UV指數(shù)傳感器助用戶免于過度暴曬

皮膚癌已成為日益增長的人類健康問題。在過去的30年中，患有皮膚癌的人數(shù)已經(jīng)超過患有其它類型癌癥人數(shù)的總和。在美國，皮膚癌已經(jīng)成為癌癥的最常見形式，每年有超過350萬的病例被確診。因此，人們開始變得越來越關(guān)心他們受到的紫外線(UV)輻射量，更確切的說，大多數(shù)人認(rèn)為UV是造成皮膚癌腫瘤形成的原因。

UV輻射是環(huán)境的自然組成部分，甚至在小計(jì)量下還會(huì)有益于人類。如果我們試圖消除所有UV照射，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)由維生素D缺乏而引起的骨骼疾病逐漸增加，這是因?yàn)榫S生素D需要在UV的幫助下由人體合成。從UV中獲得多少健康益處因人而異，因?yàn)閁V照射和皮膚色素沉著之間有必然的聯(lián)系。關(guān)鍵是要維持UV照射在一個(gè)最佳的健康水平，而不至于高到有危險(xiǎn)。

當(dāng)開發(fā)UV感應(yīng)應(yīng)用時(shí)，區(qū)分不同的UV類型是有益的。在1932年第二屆光學(xué)國際會(huì)議上明確定義了三種波長在100nm~400nm范圍內(nèi)的UV類型：UVA、UVB、UVC。對(duì)于進(jìn)行環(huán)境光UV測量的消費(fèi)類應(yīng)用來說，僅僅其中的兩種類型(UVA和UVB)是重要的。來自太陽光的短波長UVC光子不能穿透大氣層，就大多數(shù)情況而言，可以被個(gè)人健康和可穿戴產(chǎn)品所忽略。UVC主要用于工業(yè)類應(yīng)用，例如用于殺毒和消毒設(shè)備，因?yàn)閁VC輻射可以殺害細(xì)菌和其它傳染性微生物體。

UVA和UVB射線可以穿透地球的大氣層，然而較短波長的UVB射線(290nm~320nm)比較長波UVA射線(320nm~400nm)更容易被吸收掉。除了更容易穿透大氣層之外，UVA射線比更高能量的UVB射線更容易穿透人體皮膚，如圖1所示。

圖1 -UV輻射類型和對(duì)人體皮膚的影響。

UVA確實(shí)有一定的保健功效，因?yàn)樗鼤?huì)激活存在于上層皮膚細(xì)胞中的黑色素，形成一種快速出現(xiàn)又快速消失的棕褐膚色。但是當(dāng)滲透到更深的皮膚層時(shí)，UVA也會(huì)影響結(jié)締組織和血管。根據(jù)來自世界衛(wèi)生組織(WHO)的數(shù)據(jù)，當(dāng)皮膚受到過度UVA照射時(shí)，皮膚會(huì)逐漸失去彈性并且開始起皺。最近的研究也表明，UVA也可能會(huì)加重皮膚癌擴(kuò)散，盡管UVA的損害機(jī)理目前還不是十分清楚。

科學(xué)家們在很久以前就知道UVB射線比UVA更有害健康。UVB照射已被證明會(huì)引起DNA損傷，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的基因傷害。哺乳動(dòng)物細(xì)胞具有處理由環(huán)境(例如UV照射)引起的輕度DNA損傷的自我修復(fù)機(jī)制。然而，一旦損傷到達(dá)一定程度，修復(fù)機(jī)制不再有效，并且在正常環(huán)境下細(xì)胞會(huì)自己死亡，這個(gè)過程被生物學(xué)家稱為“細(xì)胞凋亡”。例如，當(dāng)某人受到嚴(yán)重曬傷時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況。如果皮膚細(xì)胞不能正常進(jìn)行細(xì)胞新陳代謝，它可能就會(huì)形成癌性腫瘤的內(nèi)核。

許多因素會(huì)導(dǎo)致UV照射的顯著變化。海拔越高，大氣對(duì)UV射線的吸收就越少，因此就會(huì)導(dǎo)致更高的UV照射。時(shí)間和季節(jié)性的不同、以及云和塵埃的存在都會(huì)影響到室外個(gè)人所接收到的太陽UV輻射計(jì)量。在全球，UV輻射水平大約有四倍的變化，這種狀況因聚集在大氣中的臭氧存在方式不同而變得更加復(fù)雜，這是因?yàn)槌粞鯇?duì)于UVB有很強(qiáng)的吸收能力。在高緯度地區(qū)，大氣中存在較少臭氧，從而增加了由UVB導(dǎo)致的DNA損傷風(fēng)險(xiǎn)。

