CN105339783A - 眼科电化学传感器中的对称布置的传感器电极 - Google Patents

眼科电化学传感器中的对称布置的传感器电极 Download PDF

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Abstract

一种可眼戴设备包括嵌入在被配置用于安装到眼睛的表面的聚合物材料中的电化学传感器。该电化学传感器包括工作电极、参比电极和选择性地与分析物反应的试剂以生成与可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的传感器测量值。工作电极可具有第一侧边缘和第二侧边缘。参比电极可被定位成使得工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与参比电极的相应区段相邻。

Description

眼科电化学传感器中的对称布置的传感器电极
背景技术
除非本文另外指出，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。
电化学安培传感器通过在传感器的工作电极处测量通过分析物的电化学氧化或还原反应生成的电流来测量分析物的浓度。还原反应发生在电子被从电极转移到分析物时，而氧化反应发生在电子被从分析物转移到电极时。电子转移的方向取决于由恒电势器施加到工作电极的电势。对电极和/或参比(reference)电极用于与工作电极一起完成电路并允许生成的电流流动。当工作电极被适当地偏置时，输出电流与反应速率成比例，这提供了工作电极周围的分析物的浓度的度量。
在一些示例中，一种试剂被局域化为接近在工作电极以选择性地与期望的分析物反应。例如，葡萄糖氧化酶可被固定在工作电极附近以与葡萄糖反应并释放过氧化氢，过氧化氢随后被工作电极以电化学方式检测到以指示葡萄糖的存在。其他酶和/或试剂可被用于检测其他分析物。
发明内容
一种眼科设备包括电化学传感器，该电化学传感器被配置为基于该眼科设备被暴露于的溶液中的分析物浓度来生成传感器读数。该电化学传感器包括工作电极和参比电极，该工作电极和参比电极被布置成使得工作电极的一些部分在相对各侧被参比电极的一些部分至少局部围绕。在向传感器电极上施加电压时，工作电极的被围绕部分产生在相对各侧之间基本对称的电压梯度。两相对侧因此处于相似电压并且两侧边缘可以按相似的效力引起电化学反应。相对于工作电极只具有一个边缘与参比电极相邻的布置，对称布置提供了工作电极与参比电极面对的边缘的相对更大的长度。
本公开的一些实施例提供了一种可眼戴设备(eye-mountabledevice)，其包括聚合物材料、基板、天线、电化学传感器和控制器。聚合物材料可具有凹表面和凸表面。凹表面可被配置为可移除地安装在角膜表面上并且凸表面被配置为在凹表面被如此安装时与眼睑运动相容。基板可至少部分嵌入在聚合物材料内。天线可部署在基板上。电化学传感器可部署在基板上并且可包括工作电极和参比电极。工作电极可具有第一侧边缘和第二侧边缘。参比电极可被定位成使得工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与参比电极的相应区段相邻。控制器可电连接到电化学传感器和天线。控制器可被配置为：(i)在工作电极与参比电极之间施加电压，该电压足以生成与可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的安培电流；(ii)测量安培电流；以及(iii)使用天线来指示测量到的安培电流。
本公开的一些实施例提供了一种包括可眼戴设备和读取器的系统。该可眼戴设备可包括聚合物材料、基板、天线、电化学传感器和控制器。聚合物材料可具有凹表面和凸表面。凹表面可被配置为可移除地安装在角膜表面上并且凸表面被配置为在凹表面被如此安装时与眼睑运动相容。基板可至少部分嵌入在聚合物材料内。天线可部署在基板上。电化学传感器可部署在基板上并且可包括工作电极和参比电极。工作电极可具有第一侧边缘和第二侧边缘。参比电极可被定位成使得工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与参比电极的相应区段相邻。控制器可电连接到电化学传感器和天线。控制器可被配置为：(i)在工作电极与参比电极之间施加电压，该电压足以生成与可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的安培电流；(ii)测量安培电流；以及(iii)使用天线来指示测量到的安培电流。读取器可包括一个或多个天线和处理系统。一个或多个天线可被配置为：(i)发送射频辐射来对可眼戴设备供电，以及(ii)经由在一个或多个天线处接收的反向散射(backscatter)辐射来接收测量到的安培电流的指示。处理系统可被配置为基于反向散射辐射来确定泪膜分析物浓度值。
本公开的一些实施例包括一种设备。该设备可包括生物相容聚合物材料、基板、天线、电化学传感器和控制器。基板可至少部分嵌入在生物相容聚合物材料内。天线可部署在基板上。电化学传感器可部署在基板上并且可包括工作电极和参比电极。工作电极可具有第一侧边缘和第二侧边缘。参比电极可被定位成使得工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与参比电极的相应区段相邻。控制器可电连接到电化学传感器和天线。控制器可被配置为：(i)在工作电极与参比电极之间施加电压，该电压足以生成与可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的安培电流；(ii)测量安培电流；以及(iii)使用天线来指示测量到的安培电流。
本公开的一些实施例提供了一种包括聚合物材料的可眼戴设备。该可眼戴设备可包括电化学传感器，该电化学传感器具有用于从暴露于包括分析物的溶液的传感器电极生成安培电流的装置。传感器电极可包括用于向工作电极的多于一侧提供大致对称的电压梯度的装置。
通过酌情参考附图阅读以下详细描述，这些以及其他方面、优点和替换方案对于本领域普通技术人员将变得清楚。
附图说明
图1是包括与外部读取器进行无线通信的可眼戴设备的示例系统的框图。
图2A是示例可眼戴设备的顶视图。
图2B是图2A所示的示例可眼戴设备的侧视图。
图2C是图2A和2B所示的示例可眼戴设备在安装到眼睛的角膜表面时的侧截面图。
图2D是被增强来示出当如图2C所示安装示例可眼戴设备时围绕该示例可眼戴设备的表面的泪膜层的侧截面图。
图3是用于以电化学方式测量泪膜分析物浓度的示例系统的功能框图。
图4A是用于操作可眼戴设备中的电化学传感器以测量泪膜分析物浓度的示例过程的流程图。
图4B是用于操作外部读取器来询问可眼戴设备中的电化学传感器以测量泪膜分析物浓度的示例过程的流程图。
图5A示出了电化学传感器检测从泪膜通过聚合物材料扩散的分析物的示例配置。
图5B示出了电化学传感器检测经由聚合物材料中的沟道接触传感器的泪膜中的分析物的示例配置。
图5C示出了电化学传感器检测从泪膜通过聚合物材料的薄化(thinned)区域扩散的分析物的示例配置。
图6A图示了电化学传感器中的电极的一个示例对称布置。
图6B图示了电化学传感器中的电极的另一个示例对称布置。
图7A图示了部署在扁平环状基板的表面上的电化学传感器中的电极的示例共面布置。
图7B图示了当嵌入在具有被定位成暴露电化学传感器电极的沟道的聚合物材料中时图7A中的布置。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成描述的一部分的附图。在附图中，相似的符号通常标识相似的组件，除非上下文另有指示。详细描述、附图和权利要求书中描述的例示性实施例并不欲进行限定。可以利用其他实施例，并且可以作出其他改变，而不脱离本文给出的主题的范围。将容易理解，本文概括描述并且在附图中图示的本公开的各方面可按许多种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在这里都明确地设想到了。
I.概述
眼科感测平台可包括电化学传感器、控制电子器件和天线，它们全都位于嵌入在被形成为接触式安装到眼睛的聚合物材料中的基板上。控制电子器件可操作传感器以执行读数并且可操作天线以将读数从传感器经由天线无线地传达到外部读取器。聚合物材料可以是圆形镜片的形式，该圆形镜片具有被配置为安装到眼睛的角膜表面的凹曲率。基板可被嵌入在聚合物材料的周界附近以避免干扰在更靠近角膜的中央区域处接收的入射光。传感器可被布置在基板上、在远离角膜表面的方向上朝外。聚合物材料中的沟道可将传感器电极暴露于覆盖聚合物材料的外表面的泪膜，诸如由眼睑运动分布的泪膜。
