Design and fabrication of a compact, flexible and biocompatible antenna for wearable sensing applications

High wearability and low intrusivity are increasingly common characteristics of new generations of electronic personal devices. Given the high number of devices used by the average person daily, having small and non-invasive devices becomes more and more important. In this scenario, wireless commu- nications are crucial to open the door to new generations of wearable nodes connected to wireless sensor networks. In this technological transition, an- tennas play a fundamental role. Antennas for these new applications have to face several challenges. Firstly, the compactness of the footprint. Sec- ondly, the flexibility of the substrate, improving the yield of the majority of non-invasive and wearable systems. Thirdly, optimal radiation properties, that combining high gains with low Specific Absorption Reference (SAR), minimize the risks on the human body application. All these peculiarities are very difficult to achieve and require several advanced techniques such as artificial intelligence algorithms fabricated using advanced manufacturing processes. In this thesis work, several wearables and flexible antennas for remote sensing platforms are exposed. The antennas are designed using sev- eral approaches to minimize their dimensions without affecting the radiation properties. Moreover, the effects on the human body are carefully evaluated using Finite-Different Time-Domain (FDTD) solvers. Finally, the integra- tion of wearable antennas in a real scenario is presented. More in detail, the integration of wearable and biocompatible piezoelectric sensors with flexi- ble patch antennas is described. The obtained radiofrequency system has a lightweight profile, is very compact and low consuming, and can monitor the Heart Rate (HR) of one to multiple patients from remote.

L'elevata indossabilità e la bassa intrusività sono caratteristiche sempre più comuni alle nuove generazioni di dispositivi elettronici personali. Dato l'elevato numero di dispositivi utilizzati quotidianamente da una persona, avere dispositivi piccoli e non invasivi diventa sempre più importante. In questo scenario, le comunicazioni wireless sono fondamentali per aprire le porte a nuove generazioni di nodi indossabili connessi a reti di sensori wireless. In questa transizione tecnologica, le antenne giocano un ruolo fondamentale. Le antenne per queste nuove applicazioni devono affrontare diverse sfide. In primo luogo, la compattezza dell'ingombro. In secondo luogo, la flessibilità del substrato, che migliora la resa della maggior parte dei sistemi non invasivi e indossabili. In terzo luogo, le proprietà ottimali di radiazione, che combinano alti guadagni con un basso tasso di assorbimento specifico (SAR), riducendo al minimo i rischi per l'applicazione sul corpo umano. Tutte queste peculiarità sono molto difficili da ottenere e richiedono diverse tecniche avanzate, come algoritmi di intelligenza artificiale realizzati con processi produttivi avanzati. In questo lavoro di tesi vengono presentate diverse antenne indossabili e flessibili per piattaforme di sensing remote. Le antenne sono state progettate utilizzando diversi approcci per ridurre al minimo le loro dimensioni senza influenzare le proprietà di radiazione. Inoltre, gli effetti sul corpo umano sono stati attentamente valutati utilizzando solutori FDTD (Finite-Different Time-Domain). Infine, viene presentata l'integrazione delle antenne indossabili in uno scenario reale. Più in dettaglio, viene descritta l'integrazione di sensori piezoelettrici indossabili e biocompatibili con antenne patch flessibili. Il sistema a radiofrequenza ottenuto ha un profilo leggero, è molto compatto e a basso consumo e può monitorare la frequenza cardiaca di uno o più pazienti da remoto.