黑色素瘤的發(fā)病率趨勢呈現(xiàn)為越是生活在高緯度地區(qū)的皮膚白皙的人發(fā)病率越高。例如根據(jù)WHO的數(shù)據(jù)，就皮膚癌的死亡率，北歐國家是地中海國家的6倍。這種情況的部分原因是皮膚白皙的人在陽光充足的地區(qū)度假時(shí)，受到更高的UV照射。

WHO制定了UV指數(shù)，以此來提高人們對(duì)過度暴露于UV照射的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，并幫助氣象預(yù)報(bào)員和消費(fèi)者評(píng)估一天中的陽光強(qiáng)度，以便他們能夠采取預(yù)防措施。UV指數(shù)提供了與太陽光強(qiáng)度線性相關(guān)的數(shù)值，如圖2所示。UV指數(shù)預(yù)報(bào)是基于中午的UV指數(shù)預(yù)測;真實(shí)的UV指數(shù)在一天當(dāng)中會(huì)由于太陽角度和變化的云量而改變。此外，因?yàn)槿梭w皮膚對(duì)UVA和UVB反應(yīng)不同，UV指數(shù)是根據(jù)國際照明委員會(huì)(CIE)紅斑作用光譜計(jì)算的。CIE提供了基于正常人體皮膚反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化的UV指數(shù)加權(quán)算法，它對(duì)于衡量太陽光能造成多大的危害非常重要。

圖2 -WHO UV指數(shù)表(UV照射等級(jí)從1-2級(jí)超低風(fēng)險(xiǎn)到11+高風(fēng)險(xiǎn))。

預(yù)防性措施(例如UV指數(shù))有益于公共健康，當(dāng)人們在到達(dá)不健康的UV照射等級(jí)時(shí)提供早期警報(bào)?？纱┐髟O(shè)備和智能手機(jī)能夠主動(dòng)提供便捷的方法去使用UV數(shù)值指示，用它確認(rèn)一個(gè)人能夠在沒有戶外保護(hù)措施(例如，使用防曬霜、太陽鏡、帽子和其它防護(hù)衣服)的陽光下停留多長時(shí)間。由于可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)都可以長時(shí)間儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，因此消費(fèi)者可以使用這些設(shè)備確定其累積的紫外線照射量，比如說當(dāng)人在日光浴、運(yùn)動(dòng)或戶外工作時(shí)。UV照射測量能夠?yàn)榭赡苁艿綍駛L(fēng)險(xiǎn)人們提供至關(guān)重要的信息，尤其是長期UV照射累積而引起曬傷時(shí)。

另外解決強(qiáng)紫外線照射帶來的嚴(yán)重健康問題，能夠確認(rèn)來自白天受到的深度紫外線的照射，提供舒適和便利的評(píng)估依據(jù)。假設(shè)在戶外探險(xiǎn)之前有時(shí)會(huì)忘記采用防曬措施，或者當(dāng)他們初來乍到時(shí)可能沒有意識(shí)到陽光射線的強(qiáng)度，從而容易受到曬傷。能夠通知用戶環(huán)境UV輻射強(qiáng)度的可穿戴設(shè)備可以幫助用戶避免意外曬傷所帶來的不適和危險(xiǎn)。UV傳感器也能夠根據(jù)長時(shí)間的UV照射量提醒用戶重新擦抹防曬霜。由于這些原因，具有UV指數(shù)傳感器的可穿戴計(jì)算產(chǎn)品(例如健身追蹤器和智能手表)正在開始出現(xiàn)在消費(fèi)電子市場。

雖然工業(yè)UV傳感器被廣泛應(yīng)用，但是這些傳感器主要關(guān)注人工產(chǎn)生的波段，通常處于UVC范圍內(nèi)，以便確保工人不會(huì)受到用于消毒工具和設(shè)備上的UVC照射的影響。用于可穿戴設(shè)備或智能手機(jī)中的UV指數(shù)傳感器(如圖3所示)設(shè)計(jì)旨在關(guān)注UVA和UVB范圍，以及依據(jù)CIE紅斑作用光譜確定這些波長是如何影響我們的皮膚的。