眼科感测平台可经由在该感测平台处采集的辐射能量来供电。电力可由感测平台上包括的光供能光伏电池来提供。额外地或替换地，电力可由从天线采集的射频能量来提供。整流器和/或调节器可与控制电子器件相结合来生成稳定的DC电压以从采集的能量对感测平台供电。天线可被布置为具有连接到控制电子器件的引线的导电(conductive)材料的环。在一些实施例中，这种环状天线也可通过修改环状天线的阻抗以修改来自天线的反向散射辐射来将传感器读数无线地传达到外部读取器。
人类泪液包含多种无机电解质(例如，Ca2+、Mg2+、Cl-)、有机溶剂(例如，葡萄糖、乳酸盐等等)、蛋白质和脂肪。具有可测量这些成分中的一者或多者的一个或多个传感器的接触镜片提供了一种方便的非侵入性平台来诊断或监视健康相关问题。一个示例是葡萄糖感测接触镜片，其有可能用于糖尿病患者以监视和控制其血糖水平。
可包括恒电势器的控制器连接到电极以相对于参比电极偏置工作电极，同时监视两者之间的电流。工作电极被偏置到适当的电势以生成特定分析物的电化学反应。被监视的电流于是提供了分析物浓度的指示。
在具有两个电极的电化学传感器中，生成电流的电化学反应倾向于沿着工作电极在最靠近参比电极的点处(例如，两个电极之间局部电压梯度最大处)以最大效率发生。在本文公开的一些实施例中，工作电极包括下述区段：该区段在相对的各侧边缘上被参比电极的相应区段所围绕。工作电极面向参比电极的边缘的增大的长度(例如，两个侧边缘相对于一个)从而可增大电化学反应的反应面积，因为反应沿着工作电极被参比电极围绕的部分的两个相对侧边缘对称地发生。包含这种对称电极布置的传感器对于给定的分析物浓度可生成相对更大的安培电流，从而增强这种传感器的灵敏度。另外，本文公开的对称电极布置可有效地增大传感器电极的反应面积(例如，与工作电极的邻近参比电极的侧边缘紧邻的区域)，而不大幅(substantially)增加总电极大小。
特定传感器生成的安培电流取决于——除了其他因素以外——工作电极上的发生还原或氧化反应处的电化学反应区域的大小。这种生成电流的反应在工作电极处优先沿着工作电极最靠近参比电极的边缘(即，电流梯度最大处)发生。从而，给定电化学传感器的反应区域的大小至少部分由邻近参比电极的部分的工作电极侧边缘的长度决定。
在一些示例中，两个电极可被布置成使得工作电极在两侧被参比电极的部分所围绕。这样，生成电流的电化学反应可在工作电极的两个侧边缘处以有可比性的效力(efficacy)发生。例如，在近似共面的电极布置中，工作电极在任一侧可包括被定位在参比电极的部分之间的狭窄延伸部。在一些情况中，两个电极可各自像一把梳子，具有从基底延伸的指部的样式(例如，工作电极可具有约25□m宽的指部并且参比电极可具有约125□m宽的指部)。来自各个电极的两组指部随后可被定位为互锁，而不接触，使得工作电极延伸部/指部中的给定一个被参比电极的相应部分所围绕。所得到的交替(或叉指状)的几何结构可由于包括工作电极的两个侧边缘的增大的反应区域而合乎需要地(desirably)对于给定的分析物浓度生成相对更大的传感器电流。
本公开的一些实施例因此提供了下述电极布置：其中，工作电极包括至少一个在两侧被参比电极的部分围绕的延伸部。例如，工作电极延伸部(以及参比电极的相对应部分)可被布置为叉指状的基本平行的条或者同心环。在任一情况下，工作电极可包括在两侧被参比电极的相对更宽部分围绕的狭窄延伸部。结果，在这种电化学传感器的操作期间，工作电极使得生成电流的反应沿着两个狭窄延伸部的两个侧边缘以基本上有可比性的效力发生。所得到的安培电流因此大于具有仅沿着单个侧边缘与参比电极相邻的工作电极的传感器将产生的安培电流。
II.示例眼科电子器件平台
图1是包括与外部读取器180进行无线通信的可眼戴设备110的系统100的框图。可眼戴设备110的暴露区域由被形成为接触式安装到眼睛的角膜表面的聚合物材料120构成。基板130被嵌入在聚合物材料120中以为电力供应源(powersupply)140、控制器150、生物交互电子器件160和通信天线170提供安装表面。生物交互电子器件160由控制器150操作。电力供应源140向控制器150和/或生物交互电子器件160供应操作电压。天线170被控制器150操作来向和/或从可眼戴设备110传达信息。天线170、控制器150、电力供应源140和生物交互电子器件160可全都位于嵌入的基板130上。因为可眼戴设备110包括电子器件并且被配置为接触式安装到眼睛，所以其在本文中也被称为眼科电子器件平台。
为了促进接触式安装，聚合物材料120可具有被配置为粘着(“安装”)到润湿的角膜表面的凹表面(例如，通过与覆盖角膜表面的泪膜的毛细力)。额外地或替换地，可眼戴设备110可由于凹曲率而通过角膜表面与聚合物材料之间的真空力被粘着。在以凹表面对着眼睛的方式安装时，聚合物材料120的外向表面可具有被形成为在可眼戴设备110被安装到眼睛时不干扰眼睑运动的凸曲率。例如，聚合物材料120可以是被成形为类似于接触镜片的基本上透明的弯曲聚合物盘。
聚合物材料120可包括一个或多个生物相容材料，诸如在接触镜片或者涉及与角膜表面的直接接触的其他眼科应用中采用的那些。聚合物材料120可以可选地部分由这种生物相容材料形成或者可包括具有这种生物相容材料的外涂层。聚合物材料120可包括被配置为润湿角膜表面的材料，诸如水凝胶等等。在一些情况中，聚合物材料120可以是可变形(“非刚性”)材料以增强穿戴者舒适度。在一些情况中，聚合物材料120可被成形为提供预定的视力矫正光学力，诸如可由接触镜片提供的那种。
基板130包括适用于安装生物交互电子器件160、控制器150、电力供应源140和天线170的一个或多个表面。基板130可被用作基于芯片的电路的安装平台(例如，通过倒装芯片式安装)和/或用作将导电材料(例如，金、铂、钯、钛、铜、铝、银、金属、其他导电材料、这些的组合等等)图案化以产生电极、互连、天线等等的平台两者。在一些实施例中，基本上透明的导电材料(例如，铟锡氧化物)可被图案化在基板130上以形成电路、电极等等。例如，天线170可通过在基板130上淀积金或另外的导电材料的图案来形成。类似地，控制器150与生物交互电子器件160之间的互连151和控制器150与天线170之间的互连157可分别地通过将适当图案的导电材料淀积在基板130上来形成。可以采用抗蚀剂、掩模和淀积技术的组合来将材料图案化在基板130上。基板130可以是相对刚性的材料，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)或者另外的材料，其足以从结构上支撑聚合物材料120内的电路和/或电子器件。或者，可眼戴设备110可被布置有一组不连接的基板而不是单个基板。例如，控制器150和生物传感器或其他生物交互电子组件可被安装到一个基板，而天线170被安装到另一个基板并且两者可经由互连157来电连接。
在一些实施例中，生物交互电子器件160(和基板130)可被定位为远离可眼戴设备110的中心，从而避免干扰通过可眼戴设备110的中心去到眼睛的光传输。例如，在可眼戴设备110被成形为凹曲盘的情况下，基板130可被嵌入在该盘的周界周围(例如，在外周附近)。在一些实施例中，生物交互电子器件160(和基板130)可被定位在可眼戴设备110的中央区域中。生物交互电子器件160和/或基板130对于进入的可见光可以是基本上透明的以减轻对去到眼睛的光传输的干扰。另外，在一些实施例中，生物交互电子器件160可包括像素阵列164，该像素阵列164根据显示指令发射和/或透射(transmit)将由眼睛感知的光。从而，生物交互电子器件160可以可选地被定位在可眼戴设备的中心以便诸如通过经由像素阵列164显示信息来对可眼戴设备110的穿戴者生成可感知的视觉提示。
基板130可被成形为扁平环，其具有足以为嵌入的电子器件组件提供安装平台的径向宽度尺寸。基板130可具有足够小以允许基板130在不影响可眼戴设备110的轮廓的情况下嵌入在聚合物材料120中的厚度。基板130可具有足够大以提供适用于支撑安装在其上的电子器件的结构稳定性的厚度。例如，基板130可被成形为具有约10毫米的直径、约1毫米的径向宽度(例如，外半径比内半径大1毫米)和约50微米的厚度的环。基板130可以可选地与可眼戴设备110的眼睛安装表面(例如，凸表面)的曲率匹配。例如，基板130可沿着定义内半径和外半径的两个圆弓(circularsegment)形之间的虚锥的表面成形。在这种示例中，沿着虚锥的表面的基板130的表面定义了与眼睛安装表面在该半径处的曲率大致匹配的倾斜表面。
