紫外线和红外线感测暴露监测功能方法

每年夏天我们都会收到有关晒伤危险和过量紫外线辐射会造成皮肤癌风险的警告。 大多数天气预报每天都会预报紫外线指数。 无论是作为单机设备、智能电话应用，还是智能手表、健身手环或心率监测仪的新增功能，能够准确测量个人紫外线照射的暴露剂量已快速成为“必备”功能。

制造商们也在不断寻求其数字消费产品的差异点和增值空间。 幸运的是，通过集成产生的元件小型化加上低功耗工作能力促进了这一趋势发展。 除了简单的环境光和紫外线传感器外，可穿戴数字设备可以轻松测量紫外线指数、监测我们积累的阳光暴露剂量，并在超过预设级别时发出警告。

本文将罗列多种构建紫外线暴露监测功能的方法，重点探讨用于紫外线和红外线感测的光电二极管。 其中我们会详细讨论 Silicon Labs 提供的集成方法。 Si1132 和 Si114x 单芯片解决方案非常适合小型、可穿戴设备，同时提供评估板和软件。

阳光适宜性

数字紫外线指数是测量太阳紫外线强度的国际标准尺度。 这一指数由加拿大开发，然后在 1994 年被世卫组织 (WHO) 和世界气象组织采纳并标准化，现在全球都在使用。 紫外线指数与阳光的密度线性相关，并按照由 CIE(国际照明委员会)开发的红疹效应频谱进行加权处理(对人体皮肤最敏感的紫外线波长进行调整)。

结果很有效，该指数越高，晒伤的风险就越大。 指数值 10 对应于北半球盛夏晴空正午的光线水平。 但是在热带地区或在高海拔位置，或者臭氧层耗减的地区，指数值可能会更高。 计算机模型预测考虑了太阳高度角、平流层臭氧、云、大气污染以及地面海拔的影响。 按照这一线性指标，我们一般可以承受指数值为 4 的紫外线照射一小时，约相当于指数 8 的照射半小时。

过度紫外线辐射不仅会造成晒伤，最终会发展成皮肤癌，而且也可能引发眼睛损伤，如白内障。 重要的是，皮肤损伤在我们一生中是累积的。 据报道，皮肤癌在美国是最常见的癌症，其发病率在其它地方也急剧攀升。

而长波紫外线辐射(315 到 400 nm)是皮肤老化和黑素瘤影的主要原因，中波紫外线(280 到 315 nm)则引起晒伤。 但是小剂量的紫外线辐射对我们的健康是有益的。 例如维生素 D 只有在紫外线辐射下才能由人体合成。 长波紫外线在激发外层皮肤的黑色素方面很有效，除了给我们一个健康的褐色肤色外还提供某些保护作用。 因为黑色素较少的白皮肤人被晒伤和患黑素瘤的风险也较大。

紫外线指数全天都是在变化的，尽管有指导性地使用防晒霜可有效保护皮肤，但 SPF 值(防晒系数)并不能视为一种完善的保护级别度量尺度。 出于这些原因，可穿戴紫外线指数监测器需要更精确地确定当前紫外线指数和一个人累积的紫外线暴露剂量。

图 1：可穿戴紫外线暴露监测采用多种形式。 Bling 珠宝、Netatmo 的“June”防晒手环和 Sunfriend 玩具手镯都可以使用您的智能手机进行通信。 其中对于象苹果智能手表这样的科技新品来说，最可能包括这种功能。

可穿戴紫外线监测器的在各个方面正不断取得发展，成本不断降低、样式不断翻新、功能不断增多。 电子设计也不断变化。 传统型号使用紫外线敏感型光电二极管、微控制器、模数转换器和信号处理固件。 有些型号可能使用倒金字塔形 LED，首选蓝色 (415 nm) LED，而不是光电二极管。 不足之处是它只能监测长波紫外线。

预编程算法自动计算紫外线暴露剂量，并会考虑来自紫外线传感器的数据。 有些装置可能无法连续监测紫外线，只是在设备激活时监测一次。 一般来说，用户可以按照肤色和敏感性设置设备。 有些则可以按照所用防晒霜的 SPF 系数来编程。 警告可以通过显示屏、LED 闪光或振动来发出。

