高能效UV紫外線指數(shù)傳感器搶占可穿戴市場(chǎng)商機(jī)

　　隨著蘋果發(fā)布 iWatch 智能手表的腳步日益臨近，有關(guān)iWatch猜測(cè)、爆料也越來(lái)越猛。例如，巴克萊分析師 Blayne Curtis日前就爆料：iWatch 將采用 Silicon Labs 公司的紫外線指數(shù)傳感器芯片。而最近又有一系列文章預(yù)測(cè)，iWatch還將整合最少10種傳感器......毫無(wú)疑問(wèn)，傳感器的應(yīng)用已成為可穿戴市場(chǎng)關(guān)注的一大焦點(diǎn)。

　　“Silicon Labs不僅推出了全球首款單芯片紫外線指數(shù)傳感器，還提供各類高能效傳感器，如溫濕度、紅外接近、環(huán)境光、手勢(shì)感應(yīng)等，能滿足眾多應(yīng)用的需求，并且新產(chǎn)品還在不斷推出。正如Silicon Labs一貫的產(chǎn)品性能特點(diǎn)，高性能、低功耗、小封裝同樣是這些混合信號(hào)智能傳感器的最主要優(yōu)勢(shì)。” Silicon Labs核心代理商——世強(qiáng)資深技術(shù)主管廖華平表示。

　　
圖1. 世強(qiáng)代理的Silicon Labs傳感器產(chǎn)品概覽。

　　UV指數(shù)傳感器為可穿戴設(shè)備提供差異化

　　在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，對(duì)UV感測(cè)的需求正在上升，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)者打算通過(guò)提供保護(hù)人們免于UV傷害的這種新功能，來(lái)尋求在可穿戴和手持設(shè)備上的差異化設(shè)計(jì)。UV檢測(cè)對(duì)于那些有曬傷危險(xiǎn)或者對(duì)光照有疑慮的人們是有幫助的，例如：戶外活動(dòng)的終端用戶在他們達(dá)到危險(xiǎn)的暴露級(jí)別之前，帶有UV傳感器的產(chǎn)品可以為其測(cè)量累積的UV強(qiáng)度并且及時(shí)報(bào)警。

　　針對(duì)這一市場(chǎng)需求，Silicon Labs在今年2月份推出了適用于智能手機(jī)和可穿戴產(chǎn)品的單芯片數(shù)字紫外線(UV)指數(shù)傳感器IC系列——Si11xx——紫外線指數(shù)、環(huán)境光和接近/手勢(shì)傳感器。設(shè)計(jì)旨在檢測(cè)UV光照強(qiáng)度、心臟/脈搏速率、血氧飽和度，以及提供接近/手勢(shì)控制等。

　　“Si1132是全球首款單芯片數(shù)字紫外線指數(shù)傳感器，它集成環(huán)境光傳感器，能自動(dòng)調(diào)整顯示來(lái)優(yōu)化功耗并讓人眼更舒服，同時(shí)可以跟加速計(jì)一起實(shí)現(xiàn)對(duì)人睡眠的跟蹤。其在1Hz采樣率下的功耗1.2uA ，具有超長(zhǎng)電池壽命;集成光敏二極管、ADC和信號(hào)處理功能，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì);通過(guò)I2C接口讀取紫外線指數(shù)值;工廠校準(zhǔn)提高產(chǎn)品的一致性;2×2毫米封裝。以上這些特性使得Si1132成為智能可穿戴和保健應(yīng)用的理想選擇。” 廖華平指出。

　　此外，Silicon Labs還推出了Si1145/46/47 UV和IR接近/環(huán)境光傳感器，根據(jù)型號(hào)提供單、雙、三個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器集成選項(xiàng)，可為手勢(shì)識(shí)別提供15級(jí)可選擇的驅(qū)動(dòng)等級(jí)。可應(yīng)用于：心率和血氧測(cè)量、長(zhǎng)距離接近檢測(cè)、先進(jìn)的2D和3D手勢(shì)檢測(cè)等。

　　Si1132和Si114x傳感器在寬動(dòng)態(tài)范圍的光源(包括太陽(yáng)光)下提供了優(yōu)秀性能。其牢靠的傳感架構(gòu)也包括一個(gè)感應(yīng)能力高達(dá)128kLux的環(huán)境光傳感器。光電二極管響應(yīng)和相關(guān)的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路為人造光閃爍噪聲和自然光干擾噪聲提供了優(yōu)秀的抗干擾能力。

　　“Si1132和Si114x傳感器IC非常適用于具有動(dòng)作跟蹤功能的腕帶和臂帶產(chǎn)品、智能手表和智能手機(jī)等應(yīng)用。除了支持UV指數(shù)檢測(cè)之外，這些器件也可為健康和健身方面的應(yīng)用提供環(huán)境光和紅外(IR)接近感測(cè)功能。LG就用Si114x做了心率測(cè)量的耳塞。”廖華平表示。

　　2x2mm封裝、超低功耗解決可穿戴兩大難題

　　尺寸一直都是可穿戴設(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?cè)趹敉忮憻挄r(shí)手腕區(qū)域通常暴露于陽(yáng)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(cè)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。

　　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MCU處理之前，這些光電二極管產(chǎn)生的電流通過(guò)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。

　　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(cè)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首先將所有這些功能集成到單芯片解決方案中，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。超小的2mm x 2mm封裝有助于減小最終設(shè)計(jì)的尺寸并且降低物料清單(BOM)成本。廖華平強(qiáng)調(diào)：“UV指數(shù)傳感器IC產(chǎn)品已經(jīng)小到可以在典型的8.5英寸寬的頁(yè)面中放置655顆這種傳感器。”

　　延長(zhǎng)電池壽命是可穿戴設(shè)計(jì)的另一個(gè)難題，Si11xx的超低功耗架構(gòu)可幫助用戶采用更小電池實(shí)現(xiàn)更薄的可穿戴式設(shè)計(jì)，在每秒一次的UV測(cè)量速率下平均電流低至1.2μA，待機(jī)電流更是小于500nA，有效的延長(zhǎng)了電池壽命。

　　
圖2. 單芯片UV指數(shù)傳感器IC架構(gòu)示例。

　　在功耗顯著低于同類產(chǎn)品條件下，傳感器也提供了更大的靈敏度和感應(yīng)距離。憑著單一的25.6μs紅外光LED工作時(shí)間，高靈敏度的IR傳感器能夠在移動(dòng)感應(yīng)和手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用中明顯延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)保持長(zhǎng)達(dá)50cm的感應(yīng)距離。此外，LED電流動(dòng)態(tài)調(diào)整也進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。