电力供应源140被配置为采集环境能量来对控制器150和生物交互电子器件160供电。例如，射频能量采集天线142可从入射的无线电辐射捕捉能量。额外地或替换地，(一个或多个)太阳能电池144(“光伏电池”)可从进入的紫外、可见和/或红外辐射捕捉能量。另外，可以包括惯性电力收集系统来从环境振动捕捉能量。能量采集天线142可以可选地是也用于向外部读取器180传达信息的两用天线。也就是说，通信天线170和能量采集天线142的功能可利用相同的物理天线来实现。
整流器/调节器146可用于将捕捉的能量调节到稳定的DC供应电压141，该DC供应电压141被提供给控制器150。例如，能量采集天线142可接收入射的射频辐射。天线142的引线上的变化的电信号被输出到整流器/调节器146。整流器/调节器146将变化的电信号整流到DC电压并且将整流的DC电压调节到适用于操作控制器150的电平。额外地或替换地，来自(一个或多个)太阳能电池144的输出电压可被调节到适用于操作控制器150的电平。整流器/调节器146可包括一个或多个能量存储设备来缓和环境能量收集天线142和/或(一个或多个)太阳能电池144中的高频变动。例如，一个或多个能量存储设备(例如，电容器、电感器等等)可连接到整流器146的输出并且被配置为充当低通滤波器。
控制器150在DC供应电压141被提供到控制器150时被开启，并且控制器150中的逻辑操作生物交互电子器件160和天线170。控制器150可包括被配置为操作生物交互电子器件160以与可眼戴设备110的生物环境交互的逻辑电路。该交互可涉及使用生物交互电子器件160中的诸如分析物生物传感器162之类的一个或多个组件来从生物环境获得输入。额外地或替换地，该交互可涉及使用诸如像素阵列164之类的一个或多个组件来向生物环境提供输出。
在一个示例中，控制器150包括被配置为操作分析物生物传感器162的传感器接口模块152。分析物生物传感器162可例如是包括工作电极和参比电极的安培电化学传感器。可在工作电极和参比电极之间施加电压以使得分析物在工作电极处经历电化学反应(例如，还原和/或氧化反应)。电化学反应可生成可通过工作电极测量的安培电流。该安培电流可取决于分析物浓度。从而，通过工作电极测量到的安培电流的量可提供分析物浓度的指示。在一些实施例中，传感器接口模块152可以是被配置为在工作电极和参比电极之间施加电压差并同时通过工作电极测量电流的恒电势器。
在一些情况中，也可包括试剂来使得电化学传感器对一个或多个期望的分析物敏感。例如，邻近工作电极的一层葡萄糖氧化酶(“GOx”)可以催化葡萄糖氧化来生成过氧化氢(H2O2)。过氧化氢随后可在工作电极处被电氧化，这将电子释放到工作电极，导致能够通过工作电极测量到的安培电流。
H2O2→2H++O2+2e-
还原或氧化反应生成的电流与反应速率大致成比例。另外，反应速率取决于分析物分子到达电化学传感器电极以直接地或者通过试剂催化地激起还原或氧化反应的速率。在分析物分子从采样区域扩散到电化学传感器电极的速率与额外的分析物分子从周围区域扩散到采样区域的速率大致相同的稳定状态中，反应速率与分析物分子的浓度大致成比例。通过工作电极测量到的电流从而提供了分析物浓度的指示。
控制器150可以可选地包括用于操作像素阵列164的显示驱动器模块154。像素阵列164可以是布置成行和列的可单独编程的光传输、光反射和/或光发射像素的阵列。各个像素电路可以可选地包括液晶技术、微机电技术、发射二极管技术等等来根据来自显示驱动器模块154的信息选择性地透射、反射和/或发射光。这种像素阵列164也可以可选地包括多于一种色彩的像素(例如，红、绿和蓝像素)来以色彩渲染视觉内容。显示驱动器模块154可例如包括向像素阵列164中的单独编程的像素提供编程信息的一个或多个数据线和用于设定接收这种编程信息的像素的群组的一个或多个地址线。位于眼睛上的这种像素阵列164也可包括一个或多个镜片来将光从像素阵列指引到眼睛可感知的焦平面。
控制器150也可包括用于经由天线170发送和/或接收信息的通信电路156。通信电路156可以可选地包括一个或多个振荡器、混频器、频率注入器等等来在载波频率上调制和/或解调信息以便由天线170发送和/或接收。在一些示例中，可眼戴设备110被配置为通过以外部读取器180可感知的方式调制天线170的阻抗来指示来自生物传感器的输出。例如，通信电路156可引起来自天线170的反向散射辐射的幅度、相位和/或频率的变动，并且这种变动可被读取器180检测到。
控制器150经由互连151连接到生物交互电子器件160。例如，在控制器150包括在集成电路中实现的逻辑元件以形成传感器接口模块152和/或显示驱动器模块154的情况下，图案化的导电材料(例如，金、铂、钯、钛、铜、铝、银、金属、这些的组合等等)可将芯片上的端子连接到生物交互电子器件160。类似地，控制器150经由互连157连接到天线170。
注意，为了便于描述，图1所示的框图是结合功能模块描述的。然而，可眼戴设备110的实施例可布置有在单个芯片、集成电路和/或物理特征中实现的功能模块(“子系统”)中的一个或多个。例如，虽然整流器/调节器146被图示在电力供应块140中，但是整流器/调节器146可在也包括控制器150的逻辑元件和/或可眼戴设备110中的嵌入式电子器件的其他特征的芯片中实现。从而，从电力供应源140提供给控制器150的DC供应电压141可以是由芯片上的整流器和/或调节器组件在同一芯片上提供的供应电压。也就是说，在图1中被示为电力供应块140和控制器块150的功能块不需要实现为分离的模块。另外，图1中描述的功能模块中的一个或多个可由彼此电连接的分离地封装的芯片来实现。
额外地或替换地，能量采集天线142和通信天线170可以用相同的物理天线来实现。例如，环状天线既可采集入射的辐射用于电力生成，又可经由反向散射辐射来传达信息。
外部读取器180包括天线188(或者多于一个天线的群组)来向和从可眼戴设备110发送和接收无线信号171。外部读取器180还包括具有与存储器182通信的处理器186的计算系统。存储器182是非暂态计算机可读介质，其可包括——但不限于——磁盘、光盘、有机存储器和/或任何其他可被处理器186读取的易失性(例如RAM)或非易失性(例如ROM)存储系统。存储器182可包括数据存储装置183来存储数据的指示，诸如传感器读数(例如，来自分析物生物传感器162)、程序设定(例如，用于调整可眼戴设备110和/或外部读取器180的行为)，等等。存储器182也可包括程序指令184供处理器186运行来使得外部读取器180执行由指令184指定的处理。例如，程序指令184可使得外部读取器180提供用户界面，该用户界面允许取回从可眼戴设备110传达的信息(例如，来自分析物生物传感器162的传感器输出)。外部读取器180也可包括一个或多个硬件组件来操作天线188向可眼戴设备110发送和从可眼戴设备110接收无线信号171。例如，振荡器、频率注入器、编码器、解码器、放大器、滤波器等等可根据来自处理器186的指令驱动天线188。
外部读取器180可以是智能电话、数字助理或者具有足以提供无线通信链路171的无线连通性的其他便携式计算设备。外部读取器180也可实现为天线模块，该天线模块可被插入到便携式计算设备中，诸如在通信链路171在便携式计算设备中通常不使用的载波频率下操作的示例中。在一些情况中，外部读取器180是专用设备，其被配置为被穿戴在相对靠近穿戴者的眼睛处以允许无线通信链路171以低电力预算操作。例如，外部读取器180可被集成在一件珠宝中，诸如项链、耳环等等，或者集成在穿戴于头部附近的一件衣物中，诸如帽子、头带等等。
在可眼戴设备110包括分析物生物传感器162的示例中，系统100可被操作来监视眼睛的表面上的泪膜中的分析物浓度。从而，可眼戴设备110可被配置为用于眼科分析物生物传感器的平台。泪膜是从泪腺分泌来覆盖眼睛的水层。泪膜与通过眼睛的结构中的毛细管的血液供给相接触并且包括在血液中发现的许多生物标记，这些生物标记被分析来表征人的(一个或多个)健康状况。例如，泪膜包括葡萄糖、钙、钠、胆固醇、钾、其他生物标记，等等。泪膜中的生物标记浓度可与血液中的生物标记的相对应浓度系统地不同，但两个浓度水平之间的关系可被确立来将泪膜生物标记浓度值映射到血液浓度水平。例如，葡萄糖的泪膜浓度可被确立(例如，经验地确定)为大约是相对应的血液葡萄糖浓度的十分之一。从而，与通过切割出(lancer)某一体积的血液以在人体外部分析来执行的血液采样技术相比，测量泪膜分析物浓度水平提供了用于监视生物标记水平的非侵入性技术。另外，这里公开的眼科分析物生物传感器平台可被基本上连续地操作以使能对分析物浓度的实时监视。
