紫外线传感器助用户免于过度暴晒
2014-06-14 08:10:40   来源：微迷   评论：0   点击：

皮肤癌已成为日益增长的人类健康问题。在过去的30年中，患有皮肤癌的人数已经超过患有其它类型癌症人数的总和。在美国，皮肤癌已经成为癌症的最常见形式，每年有超过350万的病例被确诊。因此，人们开始变得越来越关心他们受到的紫外线（UV）辐射量，更确切的说，大多数人认为UV是造成皮肤癌肿瘤形成的原因。

UV辐射是环境的自然组成部分，甚至在小计量下还会有益于人类。如果我们试图消除所有UV照射，我们将会发现由维生素D缺乏而引起的骨骼疾病逐渐增加，这是因为维生素D需要在UV的帮助下由人体合成。从UV中获得多少健康益处因人而异，因为UV照射和皮肤色素沉着之间有必然的联系。关键是要维持UV照射在一个最佳的健康水平，而不至于高到有危险。

当开发UV感应应用时，区分不同的UV类型是有益的。在1932年第二届光学国际会议上明确定义了三种波长在100nm~400nm范围内的UV类型：UVA、UVB、UVC。对于进行环境光UV测量的消费类应用来说，仅仅其中的两种类型（UVA和UVB）是重要的。来自太阳光的短波长UVC光子不能穿透大气层，就大多数情况而言，可以被个人健康和可穿戴产品所忽略。UVC主要用于工业类应用，例如用于杀毒和消毒设备，因为UVC辐射可以杀害细菌和其它传染性微生物体。

UVA和UVB射线可以穿透地球的大气层，然而较短波长的UVB射线（290nm~320nm）比较长波UVA射线（320nm~400nm）更容易被吸收掉。除了更容易穿透大气层之外，UVA射线比更高能量的UVB射线更容易穿透人体皮肤，如图1所示。

图1 UV辐射类型和对人体皮肤的影响

UVA确实有一定的保健功效，因为它会激活存在于上层皮肤细胞中的黑色素，形成一种快速出现又快速消失的棕褐肤色。但是当渗透到更深的皮肤层时，UVA也会影响结缔组织和血管。根据来自世界卫生组织(WHO)的数据，当皮肤受到过度UVA照射时，皮肤会逐渐失去弹性并且开始起皱。最近的研究也表明，UVA也可能会加重皮肤癌扩散，尽管UVA的损害机理目前还不是十分清楚。

科学家们在很久以前就知道UVB射线比UVA更有害健康。UVB照射已被证明会引起DNA损伤，导致不可逆转的基因伤害。哺乳动物细胞具有处理由环境（例如UV照射）引起的轻度DNA损伤的自我修复机制。然而，一旦损伤到达一定程度，修复机制不再有效，并且在正常环境下细胞会自己死亡，这个过程被生物学家称为“细胞凋亡”。例如，当某人受到严重晒伤时就会发生这种情况。如果皮肤细胞不能正常进行细胞新陈代谢，它可能就会形成癌性肿瘤的内核。

许多因素会导致UV照射的显著变化。海拔越高，大气对UV射线的吸收就越少，因此就会导致更高的UV照射。时间和季节性的不同、以及云和尘埃的存在都会影响到室外个人所接收到的太阳UV辐射计量。在全球，UV辐射水平大约有四倍的变化，这种状况因聚集在大气中的臭氧存在方式不同而变得更加复杂，这是因为臭氧对于UVB有很强的吸收能力。在高纬度地区，大气中存在较少臭氧，从而增加了由UVB导致的DNA损伤风险。

黑色素瘤的发病率趋势呈现为越是生活在高纬度地区的皮肤白皙的人发病率越高。例如根据WHO的数据，就皮肤癌的死亡率，北欧国家是地中海国家的6倍。这种情况的部分原因是皮肤白皙的人在阳光充足的地区度假时，受到更高的UV照射。

WHO制定了UV指数，以此来提高人们对过度暴露于UV照射的风险意识，并帮助气象预报员和消费者评估一天中的阳光强度，以便他们能够采取预防措施。UV指数提供了与太阳光强度线性相关的数值，如图2所示。UV指数预报是基于中午的UV指数预测；真实的UV指数在一天当中会由于太阳角度和变化的云量而改变。此外，因为人体皮肤对UVA和UVB反应不同，UV指数是根据国际照明委员会（CIE）红斑作用光谱计算的。CIE提供了基于正常人体皮肤反应的标准化的UV指数加权算法，它对于衡量太阳光能造成多大的危害非常重要。