电源是重要问题，但不是本文的主题。 简言之，有些消费电子设备封装了纽扣电池且通常防水，但电池不能更换，使得产品寿命很有限。 其它有使用可更换电池的，但不能防水。 显然使用小型太阳能电池是一种不错的解决方案，这在有些设计中已经实现。

集成是关键

Silicon Labs 凭借其 Si1132 器件在紫外线指数和暴露剂量检测方面的优势而占得先机。 这款器件设计成一种单芯片紫外线指数传感器形式，不仅能跟踪紫外线暴露，而且能为健身应用提供心率监测和血氧测量，以及为远程对接提供接近或姿势控制。 该设备包括紫外线指数和环境光传感器，采用行业标准 I²C 接口读取数字紫外线指数值。

配套器件包括 Si1145/46/47 紫外线和红外线接近或环境光传感器，提供一、二或三个集成 LED 驱动器选择，为姿势检测提供了十五个可选驱动级别。 环境光传感器对最小化使用 LCD 背光很有用，既减少了眼睛疲劳，也减少了功耗。

实际上，Silicon Labs 已经使用这些紫外线传感器实现了超低功耗架构，用较小的电池实现了较薄的可穿戴式设计，每秒钟一次的紫外线测量只需小至 1.2 µA 的平均电流，大大延长了电池使用寿命。 待机功耗低至小于 500 nA。

对于包括紫外线暴露监测在内的多功能可穿戴设备的设计人员来说，Si1146 和 Si1147 分别包括两个和三个 IR LED 驱动器，设计用于先进的运动和姿势感测。 Si1146 能够在 Z 和 X 轴实现运动感测和无接触控制，而 Si1147 则能实现 3D 运动感测。

Silicon Labs 解决方案对于可穿戴设备的主要优势在于高度集成的小 2 x 2 mm 封装，减小了基底面和所需的元件数。

希望试用这种器件的设计人员会有多种选择。 UVlrSlider2EK 评估套件同时支持 Si1132 和 Si114x 系列。 软件包括 11 点紫外线指数演示和五个显示用户累积太阳暴露的 LED 显示。 该套件还展示该器件的姿势识别能力和接近感应特性。

免费提供一个编程器工具套件，其中包括一个能够在 PC 环境中快速使用 C 编译器进行快速软件开发的 API，可与评估板配套使用。 另外还包括一个波形查看器应用程序，以显示和调试取自评估板的测量值。

结论

在包括智能手表、眼镜和保健监示仪之类的各式可穿戴设备上，监测紫外线暴露即将成为标配功能。 低成本、轻型、单功能紫外线监测器，无论是手镯、手环还是翻领纽扣必将普及，因为人们对太阳光过暴露的癌症风险的关注度不断增加。

因此，为了设计出下一代可穿戴设备，设计人员必将不断寻求、低成本、低功耗的小型(甚至的是柔性的)紫外线传感器和光电二极管，以及辅助电路。 高度集成的 IC，如本文提到的元件，将成为必须，且需求会激增。

附加信息

有机选择

硅光电二极管的一个潜在替代品是有机光电二极管。 有机光电二极管重量轻、功能强大、价格便宜且可以具有柔性，目前已经用于改进相机的光敏感度，以及用于检查显示器的颜色均匀性、稳定性和亮度分布。 它们可以集成到可穿戴应用所需的如聚合箔之类的柔性元件中。

图 2：有机光电二极管重量轻、价格便宜，可以集成到柔性基板中。 

有机光电二极管易于对特定波长范围敏感，使之特别适合特定应用。 位于德国德累斯顿的 Fraunhofer 研究机构有机物、材料和电子器件 (COMEDD)¹ 小组的科学家们已经试验出一系列覆盖广泛波长频谱的材料。 为了在紫外线或近红外范围使用，该团队进一步开发出了小微型传感器，将有机光电二极管与硅技术集合在一起。 在载体晶片上使用 200 mm 硅晶基板或箔片的能力将会这种技术转移到广泛的工业、甚至是消费应用上。