为了利用被配置为泪膜分析物监视器的系统100执行读数，外部读取器180可发射射频辐射171，该射频辐射171被采集来经由电力供应源140对可眼戴设备110供电。被能量采集天线142(和/或通信天线170)捕捉的射频电信号在整流器/调节器146中被整流和/或调节并且经调节的DC供应电压147被提供给控制器150。射频辐射171从而开启了可眼戴设备110内的电子组件。一旦被开启，控制器150就操作分析物生物传感器162来测量分析物浓度水平。例如，传感器接口模块152可在分析物生物传感器162中的工作电极与参比电极之间施加电压。施加的电压可足以使得分析物在工作电极处经历电化学反应并从而生成可通过工作电极测量的安培电流。测量到的安培电流可提供指示分析物浓度的传感器读数(“结果”)。控制器150可操作天线170来将传感器读数传达回外部读取器180(例如，经由通信电路156)。可通过例如调制通信天线170的阻抗以使得阻抗中的调制被外部读取器180检测到来传达传感器读数。天线阻抗中的调制可由例如来自天线170的反向散射辐射检测到。
在一些实施例中，系统100可进行操作来向可眼戴设备110非连续地(“间歇地”)供应能量以对控制器150和电子器件160供电。例如，可供应射频辐射171来足够长时间地对可眼戴设备110供电以执行泪膜分析物浓度测量并传达结果。例如，供应的射频辐射可提供充分的电力来在工作电极和参比电极之间施加足以引起工作电极处的电化学反应的电势，测量所得到的安培电流，并且调制天线阻抗来以指示测量到的安培电流的方式调整反向散射辐射。在这种示例中，供应的射频辐射171可被认为是从外部读取器180到可眼戴设备110的请求测量的询问信号。通过周期性地询问可眼戴设备110(例如，通过供应射频辐射171以临时开启设备)并且存储传感器结果(例如，经由数据存储装置183)，外部读取器180可随着时间而累积一组分析物浓度测量，而不连续地对可眼戴设备110供电。
图2A是示例可眼戴电子设备210(或眼科电子器件平台)的顶视图。图2B是图2A所示的示例可眼戴电子设备的侧视图。注意，图2A和2B中的相对尺寸不一定是按比例的，而只是在描述示例可眼戴电子设备210的布置时为了说明的目的而给出的。可眼戴设备210由形状为弯曲盘的聚合物材料220形成。聚合物材料220可以是基本上透明的材料以允许在可眼戴设备210被安装到眼睛时入射光被透射到眼睛。聚合物材料220可以是与在验光中用于形成视力矫正和/或美容接触镜片的那些类似的生物相容材料，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)、聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)、聚羟乙基异丁烯酸酯(“polyHEMA”)、硅水凝胶、这些的组合，等等。聚合物材料220可形成为一侧具有适合安置在眼睛的角膜表面上的凹表面226。盘的相对侧可具有凸表面224，在可眼戴设备210被安装到眼睛时该凸表面224不干扰眼睑运动。圆形外侧边缘228连接凸表面224和凹表面226。
可眼戴设备210可具有与视力矫正和/或美容接触镜片类似的尺寸，诸如约1厘米的直径，以及约0.1到约0.5毫米的厚度。然而，该直径和厚度值只是为了说明的目的而提供的。在一些实施例中，可眼戴设备210的尺寸可根据穿戴者的眼睛的角膜表面的大小和/或形状来选择。
聚合物材料220可以按各种方式形成为弯曲形状。例如，与用于形成视力矫正接触镜片的那些类似的技术，诸如热成型、注模成型、旋铸(spincasting)等等，可用于形成聚合物材料220。当可眼戴设备210被安装在眼睛中时，凸表面224向外面对周围环境，而凹表面226向内，朝着角膜表面。凸表面224因此可被认为是可眼戴设备210的外部上表面，而凹表面226可被认为是内部下表面。图2A中所示的“底”视图是面对凹表面226的。从图2A中所示的底视图，靠近弯曲盘的外圆周的外周界222被弯曲为从页面向外延伸，而靠近盘的中心的中央区域221被弯曲为向页面内延伸。
基板230被嵌入在聚合物材料220中。基板230可被嵌入为位于沿着聚合物材料220的外周界222之处，远离中央区域221。基板230不干扰视觉，因为它太靠近眼睛以至于无法被对焦并且被定位为远离中央区域221，在中央区域221处入射光被透射到眼睛的眼睛感测(eyesensing)部分。另外，基板230可由透明材料形成以进一步减轻对视觉感知的影响。
基板230可被成形为扁平的圆环(例如，具有居中孔的盘)。基板230的平坦表面(例如，沿着径向宽度)是一个平台，用于安装诸如芯片之类的电子器件(例如，经由倒装芯片安装)并且用于将导电材料图案化(例如，经由诸如光刻、淀积、电镀等等之类的微细加工技术)以形成电极、(一个或多个)天线和/或互连。基板230和聚合物材料220可以是关于共同的中心轴大致圆柱对称的。基板230可具有例如约10毫米的直径、约1毫米的径向宽度(例如，外半径比内半径大1毫米)和约50微米的厚度。然而，这些尺寸只是为了示例的目的而提供的，而绝不限制本公开。基板230可按各种不同的外形因子来实现，类似于以上结合图1对基板130的论述。
环状天线270、控制器250和传感器电子器件260被部署在嵌入式基板230上。控制器250可以是包括被配置为操作传感器电子器件260和环状天线270的逻辑元件的芯片。控制器250通过也位于基板230上的互连257电连接到环状天线270。类似地，控制器250通过互连251电连接到传感器电子器件260。互连251、257、环状天线270和任何导电电极(例如，用于电化学分析物传感器等等)可由通过下述过程在基板230上图案化的导电材料形成，该过程用于精确地将这种材料图案化，诸如淀积、光刻等等。在基板230上图案化的导电材料可例如是金、铂、钯、钛、碳、铝、铜、银、氯化银、由贵金属材料形成的导体、金属、这些的组合，等等。
如图2A所示——其是面对可眼戴设备210的凸表面224的视图，生物交互电子器件模块260被安装到基板230的面对凸表面224的一侧。例如，在生物交互电子器件模块260包括分析物生物传感器的情况下，将这种生物传感器安装在基板230上靠近凸表面224允许了生物传感器感测覆盖聚合物材料220的凸表面224的泪膜42(例如，由眼睑运动分布的泪膜层)中的分析物浓度。然而，位于基板230上的电子器件、电极等等可被安装到“向内”侧(例如，位于最接近凹表面226处)或者“向外”侧(例如，位于最接近凸表面224处)。另外，在一些实施例中，一些电子组件可被安装在基板230的一侧，而其他电子组件被安装到相对侧，并且两者之间的连接可通过穿过基板230的导电材料来作出。
环状天线270是沿着基板的平坦表面图案化以形成平坦导电环的一层导电材料。在一些示例中，为了允许沿着聚合物材料的曲率的额外灵活性，环状天线270可包括电接合在一起的多个基本上同心的区段。每个区段于是可沿着可眼戴设备210的凹/凸曲率独立地折曲。在一些示例中，可在不形成完整环的情况下形成环状天线270。例如，天线270可具有切口部以为控制器250和传感器电子器件260给予空间，如图2A所示。然而，环状天线270也可被布置为完全围绕基板230的平坦表面环绕一次或多次的连续的一条导电材料。例如，绕有多圈的一条导电材料可在基板230的与控制器250和传感器电子器件260相对侧上图案化。然后，可使得这种环绕的天线的末端之间的互连(例如，天线引线)穿过基板230到控制器250。
图2C是示例可眼戴电子设备210在安装到眼睛10的角膜表面22时的侧截面图。图2D是被增强来示出当如图2C所示安装时示例可眼戴设备210上的传感器电子器件260的近距(closein)侧截面图。如图2D所示，在被安装到角膜表面22时，泪膜层40、42覆盖凹表面226和凸表面224。注意，图2C和2D中的相对尺寸不一定是按比例的，而只是在描述示例可眼戴电子设备210的布置时为了说明的目的而给出的。例如，可眼戴设备的总厚度可以是约200微米，而泪膜层40、42的厚度可各自是约10微米，虽然此比率在图中可能没有反映出来。一些方面被夸大来允许图示和促进说明。
眼睛10包括角膜20，通过使上眼睑30和下眼睑32在眼睛10上方相合在一起(bringtogether)而覆盖角膜20。入射光通过角膜20被眼睛10接收，其中光被光学引导至眼睛10的感光元素(例如，视杆和视锥等等)来刺激视觉感知。眼睑30、32的运动将泪膜分布在眼睛10的暴露角膜表面22上。泪膜是泪腺分泌来保护和润滑眼睛10的水溶液。当可眼戴设备210被安装在眼睛10中时，泪膜以内层40(沿着凹表面226)和外层42(沿着凸表面224)覆盖凹表面226和凸表面224两者。泪膜层40、42的厚度可约为10微米并且一起占约10微升。
