每年夏天我們都會(huì)收到有關(guān)曬傷危險(xiǎn)和過量紫外線輻射會(huì)造成皮膚癌風(fēng)險(xiǎn)的警告。 大多數(shù)天氣預(yù)報(bào)每天都會(huì)預(yù)報(bào)紫外線指數(shù)。 無論是作為單機(jī)設(shè)備、智能電話應(yīng)用，還是智能手表、健身手環(huán)或心率監(jiān)測(cè)儀的新增功能，能夠準(zhǔn)確測(cè)量個(gè)人紫外線照射的暴露劑量已快速成為“必備”功能。

制造商們也在不斷尋求其數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品的差異點(diǎn)和增值空間。 幸運(yùn)的是，通過集成產(chǎn)生的元件小型化加上低功耗工作能力促進(jìn)了這一趨勢(shì)發(fā)展。 除了簡(jiǎn)單的環(huán)境光和紫外線傳感器外，可穿戴數(shù)字設(shè)備可以輕松測(cè)量紫外線指數(shù)、監(jiān)測(cè)我們積累的陽(yáng)光暴露劑量，并在超過預(yù)設(shè)級(jí)別時(shí)發(fā)出警告。

本文將羅列多種構(gòu)建紫外線暴露監(jiān)測(cè)功能的方法，重點(diǎn)探討用于紫外線和紅外線感測(cè)的光電二極管。 其中我們會(huì)詳細(xì)討論 Silicon Labs 提供的集成方法。 Si1132 和 Si114x 單芯片解決方案非常適合小型、可穿戴設(shè)備，同時(shí)提供評(píng)估板和軟件。

陽(yáng)光適宜性

數(shù)字紫外線指數(shù)是測(cè)量太陽(yáng)紫外線強(qiáng)度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尺度。 這一指數(shù)由加拿大開發(fā)，然后在 1994 年被世衛(wèi)組織 (WHO) 和世界氣象組織采納并標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在全球都在使用。 紫外線指數(shù)與陽(yáng)光的密度線性相關(guān)，并按照由 CIE(國(guó)際照明委員會(huì))開發(fā)的紅疹效應(yīng)頻譜進(jìn)行加權(quán)處理(對(duì)人體皮膚最敏感的紫外線波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整)。

結(jié)果很有效，該指數(shù)越高，曬傷的風(fēng)險(xiǎn)就越大。 指數(shù)值 10 對(duì)應(yīng)于北半球盛夏晴空正午的光線水平。 但是在熱帶地區(qū)或在高海拔位置，或者臭氧層耗減的地區(qū)，指數(shù)值可能會(huì)更高。 計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)考慮了太陽(yáng)高度角、平流層臭氧、云、大氣污染以及地面海拔的影響。 按照這一線性指標(biāo)，我們一般可以承受指數(shù)值為 4 的紫外線照射一小時(shí)，約相當(dāng)于指數(shù) 8 的照射半小時(shí)。

過度紫外線輻射不僅會(huì)造成曬傷，最終會(huì)發(fā)展成皮膚癌，而且也可能引發(fā)眼睛損傷，如白內(nèi)障。 重要的是，皮膚損傷在我們一生中是累積的。 據(jù)報(bào)道，皮膚癌在美國(guó)是最常見的癌癥，其發(fā)病率在其它地方也急劇攀升。

而長(zhǎng)波紫外線輻射(315 到 400 nm)是皮膚老化和黑素瘤影的主要原因，中波紫外線(280 到 315 nm)則引起曬傷。 但是小劑量的紫外線輻射對(duì)我們的健康是有益的。 例如維生素 D 只有在紫外線輻射下才能由人體合成。 長(zhǎng)波紫外線在激發(fā)外層皮膚的黑色素方面很有效，除了給我們一個(gè)健康的褐色膚色外還提供某些保護(hù)作用。 因?yàn)楹谏剌^少的白皮膚人被曬傷和患黑素瘤的風(fēng)險(xiǎn)也較大。

紫外線指數(shù)全天都是在變化的，盡管有指導(dǎo)性地使用防曬霜可有效保護(hù)皮膚，但 SPF 值(防曬系數(shù))并不能視為一種完善的保護(hù)級(jí)別度量尺度。 出于這些原因，可穿戴紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)器需要更精確地確定當(dāng)前紫外線指數(shù)和一個(gè)人累積的紫外線暴露劑量。

圖 1：可穿戴紫外線暴露監(jiān)測(cè)采用多種形式。 Bling 珠寶、Netatmo 的“June”防曬手環(huán)和 Sunfriend 玩具手鐲都可以使用您的智能手機(jī)進(jìn)行通信。 其中對(duì)于象蘋果智能手表這樣的科技新品來說，最可能包括這種功能。

可穿戴紫外線監(jiān)測(cè)器的在各個(gè)方面正不斷取得發(fā)展，成本不斷降低、樣式不斷翻新、功能不斷增多。 電子設(shè)計(jì)也不斷變化。 傳統(tǒng)型號(hào)使用紫外線敏感型光電二極管、微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理固件。 有些型號(hào)可能使用倒金字塔形 LED，首選藍(lán)色 (415 nm) LED，而不是光電二極管。 不足之處是它只能監(jiān)測(cè)長(zhǎng)波紫外線。

預(yù)編程算法自動(dòng)計(jì)算紫外線暴露劑量，并會(huì)考慮來自紫外線傳感器的數(shù)據(jù)。 有些裝置可能無法連續(xù)監(jiān)測(cè)紫外線，只是在設(shè)備激活時(shí)監(jiān)測(cè)一次。 一般來說，用戶可以按照膚色和敏感性設(shè)置設(shè)備。 有些則可以按照所用防曬霜的 SPF 系數(shù)來編程。 警告可以通過顯示屏、LED 閃光或振動(dòng)來發(fā)出。

