工程師曾玲 發表於 2018-11-04 10:56:19
每年夏天我們都會收到有關曬傷危險和過量紫外線輻射會造成皮膚癌風險的警告。 大多數天氣預報每天都會預報紫外線指數。 無論是作為單機設備、智慧型電話應用，還是智能手錶、健身手環或心率監測儀的新增功能，能夠準確測量個人紫外線照射的暴露劑量已快速成為「必備」功能。
製造商們也在不斷尋求其數字消費產品的差異點和增值空間。 幸運的是，通過集成產生的元件小型化加上低功耗工作能力促進了這一趨勢發展。 除了簡單的環境光和紫外線傳感器外，可穿戴數字設備可以輕鬆測量紫外線指數、監測我們積累的陽光暴露劑量，並在超過預設級別時發出警告。
本文將羅列多種構建紫外線暴露監測功能的方法，重點探討用於紫外線和紅外線感測的光電二極體。 其中我們會詳細討論 Silicon Labs 提供的集成方法。 Si1132 和 Si114x 單晶片解決方案非常適合小型、可穿戴設備，同時提供評估板和軟體。
陽光適宜性
數字紫外線指數是測量太陽紫外線強度的國際標準尺度。 這一指數由加拿大開發，然後在 1994 年被世衛組織 (WHO) 和世界氣象組織採納並標準化，現在全球都在使用。 紫外線指數與陽光的密度線性相關，並按照由 CIE(國際照明委員會)開發的紅疹效應頻譜進行加權處理(對人體皮膚最敏感的紫外線波長進行調整)。
結果很有效，該指數越高，曬傷的風險就越大。 指數值 10 對應於北半球盛夏晴空正午的光線水平。 但是在熱帶地區或在高海拔位置，或者臭氧層耗減的地區，指數值可能會更高。 計算機模型預測考慮了太陽高度角、平流層臭氧、雲、大氣汙染以及地面海拔的影響。 按照這一線性指標，我們一般可以承受指數值為 4 的紫外線照射一小時，約相當於指數 8 的照射半小時。
過度紫外線輻射不僅會造成曬傷，最終會發展成皮膚癌，而且也可能引發眼睛損傷，如白內障。 重要的是，皮膚損傷在我們一生中是累積的。 據報導，皮膚癌在美國是最常見的癌症，其發病率在其它地方也急劇攀升。
而長波紫外線輻射(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。 長波紫外線在激發外層皮膚的黑色素方面很有效，除了給我們一個健康的褐色膚色外還提供某些保護作用。 因為黑色素較少的白皮膚人被曬傷和患黑素瘤的風險也較大。
紫外線指數全天都是在變化的，儘管有指導性地使用防曬霜可有效保護皮膚，但 SPF 值(防曬係數)並不能視為一種完善的保護級別度量尺度。 出於這些原因，可穿戴紫外線指數監測器需要更精確地確定當前紫外線指數和一個人累積的紫外線暴露劑量。
圖 1：可穿戴紫外線暴露監測採用多種形式。 Bling 珠寶、Netatmo 的「June」防曬手環和 Sunfriend 玩具手鐲都可以使用您的智慧型手機進行通信。 其中對於象蘋果智能手錶這樣的科技新品來說，最可能包括這種功能。
可穿戴紫外線監測器的在各個方面正不斷取得發展，成本不斷降低、樣式不斷翻新、功能不斷增多。 電子設計也不斷變化。 傳統型號使用紫外線敏感型光電二極體、微控制器、模數轉換器和信號處理固件。 有些型號可能使用倒金字塔形 LED，首選藍色 (415 nm) LED，而不是光電二極體。 不足之處是它只能監測長波紫外線。
預編程算法自動計算紫外線暴露劑量，並會考慮來自紫外線傳感器的數據。 有些裝置可能無法連續監測紫外線，只是在設備激活時監測一次。 一般來說，用戶可以按照膚色和敏感性設置設備。 有些則可以按照所用防曬霜的 SPF 係數來編程。 警告可以通過顯示屏、LED 閃光或振動來發出。
電源是重要問題，但不是本文的主題。 簡言之，有些消費電子設備封裝了紐扣電池且通常防水，但電池不能更換，使得產品壽命很有限。 其它有使用可更換電池的，但不能防水。 顯然使用小型太陽能電池是一種不錯的解決方案，這在有些設計中已經實現。