泪膜层40、42通过眼睑30、32的运动分布在角膜表面22和/或凸表面224上。例如，眼睑30、32分别提升和降低以将少量的泪膜散布在角膜表面22和/或可眼戴设备210的凸表面224上。角膜表面22上的泪膜层40还通过凹表面226与角膜表面22之间的毛细力来促进安装可眼戴设备210。在一些实施例中，由于面对眼睛的凹表面226的凹曲率，可眼戴设备210也可部分由对着角膜表面22的真空力而被保持在眼睛上方。
如图2C和2D中的截面图中所示，基板230可以倾斜以使得基板230的平坦安装表面与凸表面224的邻近部分大致平行。如上所述，基板230是具有向内表面232(更靠近聚合物材料220的凹表面226)和向外表面234(更靠近凸表面224)的扁平环。基板230可具有安装到安装表面232、234的任一者或两者的电子组件和/或图案化的导电材料。如图2D所示，传感器电子器件260、控制器250和导电互连251安装在向外表面234上以使得传感器电子器件260与其安装在向内表面232上的情形相比相对更靠近凸表面224附近。
III.眼科电化学分析物传感器
图3是用于以电化学方式测量泪膜分析物浓度的系统300的功能框图。系统300包括可眼戴设备310，可眼戴设备310具有由外部读取器340供电的嵌入式电子组件。可眼戴设备310包括用于捕捉来自外部读取器340的射频辐射341的天线312。可眼戴设备310包括整流器314、能量存储装置316和调节器318，用于生成电力供应电压330、332来操作嵌入式电子器件。可眼戴设备310包括电化学传感器320，电化学传感器320具有由传感器接口321驱动的工作电极322和参比电极323。可眼戴设备310包括硬件逻辑324，用于通过调制(325)天线312的阻抗将来自传感器320的结果传达到外部读取器340。与上文结合图1和图2论述的可眼戴设备110、210类似，可眼戴设备310可包括嵌入在被配置为安装到眼睛的聚合物材料内的安装基板。电化学传感器320可位于邻近眼睛的表面的这种基板的安装表面上(例如，对应于基板230的向内侧232上的生物交互电子器件260)以测量介于可眼戴设备310与眼睛之间的泪膜层(例如，可眼戴设备210与角膜表面22之间的内泪膜层40)中的分析物浓度。
参考图3，电化学传感器320通过在电极322、323之间施加电压来测量分析物浓度，该电压足以使得由试剂催化的分析物的产物在工作电极322处发生电化学反应(例如，还原和/或氧化反应)。工作电极322处的电化学反应生成可在工作电极322处测量的安培电流。传感器接口321可例如在工作电极322与参比电极323之间施加还原电压来还原来自工作电极322处的试剂催化分析物的产物。额外地或替换地，传感器接口321可在工作电极322与参比电极323之间施加氧化电压来氧化来自工作电极322处的试剂催化分析物的产物。传感器接口321测量安培电流并且向硬件逻辑324提供输出。传感器接口321可包括例如连接到两个电极322、323的恒电势器以在工作电极322与参比电极323之间同时施加电压并且通过工作电极322测量所得到的安培电流。
整流器314、能量存储装置316和电压调节器318进行操作以从接收到的射频辐射341采集能量。射频辐射341在天线312的引线上引起射频电信号。整流器314连接到天线引线并且将射频电信号转换成DC电压。能量存储装置316(例如，电容器)跨接在整流器314的输出上以过滤DC电压上的高频噪声。调节器318接收过滤的DC电压并且既输出数字供应电压330来操作硬件逻辑324又输出模拟供应电压332来操作电化学传感器320。例如，模拟供应电压可以是传感器接口321用来在传感器电极322、323之间施加电压以生成安培电流的电压。数字供应电压330可以是适用于驱动数字逻辑电路的电压，诸如约1.2伏、约3伏，等等。从外部读取器340(或者另外的源，诸如环境辐射等等)接收射频辐射341使得供应电压330、332被供应到传感器320和硬件逻辑324。在被供电时，传感器320和硬件逻辑324被配置为生成并测量安培电流并且传达结果。
传感器结果可经由反向散射辐射343被从天线312传达回到外部读取器340。硬件逻辑324从电化学传感器320接收输出电流并且根据由传感器320测量到的安培电流来调制(325)天线312的阻抗。天线阻抗和/或天线阻抗的变化被外部读取器340经由反向散射信号343检测到。外部读取器340可包括天线前端342和逻辑组件344来对反向散射信号343指示的信息解码并且向处理系统346提供数字输入。外部读取器340将反向散射信号343与传感器结果相关联(例如，经由处理系统346、根据将天线312的阻抗与来自传感器320的输出相关联的预编程的关系)。然后，处理系统346可将指示的传感器结果(例如，泪膜分析物浓度值)存储在本地存储器和/或网络连接的存储器中。
在一些实施例中，被示为分离的功能块的特征中的一个或多个可被实现(“封装”)在单个芯片上。例如，可眼戴设备310可实现为整流器314、能量存储装置316、电压调节器318、传感器接口321和硬件逻辑324一起封装在单个芯片或控制器模块中。这种控制器可具有连接到环状天线312和传感器电极322、323的互连(“引线”)。这种控制器进行操作来采集在环状天线312处接收到的能量，在电极322、323之间施加足以形成安培电流的电压，测量安培电流，以及经由天线312指示测量到的电流(例如，通过反向散射辐射343)。
图4A是用于操作可眼戴设备中的安培传感器以测量泪膜分析物浓度的过程400的流程图。在包括嵌入式电化学传感器的可眼戴设备中的天线处接收射频辐射(402)。由于接收到的辐射而引起的电信号被整流和调节以对电化学传感器和关联的控制器供电(404)。例如，整流器和/或调节器可连接到天线引线以输出用于对电化学传感器和/或控制器供电的DC供应电压。足以引起工作电极处的电化学反应的电压被施加在电化学传感器上的工作电极与参比电极之间(406)。通过工作电极测量安培电流(408)。例如，恒电势器可在工作电极与参比电极之间施加电压，同时通过工作电极测量所得到的安培电流。利用天线无线地指示测量到的安培电流(410)。例如，可操纵反向散射辐射来通过调制天线阻抗指示传感器结果。
图4B是用于操作外部读取器来询问可眼戴设备中的安培传感器以测量泪膜分析物浓度的过程420的流程图。射频辐射被从外部读取器发送到安装在眼睛中的电化学传感器(422)。发送的辐射足以利用来自辐射的能量对电化学传感器供电，供电时间长到足以执行测量和传达结果(422)。例如，用于对电化学传感器供电的射频辐射可类似于上文结合图3描述的从外部读取器340发送到可眼戴设备310的辐射341。然后，外部读取器接收指示电化学分析物传感器进行的测量的反向散射辐射(424)。例如，反向散射辐射可类似于上文结合图3描述的从可眼戴设备310发送到外部读取器340的反向散射信号343。然后，使在外部读取器处接收到的反向散射辐射与泪膜分析物浓度相关联(426)。在一些情况中，分析物浓度值可被存储在外部读取器存储器中(例如，在处理系统346中)和/或存储在网络连接的数据存储装置中。
例如，可通过调制反向散射天线的阻抗来将传感器结果(例如，测量到的安培电流)编码在反向散射辐射中。外部读取器可基于反向散射辐射中的频率、幅度和/或相移来检测天线阻抗和/或天线阻抗的变化。然后，可通过将可眼戴设备内采用的编码例程取反(reverse)通过将阻抗值与传感器结果相关联来提取传感器结果。从而，读取器可将检测到的天线阻抗值映射到安培电流值。安培电流值与泪膜分析物浓度大致成比例，其灵敏度(例如，比例因子)联系安培电流和关联的泪膜分析物浓度。该灵敏度值可部分根据例如由经验得出的校准因子来确定。
IV.到电化学传感器的分析物传输
图5A示出了电化学传感器检测来自覆盖聚合物材料220的外泪膜层42的分析物的示例配置。该电化学传感器可与结合图3论述的电化学传感器320类似并且包括工作电极520和参比电极522。工作电极520和参比电极522各自安装在基板230的向外侧224上。基板230嵌入在可眼戴设备210的聚合物材料220中，使得电化学传感器的电极520、522被聚合物材料220的重叠部分512完全覆盖。电化学传感器中的电极520、522从而与外泪膜层42分离重叠部分512的厚度。例如，重叠部分512的厚度可约为10微米。
