Untethered Batteryfree Biomonitoring Stickers Using Far Field Energy Harvesting

Abstract

Nos últimos anos, os dispositivos bioeletrónicos vestíveis têm suscitado bastante interesse, devido ás suas vastas aplicações, como na internet médica das coisas, na saúde digital, e na hospitalizacao domiciliar. Entre eles, os adesivos eletrónicos flexíveis e elásticos são interessantes, pois podem levar a sistemas ultrafinos, confortáveis, impercetíveis e que se adaptam á pele, que efetuem monitorização a longo prazo do paciente. No entanto, como qualquer outro dispositivo móvel, o principal fator limitante é a fonte de energia, o que é um problema ainda maior para os dispositivos eletrónicos flexíveis que prometem redução do número de componentes mecanicamente rígidos usados nesses sistemas. Por este motivo, a transferência de energia sem fios é uma possível solução para recarregar e até mesmo fornecer energia contínua para esses tipos de dispositivos. Nesta dissertação estudámos a viabilidade de usar a transmissão de energia pelo campo distante, a fim de alimentar continuamente os adesivos eletrónicos de biomonitorização. O objetivo final é chegar a um ponto onde os dados eletrofisiológicos do corpo humano possam ser adquiridos e transmitidos por tecnologia sem fios, usando adesivos eletrónicos totalmente passivos, desconectados e sem bateria, que fazem interface com a epiderme humana. Para tal, foram desenhadas, otimizadas, fabricadas e caracterizadas uma série de antenas para transferência de energia por radiofrequência, incluindo antenas impressas, flexíveis e extensíveis. Foram comparados os desempenhos de cada antena com as suas dimensões, substratos, material condutor, distância ao transmissor de radiofrequência, etc. Após vários designs evolutivos, obtivemos um desenho da antena otimizado que é menos sensível á proximidade com o corpo humano, e fornece uma captação de energia promissora de 0.0825mW/cm2 a uma distância de 30 cm. De seguida, mostramos que, usando este Sistema numa faixa peitoral vestível de 20cm2, é possível alimentar um dispositivo de medição de eletrocardiograma a uma distância de 55 cm. Os resultados em geral são satisfatórios e mantêm a promessa de cumprir os adesivos de biomonitorização totalmente sem fios num futuro próximo.

In the last few years, wearable bioelectronics received an increasing interest due to their applications in Internet of Medical Things (IoMT), digital healthcare, and domiciliary hospitalization. Among those, soft and stretchable bioelectronics patches are interesting, as they can lead to ultrathin, imperceptible, comfortable, and skinconformable systems for long term patient monitoring. However, as any other mobile devices, the main limiting factor is the power source, which is even a bigger problem for soft electronics that hold the promise to reduce the number of mechanically rigid components that are used in these systems. For this reason, Wireless Power Transfer (WPT) has been of interest for recharging and even supplying continuous power to these types of devices. In this dissertation we study the feasibility of using the far-field energy harvesting, in order to continuously power biomonitoring patches. The ultimate goal is to reach a point where electrophysiological data from the human body can be acquired and wirelessly transmitted, using fully passive, untherthered, and batteryless patches, that interface with the human skin. To do so, we designed, optimized, fabricated and characterized a series of wearable Radio Frequency (RF) WPT antennas, including printed, soft, and stretchable antennas and compared their performance against design parameters, the substrate material, the conductive material, distance from the harvester, etc. After several evolutionary designs, we obtained an optimal printed antenna design that is less sensitive to the body proximity, and provides a promising energy harvesting of 0.0825mW/cm2 at a 30 cm distance. We then show that by occupying 20cm2 of a wearable chest-band with an antenna, this system can be used to power an Electrocardiogram (ECG) measurement device at a distance of 55 cm. The overall results are satisfactory, and hold the promise for fulfilling the fully wireless biomonitoring patches in near future.