圖3 - 可穿戴設(shè)備和智能手表產(chǎn)品能夠通過集成UV指數(shù)傳感器幫助消費(fèi)者免受UV過度照射。

傳統(tǒng)上，用于消費(fèi)類的UV傳感器采用分立式解決方案實(shí)現(xiàn)，通常由對(duì)UV頻率范圍敏感的光電二極管構(gòu)成。在進(jìn)入微控制器(MCU)處理之前，這些光電二極管產(chǎn)生的電流通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化。光電二極管的靈敏度波動(dòng)很大，消費(fèi)類應(yīng)用中的可靠性使用需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。這些分立式UV解決方案往往依賴于復(fù)合半導(dǎo)體，這使得它們很難與基于CMOS的信號(hào)調(diào)節(jié)和處理電路集成。

尺寸也是可穿戴設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題，分立器件封裝占用大量空間，很難應(yīng)用于可穿戴產(chǎn)品中。因?yàn)楫?dāng)人們在戶外鍛煉時(shí)手腕區(qū)域通常暴露于陽光下，因此運(yùn)動(dòng)手表和健康/健身腕帶非常適合具有UV測量功能的應(yīng)用。然而，由于需要在極小的“手腕”尺寸中集成先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理和天線功能，這些可穿戴設(shè)備已經(jīng)變得空間極度受限。

在硅基片上進(jìn)行集成處理不僅節(jié)省空間而且可以改進(jìn)UV測量本身。如果傳感器IC不僅包含UV傳感器也包含信號(hào)調(diào)節(jié)電路(例如運(yùn)算放大器)和ADC，那么它就可以在工廠執(zhí)行設(shè)備校準(zhǔn)和編程，確保產(chǎn)品UV數(shù)據(jù)的一致性。如果一個(gè)MCU被集成到解決方案中去執(zhí)行校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)讀取、并以可用形式提供數(shù)據(jù)，那么這種能力將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。Silicon Labs已經(jīng)在設(shè)計(jì)Si1132和Si114x數(shù)字UV傳感器中實(shí)現(xiàn)了這種高集成方法，它在一個(gè)極小的2mmx2mm封裝的單芯片IC中包含了UV指數(shù)傳感器和數(shù)字處理電路。事實(shí)上，由于UV指數(shù)傳感器IC產(chǎn)品小到可以在典型的8.5英寸寬的頁面中放置655顆這種傳感器。

由于大多數(shù)可穿戴設(shè)備是電池供電的，它們有較高的能耗限制，需要高能效的器件。基于這些考慮，Silicon Labs公司設(shè)計(jì)的Si1132和Si114x UV指數(shù)傳感器(見圖4示例)具有極低的電流消耗，每秒執(zhí)行一次UV測量時(shí)僅消耗1.2uA，待機(jī)電流更是小于500nA。Si1132/4x傳感器為獲得更精確的測量，在工廠中進(jìn)行了校準(zhǔn)過程以克服器件之間的差異。該傳感器包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，可將數(shù)字化的UV指數(shù)值傳輸?shù)街鳈C(jī)處理器。為了確保傳感器的UV讀數(shù)匹配醫(yī)學(xué)的重要頻率范圍，UV指數(shù)傳感器僅在匹配CIE光譜規(guī)定的加權(quán)的UVA和UVB波長上執(zhí)行測量。

圖4 - 單芯片UV指數(shù)傳感器IC架構(gòu)示例。

包含采集和處理電子元器件的子系統(tǒng)可以很容易整合其他形式的光感應(yīng)，所有這些能夠通過單一I2C總線進(jìn)行訪問。這種方法被Silicon Labs的UV指數(shù)傳感器系列產(chǎn)品用來整合不僅僅是環(huán)境光感應(yīng)(用于檢測可見光等級(jí))也包括用于接近檢測的紅外感應(yīng)。此外，Si114x傳感器最多集成了3個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，能夠用于開發(fā)手勢識(shí)別接口，這對(duì)于可穿戴系統(tǒng)來講，正變得日益重要。當(dāng)LED和相應(yīng)的傳感器放到皮膚上時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器也能夠用于心率和脈搏測量。先進(jìn)移動(dòng)和手勢感應(yīng)的開發(fā)可依靠設(shè)計(jì)工具套件和API輔助實(shí)現(xiàn)。

除了UV測量之外，環(huán)境光線感應(yīng)器可輕松整合其它保健功能。例如，整天都會(huì)佩戴的可穿戴設(shè)備中的環(huán)境光傳感器，當(dāng)天黑時(shí)可以告知主機(jī)MCU，指示佩戴者可能處于睡眠中。可穿戴系統(tǒng)中的加速計(jì)讀數(shù)能夠指示晚間睡眠模式是否受到干擾。環(huán)境光傳感器也能夠基于攝入的可見光強(qiáng)度調(diào)整顯示亮度，從而有助于改善可穿戴產(chǎn)品的用戶界面和電池壽命。