泪膜42中的分析物通过重叠部分512扩散到工作电极520。分析物从外泪膜层42到工作电极520的扩散由方向性箭头510图示。通过工作电极520测量到的电流是基于工作电极520处的电化学反应速率的，该速率进而又基于扩散到工作电极520的分析物的量。扩散到工作电极520的分析物的量进而可由外泪膜层42中的分析物的浓度、聚合物材料220对于分析物的渗透率和重叠区域512的厚度(即，分析物通过其扩散以从外泪膜层42到达工作电极520的聚合物材料的厚度)这三者所影响。在稳态近似中，以与在工作电极520处消耗分析物的速率相同的速率，分析物被泪膜42的周围区域重供应到外泪膜层42。因为分析物被重供应到外泪膜层42的被探测区域的速率与分析物的泪膜浓度大致成比例，所以电流(即，电化学反应速率)是外泪膜层42中的分析物的浓度的指示。
图5B示出了电化学传感器检测来自经由聚合物材料220中的沟道530接触传感器的泪膜的分析物的示例配置。沟道530具有将聚合物材料220的凸表面224连接到基板230和/或电极520、522的侧壁532。沟道530可例如通过对聚合物材料220进行加压成型或铸造来形成。沟道530也可通过在封装之后选择性地去除覆盖传感器电极520、522的聚合物材料来形成。例如，可以使用氧等离子体处理来蚀刻掉覆盖传感器电极的聚合物材料以暴露传感器电极520、522。在一些情况中，例如，传感器电极520、522可由不容易被氧等离子体处理蚀刻的材料形成，诸如金属材料。从而，传感器电极在形成沟道530时可充当蚀刻停止件。沟道530的高度(例如，侧壁532的长度)对应于基板230的向内表面与凸表面224之间的间隔。也就是说，在基板230被定位成离凸表面224约10微米的情况下，沟道530的高度大致为10微米。沟道530将外泪膜层42流动地连接到传感器电极520、522。从而，工作电极520直接暴露于外泪膜层42。结果，到工作电极520的分析物传输不受聚合物材料220对于感兴趣的分析物的渗透率的影响。所得到的凸表面224中的凹陷(indentation)也产生了传感器电极520、522附近的泪膜42的局部增大体积。向工作电极520处的电化学反应贡献分析物(例如，通过扩散)的分析物泪膜的体积从而被增大了。图5B所示的传感器因此不那么容易受扩散受限的电化学反应的影响，因为相对更大局部体积的泪膜围绕着采样区域以贡献分析物给电化学反应。
图5C示出了电化学传感器检测来自泪膜42的通过聚合物材料220的薄化区域542扩散的分析物的示例配置。薄化区域542可形成为凸表面224中的凹陷540(例如，通过模塑、铸造、蚀刻等等)。聚合物材料220的薄化区域542基本上包封电极520、522，以维持例如传感器电极520、522和与凸表面224接触的任何东西——诸如眼睑30、32——之间的生物相容涂层。凸表面224中的凹陷542也产生了传感器电极520、522附近的泪膜42的局部增大体积。方向性箭头544图示了分析物从外泪膜层42到工作电极520的扩散。
虽然没有具体图示，但传感器电极520、522可被定位在基板230的相对侧，更靠近聚合物材料220的凹表面226和内泪膜层40。沟道和/或薄化区域可设在凹表面226中以将传感器电极暴露于泪膜和/或促进分析物到传感器电极的扩散。
V.示例对称电极布置
在一些示例中，电化学传感器被布置成使得工作电极的一些部分在相对各侧至少局部被参比电极的一些部分所围绕。这样，在向传感器电极上施加电压时，工作电极的被围绕部分产生在相对各侧之间基本对称的电压梯度。两相对侧因此处于相似电压并且两侧边缘因此可以按相似的效率引起电化学反应。相对于工作电极在一侧、而不在两侧面对参比电极的传感器，将工作电极布置为被参比电极的一些部分对称地围绕因此可增大邻近参比电极(例如，面对参比电极)的工作电极的总长度。电化学反应倾向于沿着工作电极在最靠近参比电极的点(例如，在两个电极之间局部电压梯度最大处)以最大效力发生。工作电极面对参比电极的增大的长度(例如，两个侧边缘相对于一个)从而可增大电化学反应的反应面积，因为反应沿着工作电极被参比电极围绕的部分的两个相对侧边缘对称地发生。包含这种对称电极布置的传感器对于给定的分析物浓度可生成相对更大的安培电流，从而增强这种传感器的灵敏度。另外，本文公开的对称电极布置可有效地增大传感器电极的反应面积，而不大幅增大总电极大小。
图6A图示了电化学传感器601中的电极的一个示例对称布置。图6A所示的布置不是按比例绘制的，而是提供来用于说明的目的，以便描述示例布置。电化学传感器601可被包括在可眼戴设备中，用于检测分析物的泪膜浓度(例如，上文结合图1至图3描述的可眼戴设备)。电化学传感器包括布置在基板上的工作电极620和参比电极630。
电极620、630各自电连接到控制器610，控制器610通过在工作电极620与参比电极630之间施加电压差V来操作传感器601。电压差V可以是足以引起工作电极620处的还原反应的还原电压，该还原反应从工作电极620释放电子并从而生成可通过工作电极620测量到的安培电流。额外地或替换地，电压差V可以是足以引起工作电极620处的氧化反应的氧化电压，该氧化反应向工作电极620贡献电子并从而生成可通过工作电极620测量到的安培电流。控制器610由供应电压Vsupply供电并且输出安培电流的指示。在一些实施例中，控制器610可包括恒电势器。
仅为了附图中的清晰的目的，工作电极620是以阴影图案图示的，而参比电极630没有阴影图案。工作电极620包括基底622和指状延伸部624a-c。类似地，参比电极630包括基底632和多个指状延伸部634a-d。工作电极620和参比电极630可被布置成使得两个电极620、630的指状延伸部624a-c和634a-d相对于彼此成叉指状。在一些示例中，传感器电极620、630可至少大致是共面的(例如，部署在共同的基板上)。在一些示例中，延伸部624a-c、634a-d可各自与传感器电极的相应基底622、632至少大致垂直地延伸。在一些示例中，延伸部624a-c、634a-d可与彼此至少大致平行地延伸。在一些示例中，工作电极620的延伸部624a-c沿着每个延伸部624a-c的侧边缘可与参比电极延伸部634a-d的最近的那些至少大致等距离。
在一些示例中，工作电极620的延伸部624a-c在相对各侧被参比电极630的延伸部634a-d至少部分围绕。例如，工作电极的延伸部624c从基底622从靠近基底622的点延伸到远端627。延伸部624c包括第一侧边缘625和与第一侧相对的第二侧边缘626。第一侧边缘625和第二侧边缘626定义延伸部624c的宽度(例如，与在图6A中标注为wWE的工作电极延伸部624a的宽度相似)。工作电极延伸部624c的第一侧边缘625与参比电极的一个延伸部634d相邻，并且第二侧边缘626与参比电极的另一个延伸部634c相邻。延伸部624c和两个参比电极延伸部634c-d之间的电极间间距(例如，第一侧边缘625与延伸部634d之间的间隙和第二侧边缘626与延伸部634c之间的间隙)沿着两个侧边缘625、626可以是相似的。例如，两侧可具有大致均一的间隙距离(例如，图6A中标注的间隙距离dgap)。在另一个示例中，两侧可具有在基底622与远端627之间对称变化的渐细的(或其他变化的)间隙距离。间隙距离dgap可大致等于工作电极宽度wWE，或者可小于或大于工作电极wWE。由于对称布置，在电压被施加在传感器电极620、630上时，电压电势沿着工作电极延伸部624c的两个侧边缘625、626是相似的。其余的工作电极延伸部624a-b被类似地定位成相对各侧边缘与参比电极630的相应部分相邻。也就是说，工作电极延伸部624b被参比电极延伸部634c和634d对称地围绕，并且工作电极延伸部624a被参比电极延伸部634b和634a对称地围绕。
在一些实施例中，工作电极620的维度中的至少一者，诸如其宽度，可小于100微米。在一些实施例中，工作电极620是具有约25微米的至少一个维度的微电极。在一些情况中，工作电极620可具有约10微米的宽度，或者10到100微米之间的宽度(或其他维度)。例如，延伸部624a-c中的每一者的宽度wWE可以是约25微米。参比电极630可具有大约是工作电极620的暴露面积的五倍大的暴露面积。在一些示例中，参比电极延伸部634a-d的宽度wRE可以是工作电极延伸部624a-c的宽度wWE的大致五倍大。从而，参比电极延伸部634a-d可具有约125微米的宽度wRE，并且工作电极延伸部624a-c可具有约25微米的宽度wWE。