图2 WHO UV指数表（UV照射等级从1-2级超低风险到11+高风险）

预防性措施（例如UV指数）有益于公共健康，当人们在到达不健康的UV照射等级时提供早期警报。可穿戴设备和智能手机能够主动提供便捷的方法去使用UV数值指示，用它确认一个人能够在没有户外保护措施（例如，使用防晒霜、太阳镜、帽子和其它防护衣服）的阳光下停留多长时间。由于可穿戴设备和智能手机都可以长时间储存数据，因此消费者可以使用这些设备确定其累积的紫外线照射量，比如说当人在日光浴、运动或户外工作时。UV照射测量能够为可能受到晒伤风险人们提供至关重要的信息，尤其是长期UV照射累积而引起晒伤时。

另外解决强紫外线照射带来的严重健康问题，能够确认来自白天受到的深度紫外线的照射，提供舒适和便利的评估依据。假设在户外探险之前有时会忘记采用防晒措施，或者当他们初来乍到时可能没有意识到阳光射线的强度，从而容易受到晒伤。能够通知用户环境UV辐射强度的可穿戴设备可以帮助用户避免意外晒伤所带来的不适和危险。紫外线传感器也能够根据长时间的UV照射量提醒用户重新擦抹防晒霜。由于这些原因，具有紫外线传感器的可穿戴设备（例如健身追踪器和智能手表）正在开始出现在消费电子市场。

虽然工业紫外线传感器被广泛应用，但是这些传感器主要关注人工产生的波段，通常处于UVC范围内，以便确保工人不会受到用于消毒工具和设备上的UVC照射的影响。用于可穿戴设备或智能手机中的紫外线传感器设计旨在关注UVA和UVB范围，以及依据CIE红斑作用光谱确定这些波长是如何影响我们的皮肤的。

传统上，用于消费类的紫外线传感器采用分立式解决方案实现，通常由对紫外线频率范围敏感的光电二极管构成。在进入微控制器（MCU）处理之前，这些光电二极管产生的电流通过模数转换器（ADC）进行数字化。光电二极管的灵敏度波动很大，消费类应用中的可靠性使用需要对其进行校准。这些分立式UV解决方案往往依赖于复合半导体，这使得它们很难与基于CMOS的信号调节和处理电路集成。

尺寸也是可穿戴设计中的一个难题，分立器件封装占用大量空间，很难应用于可穿戴产品中。因为当人们在户外锻炼时手腕区域通常暴露于阳光下，因此运动手表和健康/健身腕带非常适合具有紫外线测量功能的应用。然而，由于需要在极小的“手腕”尺寸中集成先进数字信号处理和天线功能，这些可穿戴设备已经变得空间极度受限。

在硅基片上进行集成处理不仅节省空间而且可以改进紫外线测量本身。如果传感器IC不仅包含紫外线传感器也包含信号调节电路（例如运算放大器）和ADC，那么它就可以在工厂执行设备校准和编程，确保产品紫外线数据的一致性。如果一个MCU被集成到解决方案中去执行校准、数据读取、并以可用形式提供数据，那么这种能力将会进一步增强。Silicon Labs已经在设计Si1132和Si114x数字紫外线传感器中实现了这种高集成方法，它在一个极小的2 mm x 2 mm封装的单芯片IC中包含了紫外线传感器和数字处理电路。事实上，由于紫外线传感器IC产品小到可以在典型的8.5英寸宽的页面中放置655颗这种传感器。

由于大多数可穿戴设备是电池供电的，它们有较高的能耗限制，需要高能效的器件。基于这些考虑，Silicon Labs公司设计的Si1132和Si114x UV指数传感器具有极低的电流消耗，每秒执行一次UV测量时仅消耗1.2uA，待机电流更是小于500nA。Si1132/4x传感器为获得更精确的测量，在工厂中进行了校准过程以克服器件之间的差异。该传感器包括工业标准的I2C接口，可将数字化的UV指数值传输到主机处理器。为了确保传感器的UV读数匹配医学的重要频率范围，UV指数传感器仅在匹配CIE光谱规定的加权的UVA和UVB波长上执行测量。

包含采集和处理电子元器件的子系统可以很容易整合其他形式的光感应，所有这些能够通过单一I2C总线进行访问。这种方法被Silicon Labs的紫外线传感器系列产品用来整合不仅仅是环境光感应（用于检测可见光等级）也包括用于接近检测的红外感应。此外，Si114x传感器最多集成了3个LED驱动器，能够用于开发手势识别接口，这对于可穿戴系统来讲，正变得日益重要。当LED和相应的传感器放到皮肤上时，LED驱动器也能够用于心率和脉搏测量。先进移动和手势感应的开发可依靠设计工具套件和API辅助实现。

除了紫外线测量之外，环境光线传感器可轻松整合其它保健功能。例如，整天都会佩戴的可穿戴设备中的环境光传感器，当天黑时可以告知主机MCU，指示佩戴者可能处于睡眠中。可穿戴系统中的加速计读数能够指示晚间睡眠模式是否受到干扰。环境光传感器也能够基于摄入的可见光强度调整显示亮度，从而有助于改善可穿戴产品的用户界面和电池寿命。