集成是關鍵
Silicon Labs 憑藉其 Si1132 器件在紫外線指數和暴露劑量檢測方面的優勢而佔得先機。 這款器件設計成一種單晶片紫外線指數傳感器形式，不僅能跟蹤紫外線暴露，而且能為健身應用提供心率監測和血氧測量，以及為遠程對接提供接近或姿勢控制。 該設備包括紫外線指數和環境光傳感器，採用行業標準 I²C 接口讀取數字紫外線指數值。
配套器件包括 Si1145/46/47 紫外線和紅外線接近或環境光傳感器，提供一、二或三個集成 LED 驅動器選擇，為姿勢檢測提供了十五個可選驅動級別。 環境光傳感器對最小化使用 LCD 背光很有用，既減少了眼睛疲勞，也減少了功耗。
實際上，Silicon Labs 已經使用這些紫外線傳感器實現了超低功耗架構，用較小的電池實現了較薄的可穿戴式設計，每秒鐘一次的紫外線測量只需小至 1.2 µA 的平均電流，大大延長了電池使用壽命。 待機功耗低至小於 500 nA。
對於包括紫外線暴露監測在內的多功能可穿戴設備的設計人員來說，Si1146 和 Si1147 分別包括兩個和三個 IR LED 驅動器，設計用於先進的運動和姿勢感測。 Si1146 能夠在 Z 和 X 軸實現運動感測和無接觸控制，而 Si1147 則能實現 3D 運動感測。
Silicon Labs 解決方案對於可穿戴設備的主要優勢在於高度集成的小 2 x 2 mm 封裝，減小了基底面和所需的元件數。
希望試用這種器件的設計人員會有多種選擇。 UVlrSlider2EK 評估套件同時支持 Si1132 和 Si114x 系列。 軟體包括 11 點紫外線指數演示和五個顯示用戶累積太陽暴露的 LED 顯示。 該套件還展示該器件的姿勢識別能力和接近感應特性。
免費提供一個編程器工具套件，其中包括一個能夠在 PC 環境中快速使用 C 編譯器進行快速軟體開發的 API，可與評估板配套使用。 另外還包括一個波形查看器應用程式，以顯示和調試取自評估板的測量值。
結論
在包括智能手錶、眼鏡和保健監示儀之類的各式可穿戴設備上，監測紫外線暴露即將成為標配功能。 低成本、輕型、單功能紫外線監測器，無論是手鐲、手環還是翻領紐扣必將普及，因為人們對太陽光過暴露的癌症風險的關注度不斷增加。
因此，為了設計出下一代可穿戴設備，設計人員必將不斷尋求、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體，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，且需求會激增。
附加信息
有機選擇
矽光電二極體的一個潛在替代品是有機光電二極體。 有機光電二極體重量輕、功能強大、價格便宜且可以具有柔性，目前已經用於改進相機的光敏感度，以及用於檢查顯示器的顏色均勻性、穩定性和亮度分布。 它們可以集成到可穿戴應用所需的如聚合箔之類的柔性元件中。
圖 2：有機光電二極體重量輕、價格便宜，可以集成到柔性基板中。
有機光電二極體易於對特定波長範圍敏感，使之特別適合特定應用。 位於德國德勒斯登的 Fraunhofer 研究機構有機物、材料和電子器件 (COMEDD)¹ 小組的科學家們已經試驗出一系列覆蓋廣泛波長頻譜的材料。 為了在紫外線或近紅外範圍使用，該團隊進一步開發出了小微型傳感器，將有機光電二極體與矽技術集合在一起。 在載體晶片上使用 200 mm 矽晶基板或箔片的能力將會這種技術轉移到廣泛的工業、甚至是消費應用上。
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