工作电极延伸部624a-c的长度(例如，基底622与远端627之间的距离)可被选择来提供所有工作电极延伸部624a-c的期望总累积长度(即，第一延伸部624a的长度加第二延伸部624b的长度加第三延伸部624c的长度)。如上所述，电化学传感器601的灵敏度至少部分由在将分析物暴露于传感器电极620、630时所引起的与分析物发生的电化学反应的数目决定。因为电化学反应可优先沿着工作电极620的与参比电极630的相应区段相邻的侧边缘引发——在这些侧边缘处局部电压梯度最大(例如，沿着延伸部624c的侧边缘625、626和其他延伸部624a-b的侧边缘)，所以电化学传感器601的灵敏度至少部分取决于这种侧边缘的总长度。在一些实施例中，期望的传感器灵敏度由具有约1000微米的工作电极延伸部的总累积长度的配置实现。在这种对称配置中，位于与参比电极的相应部分相邻处的工作电极侧边缘的总长度大致是总累积长度的两倍(例如，约2000微米)。从而，一些实施例可包括具有含两个延伸部的工作电极的配置，每个延伸部大约是总期望累积长度的一半；其他实施例可包括具有含三个延伸部的工作电极的配置(像图6A中那样)，并且每个延伸部可大约是总期望累积长度的三分之一。工作电极620的其他累积长度也可被选择来提供与参比电极的相应区段相邻的工作电极侧边缘的期望总长度以实现期望的传感器灵敏度。
传感器电极620、630的厚度(例如，基板上的高度)可以是1微米或更小。厚度尺寸可例如为约1微米到约50纳米之间，诸如大致500纳米、大致250纳米、大致100纳米、大致50纳米等等。在一些情况中，工作电极620可以是被图案化在基板上以具有约25微米的宽度、约1000微米的长度和约0.5微米的厚度的导电材料。在一些实施例中，参比电极622可具有相似的厚度并且在总面积上可大于工作电极620。例如，参比电极630具有比工作电极620的面积的五倍还大的面积。
电极620、630可各自通过将导电材料图案化在基板上来形成(例如，通过淀积技术、光刻技术等等)。导电材料可以是金、铂、钯、钛、银、氯化银、铝、碳、金属、由贵金属材料形成的导体、这些的组合等等。在一些实施例中，工作电极620可基本上由铂(Pt)形成。在一些实施例中，参比电极630可基本上由银/氯化银(Ag/AgCl)形成。
图6B图示了电化学传感器602中的电极的另一个示例对称布置。图6B所示的布置不是按比例绘制的，而是(butinstead)提供来用于说明的目的，以便描述示例布置。电化学传感器602可被包括在可眼戴设备中，用于检测泪膜氧浓度和/或其他分析物(例如，上文结合图1至图3描述的可眼戴设备)。电化学传感器包括布置为位于基板上的扁平环的工作电极640和参比电极650。与图6A中的传感器601类似，电极640、650各自电连接到控制器610，控制器610通过在工作电极640与参比电极650之间施加电压差V来操作传感器602。电压差V使得工作电极640引起与暴露于传感器电极640、650的分析物的电化学反应，这些反应生成可通过工作电极640测量的安培电流。
为了附图中的清晰起见，工作电极640是以阴影图案图示的，而参比电极650没有阴影图案。参比电极650可包括外环区段652和内环区段654，工作电极640插入在参比电极650的两个区段652、654之间。工作电极640的插入部分是环形区域，具有切口部以允许参比电极650的区段652、654之间的互连。工作电极640的环形区域包括第一部分642a和第二部分642b，它们各自是接合到基底区段的大致半圆形的弧，该基底区段经过参比电极650的外环区段652中的切口部。工作电极640的两个部分642a-b被布置为具有各自与参比电极650的相邻相应区段652、654相邻的相对侧边缘。例如，工作电极640的第一部分642a包括外侧边缘643和内侧边缘644，它们可各自被成形为大致同心的半圆弧。外侧边缘643与外环状区段652相邻，并且内侧边缘644与内环状区段654相邻。与上文结合图6A描述的传感器601的对称布置类似，工作电极640在相对各侧边缘(例如，侧边缘643、644)被参比电极650的相应区段652、654所围绕。从而，传感器602沿着工作电极640的两侧以至少大致相等的效率引起电化学反应。
扁平环被同心地布置(例如，具有共同的中心点)，使得电极640、650之间的间隔沿着电极640、650的圆周边缘是基本上均一的。在其他示例中，工作电极640的相对各侧边缘与参比电极650之间的间隔可具有沿着延伸部624a-b的长度对称变化的渐细的(或其他变化的)间隙距离，使得间隔距离在相对各侧边缘(例如，相对各侧643、644)之间是对称的。
工作电极640的延伸部642a-b可具有约25微米的宽度、约500纳米的厚度和约1000微米的总累积长度。参比电极650可具有大约是工作电极640的面积的五倍大的总面积(例如，第一区段652和第二区段654的径向宽度可大致为125微米，而工作电极延伸部642a-b的宽度可大约为35微米)。然而，同心环布置可实现为其他尺寸。
在一些实施例中，工作电极可布置有多个延伸部，这些延伸部形成大致同心的环的至少一些部分(即，弧)。每个这种延伸部可被参比电极的相应区段对称地围绕，以使得延伸部沿着相对各侧边缘具有相似的电压梯度，然后这可用于以相似的效力引起电化学反应。
图7A图示了部署在扁平环状基板的表面上的电化学传感器中的电极的示例共面布置。图7A图示了基板705的安装了电化学传感器的一部分。基板705被配置为嵌入在可眼戴设备中并且可与上文结合图1至图5描述的基板230类似。基板705可被成形为具有内边缘702和外边缘704的扁平环。两个边缘702、704可以都是至少大致圆形的，虽然在图7A中只示出了每一者的一部分。
基板705提供了用于安装芯片710和用于图案化传感器电极、天线和芯片710上的焊盘或端子与其他组件之间的导电互连的安装表面。电化学传感器包括以叉指状布置图案化的工作电极720和参比电极730。工作电极720包括四个指部724，每个指部724可具有相对较窄的宽度(例如，约25微米)。工作电极720通过一对重叠互连744、746电连接到芯片710的连接焊盘。参比电极730包括从基底732延伸的指部734。如图7A所示，两个电极720、730的指部724、734可至少大致彼此平行。另外，电极720、730可被布置成叉指布置以使得工作电极720的每个指部724以至少大致对称的方式插入在参比电极的两个指部734之间。这样，每个工作电极指部724沿着两个相对侧边缘具有相似的电压梯度。参比电极730于是可经由互连740电连接到芯片710上的另一焊盘(不可见)，该互连740在多个重叠点742处连接到参比电极730。
芯片710也可经由额外的连接焊盘连接到其他组件。例如，如图7A所示，芯片710可连接到天线引线，该天线引线例如可由诸如电镀金之类的图案化导电材料形成，该图案化导电材料基本上环绕基板705以产生环状天线。
图7B图示了当嵌入在带有被定位成暴露电化学传感器电极720、730的沟道750的聚合物材料中时图7A中的布置。在图7B中，聚合物材料由重叠在图7A所示的基板705的部分上的阴影图案图示。沟道750可通过去除包封聚合物材料的一部分来形成(例如，通过蚀刻，通过去除由光刻胶限定的层，等等)。沟道750暴露包括传感器电极720、730的区域，以使得覆盖聚合物材料的泪膜能够直接接触传感器电极720、730，并且其中的分析物能够在电极处发生电化学反应。由沟道750产生的暴露区域可包括工作电极720的期望累积长度(例如，约1000微米的累积长度)。
在图7A至图7B所示的电极安装在基板705上的传感器电极布置中，两个电极720、730的延伸的指部724、734各自被定向为与基板的侧边缘702、704至少大致正切。换言之，叉指状的指部724、734具有与侧边缘702、704局部平行的长度。这样，电极720、730更能够遵守基板705中的曲率。将电极指部724、734布置得与侧边缘局部平行使得每个电极指部724、734位于沿着曲率的单个半径，即使当基板705符合可眼戴设备的凸曲率(或者调整以适应于被接触式安装到眼睛的压力或张力)时也是如此。例如，如果基板705被弯曲以遵守基板705被嵌入在其中的可眼戴设备的凹曲率，则各个指部延伸部724、734可在每个位置符合曲率的局部半径，而不会实质性地影响电极间间距。与之对照，具有与多个曲率半径交叉的指部延伸部的布置可能会被促使沿着指部延伸部的长度以非均一方式调整其电极间间距。
虽然在图7A至图7B中没有具体图示，但电化学传感器也可包括试剂层，该试剂层将适当的试剂固定在工作电极720附近以使得电化学传感器对期望的分析物灵敏。
