205, процессор 203 и память 204. Вспомогательный датчик 205 может быть любым датчиком, обеспечивающим измерение одного из множества параметров окружающей среды или одного из множества параметров организма человека. Процессор 203 обеспечивает работу обученной модели искусственного интеллекта (ИИ). Память 204 хранит обученную модель ИИ. Обученная модель ИИ обрабатывает результаты измерения по меньшей мере одного РЧ датчика 100 для прогнозирования увлажненности кожи и по меньшей мере одного вспомогательного датчика 205.

[0088] Создание конкретных алгоритмов для машинного обучения модели ИИ является нетривиальной задачей с множеством различных параметров и этапов. Машинное обучение предполагает наличие самообучающихся структур, таких как нейронные сети, использующие нейросетевые алгоритмы. Причем для нейросетей как многомерных нелинейных объектов управления формируются алгоритмы настройки множества весовых коэффициентов. Основные этапы построения алгоритмов настройки включают в себя исследование характеристик входного сигнала для различных режимов работы, указание так называемого учителя нейронной сети, выбор критериев оптимизации, разработка алгоритмов поиска экстремумов функционалов оптимизации, построение алгоритмов адаптации коэффициентов, анализ надежности методов диагностики и др. (Большая Российская Энциклопедия т.33, Москва, Научное Издательство» Большая Российская Энциклопедия», т. 22, 2013, с. 300-301, https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/4114009).

[0089] Существуют математические модели, описывающие диэлектрические параметры биотканей (кожи человека) в зависимости от содержания в них воды (увлажненности эпидермиса). Однако, не все параметры подобных моделей являются непосредственно измеряемыми с помощью РЧ датчиков. Они также могут коррелировать с другими физическими параметрами, такими как температура тела, температура поверхности кожи, температура окружающей среды, артериальное давление, которые можно детектировать при помощи различных датчиков. Физические параметры не ограничены вышеперечисленными параметрами и могут быть любыми из множества параметров окружающей среды или из множества параметров организма человека. Другими влияющими факторами могут быть пол и возраст пользователя, место приложения РЧ датчика. Поэтому прогнозирование увлажненности кожи, а также улучшение полезного сигнала и исключение паразитного влияния различных физических факторов, при помощи машинного обучения является более точным методом.

[0090] Возможные методы выбора и обработки признаков:

Relief-F, в котором вычисляется и нормализуется вектор весов признаков, а затем отбираются признаки, вес которых превышает значение заданного порога;

Выбор признаков на основе корреляции (Correlation-based Feature Selection, CFS) сочетает оценочную формулу с соответствующей корреляционной мерой и эвристической стратегией поиска;

Фильтр на основе быстрой корреляции (Fast Correlation Based Filter) начинает работать с полным множеством признаков, использует меру симметричной неопределенности для определения зависимостей между признаками и позволяет выбрать подмножество путем поиска и последовательного исключения малоинформативных признаков;

Последовательный выбор признаков (Sequential forward feature selection, SFFS) на каждой итерации добавляет к набору признак, обеспечивающий наилучшую для данной итерации эффективность распознавания;

Метод взаимной информации (Mutual Information) определяет нелинейную корреляционную зависимость взамен вычисления корреляции Пирсона «признак-признак» и «признак-метка».

[0091] Для машинного обучения модели ИИ используются базовые алгоритмы. В качестве рабочего решения может использоваться комбинация указанных методов и любые производные методы, в основу которых входит базовый алгоритм:

Деревья решений (Decision Tree) / Случайный лес (Random Forests);

Метод опорных векторов (Support Vector Machines);

Наивный байесовский метод (Naive Bayes);

Линейный анализ (Linear Analysis);

Логистическая регрессия (Logistic Regression);

Методы глубокого обучения - искусственные нейросети.

[0092] Вышеприведенные описания вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными, и модификации конфигурации и реализации не выходят за пределы объема настоящего описания. Например, хотя варианты осуществления изобретения описаны, в общем, в связи с фигурами 1-12, приведенные описания являются примерными. Хотя предмет изобретения описан на языке, характерном для конструктивных признаков или методологических операций, понятно, что предмет изобретения не обязательно ограничен конкретными вышеописанными признаками или операциями. Более того, конкретные вышеописанные признаки и операции раскрыты как примерные формы реализации формулы изобретения.

[0093] Соответственно предполагается, что объем вариантов осуществления изобретения ограничивается только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к измерительной технике. Радиочастотный (РЧ) датчик для контроля увлажненности кожи, причем упомянутый РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, при этом упомянутый РЧ датчик содержит: печатную плату, содержащую по меньшей мере первый металлический слой, первый диэлектрический слой, второй металлический слой и второй диэлектрический слой, расположенные в указанном порядке сверху вниз датчика; диафрагму, предназначенную для контакта с кожей и выполненную в виде окна в первом металлическом слое, причем диафрагма имеет симметричную форму относительно двух осей симметрии, перпендикулярных друг другу и параллельных плоскости окна; объемный резонатор, образованный по меньшей мере первым металлическим слоем, первым диэлектрическим слоем, вторым металлическим слоем и переходными металлизированными отверстиями, выполненными в по меньшей мере первом диэлектрическом слое и ограничивающими объемный резонатор в печатной плате, причем переходные металлизированные отверстия окружают диафрагму при виде сверху; линию питания, расположенную на нижней поверхности второго диэлектрического слоя, причем по меньшей мере один конец линии питания соединен с источником радиочастотного (РЧ) сигнала, генерирующим РЧ сигнал с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, и причем электромагнитное поле с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания; и щель, выполненную во втором металлическом слое и расположенную напротив диафрагмы при виде сверху, причем щель возбуждает одну моду электромагнитного поля в объемном резонаторе и подавляет все другие моды электромагнитного поля. Технический результат – повышение точности и повторяемость измерений, повышение чувствительности датчика. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Радиочастотный (РЧ) датчик для контроля увлажненности кожи, причем упомянутый РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, при этом упомянутый РЧ датчик содержит:

печатную плату, содержащую по меньшей мере первый металлический слой, первый диэлектрический слой, второй металлический слой и второй диэлектрический слой, расположенные в указанном порядке сверху вниз датчика;

диафрагму, предназначенную для контакта с кожей и выполненную в виде окна в первом металлическом слое, причем диафрагма имеет симметричную форму относительно двух осей симметрии, перпендикулярных друг другу и параллельных плоскости окна;

объемный резонатор, образованный по меньшей мере первым металлическим слоем, первым диэлектрическим слоем, вторым металлическим слоем и переходными металлизированными отверстиями, выполненными в по меньшей мере первом диэлектрическом слое и ограничивающими объемный резонатор в печатной плате, причем переходные металлизированные отверстия окружают диафрагму при виде сверху;

линию питания, расположенную на нижней поверхности второго диэлектрического слоя, причем по меньшей мере один конец линии питания соединен с источником радиочастотного (РЧ) сигнала, генерирующим РЧ сигнал с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн, и причем электромагнитное поле с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания; и

щель, выполненную во втором металлическом слое и расположенную напротив диафрагмы при виде сверху, причем щель возбуждает одну моду электромагнитного поля в объемном резонаторе и подавляет все другие моды электромагнитного поля.

2. РЧ датчик по п. 1, в котором форма расположения переходных металлизированных отверстий объемного резонатора представляет собой квадрат при виде сверху.

3. РЧ датчик по п. 1, в котором форма расположения переходных металлизированных отверстий объемного резонатора представляет собой круг при виде сверху.

4. РЧ датчик по любому из пп. 1-3, в котором переходные металлизированные отверстия объемного резонатора проходят сквозь первый металлический слой, первый диэлектрический слой, второй металлический слой и второй диэлектрический слой.

5. РЧ датчик по любому из пп. 1-4, в котором форма щели представляет собой кольцо.

6. РЧ датчик по любому из пп. 1-4, в котором щель имеет I-образную форму, при этом линия питания пересекает щель параллельно короткой стороне щели при виде сверху.

7. РЧ датчик по любому из пп. 1-4, в котором щель имеет Н-образную форму, при этом линия питания пересекает щель по центральному участку щели, перпендикулярно центральному участку щели при виде сверху.

8. РЧ датчик по любому из пп. 1-7, в котором печатная плата дополнительно содержит третий диэлектрический слой и третий металлический слой,

при этом третий диэлектрический слой расположен под вторым диэлектрическим слоем, а третий металлический слой расположен под третьим диэлектрическим слоем, и

при этом линия питания покрыта третьим диэлектрическим слоем.

9. РЧ датчик по любому из пп. 1-8, в котором один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания закорочен на второй металлический слой с помощью переходного металлизированного отверстия линии питания, выполненного во втором диэлектрическом слое.

10. РЧ датчик по любому из пп. 1-8, в котором один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания выполнен разомкнутым для работы в режиме холостого хода.

11. РЧ датчик по любому из пп. 1-8, в котором один конец линии питания соединен с источником РЧ сигнала, а другой конец линии питания является выходом для РЧ сигнала, принятого РЧ датчиком при измерении.

12. РЧ датчик по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащий защитный диэлектрический слой, расположенный на диафрагме и верхней поверхности первого металлического слоя.

13. РЧ датчик по любому из пп. 1-12, в котором по меньшей мере один диэлектрический слой состоит из множества слоев диэлектрика.

14. РЧ датчик по любому из пп. 1-13, в котором РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте 1-300 ГГц, частота РЧ сигнала, подаваемого в линию питания, составляет 1-300 ГГц, причем электромагнитное поле с частотой 1-300 ГГц поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания.

15. РЧ датчик по любому из пп. 1-14, в котором РЧ датчик выполнен с возможностью работы на частоте 24 ГГц, частота РЧ сигнала, подаваемого в линию питания, составляет 24 ГГц, причем электромагнитное поле с частотой 24 ГГц поступает в РЧ датчик при подаче РЧ сигнала в линию питания.

16. Устройство для контроля увлажненности кожи, содержащее:

блок управления, выполненный с возможностью управления устройством для контроля увлажненности кожи;

по меньшей мере один радиочастотный (РЧ) датчик по любому из пп. 1-15; и

источник радиочастотного (РЧ) сигнала, выполненный с возможностью генерации РЧ сигнала с частотой сантиметрового-миллиметрового диапазона длин волн и подачи РЧ сигнала в линию питания по меньшей мере одного РЧ датчика.

17. Устройство для контроля увлажненности кожи по п. 16, содержащее по меньшей мере два РЧ датчика по любому из пп. 1-15, при этом частоты работы РЧ датчиков отличаются друг от друга.

18. Устройство для контроля увлажненности кожи по п. 16 или 17, дополнительно содержащее:

по меньшей мере один вспомогательный датчик, при этом вспомогательный датчик предназначен для измерения одного из множества параметров окружающей среды или одного из множества параметров организма человека;

процессор; и

память, в которой хранится обученная модель искусственного интеллекта для прогнозирования увлажненности кожи с использованием результатов измерения по меньшей мере одного РЧ датчика и по меньшей мере одного вспомогательного датчика.