電源是重要問題，但不是本文的主題。 簡(jiǎn)言之，有些消費(fèi)電子設(shè)備封裝了紐扣電池且通常防水，但電池不能更換，使得產(chǎn)品壽命很有限。 其它有使用可更換電池的，但不能防水。 顯然使用小型太陽(yáng)能電池是一種不錯(cuò)的解決方案，這在有些設(shè)計(jì)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

集成是關(guān)鍵

Silicon Labs 憑借其 Si1132 器件在紫外線指數(shù)和暴露劑量檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)而占得先機(jī)。 這款器件設(shè)計(jì)成一種單芯片紫外線指數(shù)傳感器形式，不僅能跟蹤紫外線暴露，而且能為健身應(yīng)用提供心率監(jiān)測(cè)和血氧測(cè)量，以及為遠(yuǎn)程對(duì)接提供接近或姿勢(shì)控制。 該設(shè)備包括紫外線指數(shù)和環(huán)境光傳感器，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口讀取數(shù)字紫外線指數(shù)值。

配套器件包括 Si1145/46/47 紫外線和紅外線接近或環(huán)境光傳感器，提供一、二或三個(gè)集成 LED 驅(qū)動(dòng)器選擇，為姿勢(shì)檢測(cè)提供了十五個(gè)可選驅(qū)動(dòng)級(jí)別。 環(huán)境光傳感器對(duì)最小化使用 LCD 背光很有用，既減少了眼睛疲勞，也減少了功耗。

實(shí)際上，Silicon Labs 已經(jīng)使用這些紫外線傳感器實(shí)現(xiàn)了超低功耗架構(gòu)，用較小的電池實(shí)現(xiàn)了較薄的可穿戴式設(shè)計(jì)，每秒鐘一次的紫外線測(cè)量只需小至 1.2 μA 的平均電流，大大延長(zhǎng)了電池使用壽命。 待機(jī)功耗低至小于 500 nA。

對(duì)于包括紫外線暴露監(jiān)測(cè)在內(nèi)的多功能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)人員來說，Si1146 和 Si1147 分別包括兩個(gè)和三個(gè) IR LED 驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)感測(cè)。 Si1146 能夠在 Z 和 X 軸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)感測(cè)和無接觸控制，而 Si1147 則能實(shí)現(xiàn) 3D 運(yùn)動(dòng)感測(cè)。

Silicon Labs 解決方案對(duì)于可穿戴設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)在于高度集成的小 2 x 2 mm 封裝，減小了基底面和所需的元件數(shù)。

希望試用這種器件的設(shè)計(jì)人員會(huì)有多種選擇。 UVlrSlider2EK 評(píng)估套件同時(shí)支持 Si1132 和 Si114x 系列。 軟件包括 11 點(diǎn)紫外線指數(shù)演示和五個(gè)顯示用戶累積太陽(yáng)暴露的 LED 顯示。 該套件還展示該器件的姿勢(shì)識(shí)別能力和接近感應(yīng)特性。

免費(fèi)提供一個(gè)編程器工具套件，其中包括一個(gè)能夠在 PC 環(huán)境中快速使用 C 編譯器進(jìn)行快速軟件開發(fā)的 API，可與評(píng)估板配套使用。 另外還包括一個(gè)波形查看器應(yīng)用程序，以顯示和調(diào)試取自評(píng)估板的測(cè)量值。

結(jié)論

在包括智能手表、眼鏡和保健監(jiān)示儀之類的各式可穿戴設(shè)備上，監(jiān)測(cè)紫外線暴露即將成為標(biāo)配功能。 低成本、輕型、單功能紫外線監(jiān)測(cè)器，無論是手鐲、手環(huán)還是翻領(lǐng)紐扣必將普及，因?yàn)槿藗儗?duì)太陽(yáng)光過暴露的癌癥風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)注度不斷增加。

因此，為了設(shè)計(jì)出下一代可穿戴設(shè)備，設(shè)計(jì)人員必將不斷尋求、低成本、低功耗的小型(甚至的是柔性的)紫外線傳感器和光電二極管，以及輔助電路。 高度集成的 IC，如本文提到的元件，將成為必須，且需求會(huì)激增。

附加信息

有機(jī)選擇

硅光電二極管的一個(gè)潛在替代品是有機(jī)光電二極管。 有機(jī)光電二極管重量輕、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜且可以具有柔性，目前已經(jīng)用于改進(jìn)相機(jī)的光敏感度，以及用于檢查顯示器的顏色均勻性、穩(wěn)定性和亮度分布。 它們可以集成到可穿戴應(yīng)用所需的如聚合箔之類的柔性元件中。

圖 2：有機(jī)光電二極管重量輕、價(jià)格便宜，可以集成到柔性基板中。?

有機(jī)光電二極管易于對(duì)特定波長(zhǎng)范圍敏感，使之特別適合特定應(yīng)用。 位于德國(guó)德累斯頓的 Fraunhofer 研究機(jī)構(gòu)有機(jī)物、材料和電子器件 (COMEDD)1 小組的科學(xué)家們已經(jīng)試驗(yàn)出一系列覆蓋廣泛波長(zhǎng)頻譜的材料。 為了在紫外線或近紅外范圍使用，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出了小微型傳感器，將有機(jī)光電二極管與硅技術(shù)集合在一起。 在載體晶片上使用 200 mm 硅晶基板或箔片的能力將會(huì)這種技術(shù)轉(zhuǎn)移到廣泛的工業(yè)、甚至是消費(fèi)應(yīng)用上。