另外，特别注意，虽然电化学传感器平台在本文中作为示例被描述为可眼戴设备或眼科设备，但注意公开的电化学传感器和电极布置因此也可应用在其他情境中。例如，本文公开的电化学分析物传感器可被包括在可穿戴的(例如，可安装于身体的)和/或可植入的安培分析物传感器中。在一些情况中，电化学分析物传感器被定位成基本上被适合于与体液接触和/或适合于被植入的生物相容聚合物材料所包封。在一个示例中，一种可安装于嘴部的设备包括生物传感器并且被配置为安装在口腔环境内，诸如邻近牙齿或者粘着到口腔内表面。在另一个示例中，一种包括生物传感器的可植入医疗设备可被包封在生物相容材料中并植入在宿主生物体内。这种安装在身体上的和/或植入的生物传感器可包括被配置为通过在传感器电极上施加电压并测量所得到的电流来操作安培传感器的电路。生物传感器也可包括能量采集系统和用于无线地指示传感器结果(即，测量到的电流)的通信系统。传感器电极也可以是基本上共面的并且工作电极可包括相对于参比电极的部分成叉指状的相对狭窄的延伸部。传感器电极可被对称布置，其中工作电极基本上被参比电极的部分所围绕，使得沿着工作电极的相对各侧边缘的电压梯度是基本上对称的。这种安培生物传感器中的传感器电极可被布置为类似于上文联系结合图6A至图7B描述的示例可眼戴设备公开的对称布置的电极中的任何一者。
虽然本文已公开了各种方面和实施例，但本领域技术人员将会清楚其他方面和实施例。本文公开的各种方面和实施例是为了例示的目的，而并不打算进行限定，真实的范围和精神由下面的权利要求指示。

Claims (20)

1.一种可眼戴设备，包括：
具有凹表面和凸表面的聚合物材料，其中，所述凹表面被配置为被可移除地安装在角膜表面上并且所述凸表面被配置为当所述凹表面被如此安装时与眼睑运动相容；
至少部分嵌入在所述聚合物材料内的基板；
部署在所述基板上的天线；
部署在所述基板上的电化学传感器，包括(i)具有第一侧边缘和第二侧边缘的工作电极，以及(ii)参比电极，该参比电极被定位成使得所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与所述参比电极的相应区段相邻；以及
电连接到所述电化学传感器和所述天线的控制器，其中，所述控制器被配置为：(i)在所述工作电极与所述参比电极之间施加电压，该电压足以生成与所述可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；以及(iii)使用所述天线来指示测量到的安培电流。
2.根据权利要求1所述的可眼戴设备，其中，所述工作电极包括从基底延伸的多个延伸部，并且其中，所述多个延伸部中的每一个包括与所述参比电极的相应区段至少部分相邻的第一侧边缘和第二侧边缘。
3.根据权利要求2所述的可眼戴设备，其中，所述工作电极的多个延伸部和所述参比电极的相应区段彼此成叉指状。
4.根据权利要求1所述的可眼戴设备，其中，所述参比电极的与所述工作电极相邻的相应区段沿着所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘是对称布置的，使得当所述电压被施加时，所得到的电压梯度沿着所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘是基本上对称的。
5.根据权利要求1所述的可眼戴设备，其中，所述工作电极和所述参比电极是基本上共面的。
6.根据权利要求5所述的可眼戴设备，
其中，所述工作电极和所述参比电极被布置为基本上平行的叉指状延伸部，并且
其中，所述工作电极包括与所述参比电极的相应延伸部大致等距离的延伸部，使得当所述电压被施加时，沿着所述延伸部的相对各侧边缘的所得到的电压梯度在相对各侧边缘之间是基本上对称的。
7.根据权利要求5所述的可眼戴设备，
其中，所述工作电极和所述参比电极被布置为基本上同心的部分环，并且
其中，所述工作电极包括沿着同心布置的径向方向与所述参比电极的相应部分环大致等距离的部分环，使得当所述电压被施加时，沿着所述工作电极部分环的相对各圆形侧边缘的所得到的电压梯度在相对各圆形侧边缘之间是基本上对称的。
8.根据权利要求1所述的可眼戴设备，
其中，所述基板是具有在内边缘和外边缘之间延伸的安装表面的环状结构，所述内边缘和外边缘是以所述聚合物材料的凸表面和凹表面的对称轴为中心的基本上同心的环，
其中，所述工作电极和所述参比电极中的每个包括多个基本上平行的叉指状延伸部，这些延伸部与所述内边缘和外边缘大致局部平行，使得所述工作电极延伸部中的第一者更接近所述内边缘而不是所述外边缘并且所述工作电极延伸部中的第二者更接近所述外边缘而不是所述内边缘。
9.根据权利要求1所述的可眼戴设备，其中，所述聚合物材料包括被配置为将所述工作电极和参比电极暴露于覆盖所述聚合物材料的泪膜的沟道。
10.根据权利要求9所述的可眼戴设备，其中，所述沟道暴露被所述工作电极的具有约1毫米的组合长度的一个或多个延伸部所占据的区域。
11.根据权利要求1所述的可眼戴设备，其中，所述工作电极具有为约25微米或更小的至少一个维度。
12.根据权利要求11所述的可眼戴设备，其中，所述工作电极的所述至少一个维度是所述第一侧边缘与所述第二侧边缘之间的宽度。
13.根据权利要求11所述的可眼戴设备，其中，所述参比电极的被定位成与所述工作电极相邻的相应区段具有至少是所述工作电极的面积的大约五倍的面积。
14.根据权利要求1所述的可眼戴设备，还包括选择性地与所述分析物反应的试剂，其中，所述试剂被局域化为接近所述工作电极。
15.根据权利要求1所述的可眼戴设备，其中，所述聚合物材料是基本上透明的视力矫正镜片并且被成形为提供预定的视力矫正光学力。
16.一种系统，包括：
可眼戴设备，包括：
具有凹表面和凸表面的透明聚合物材料，其中，所述凹表面被配置为被可移除地安装在角膜表面上并且所述凸表面被配置为当所述凹表面被如此安装时与眼睑运动相容；
至少部分嵌入在所述聚合物材料内的基板；
部署在所述基板上的天线；
部署在所述基板上的电化学传感器，包括(i)具有第一侧边缘和第二侧边缘的工作电极，以及(ii)参比电极，该参比电极被定位成使得所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与所述参比电极的相应区段相邻；以及
电连接到所述电化学传感器和所述天线的控制器，其中，所述控制器被配置为：(i)在所述工作电极与所述参比电极之间施加电压，该电压足以生成与所述可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；以及(iii)使用所述天线来指示测量到的安培电流；以及
读取器，包括：
一个或多个天线，被配置为：(i)发送射频辐射来对所述可眼戴设备供电，以及(ii)经由在所述一个或多个天线处接收的反向散射辐射来接收所述测量到的安培电流的指示；以及
处理系统，被配置为基于所述反向散射辐射来确定泪膜分析物浓度值。
17.根据权利要求17所述的系统，其中，所述工作电极的多个延伸部和所述参比电极的相应区段彼此成叉指状。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述参比电极的与所述工作电极相邻的相应区段沿着所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘是对称布置的，使得当所述电压被施加时，所得到的电压梯度沿着所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘是基本上对称的。
19.一种设备，包括：
生物相容聚合物材料；
至少部分嵌入在所述生物相容聚合物材料内的基板；
部署在所述基板上的天线；
部署在所述基板上的电化学传感器，包括(i)具有第一侧边缘和第二侧边缘的工作电极，以及(ii)参比电极，该参比电极被定位成使得所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘的至少一部分与所述参比电极的相应区段相邻；以及
电连接到所述电化学传感器和所述天线的控制器，其中，所述控制器被配置为：(i)在所述工作电极与所述参比电极之间施加电压，该电压足以生成与所述可眼戴设备被暴露于的液体中的分析物的浓度有关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；以及(iii)使用所述天线来指示测量到的安培电流。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述参比电极的与所述工作电极相邻的相应区段沿着所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘是对称布置的，使得当所述电压被施加时，所得到的电压梯度沿着所述工作电极的第一侧边缘和第二侧边缘是基本上对称的。
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