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作者：Kevin Kilbane，Silicon Labs 皮膚癌已成為日益增長(cháng)的人類(lèi)健康問(wèn)題。在過(guò)去的30年中，患有皮膚癌的人數已經(jīng)超過(guò)患有其它類(lèi)型癌癥人數的總和。在美國，皮膚癌已經(jīng)成為癌癥的最常見(jiàn)形式，每年有超過(guò)350萬(wàn)的病例被確診。因此，人們開(kāi)始變得越來(lái)越關(guān)心他們受到的紫外線(xiàn)(UV)輻射量，更確切的說(shuō)，大多數人認為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，甚至在小計量下還會(huì )有益于人類(lèi)。如果我們試圖消除所有UV照射，我們將會(huì )發(fā)現由維生素D缺乏而引起的骨骼疾病逐漸增加，這是因為維生素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，因為UV照射和皮膚色素沉著(zhù)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。 當開(kāi)發(fā)UV感應應用時(shí)，區分不同的UV類(lèi)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(cháng)在100nm~400nm范圍內的UV類(lèi)型：UVA、UVB、UVC。對于進(jìn)行環(huán)境光UV測量的消費類(lèi)應用來(lái)說(shuō)，僅僅其中的兩種類(lèi)型(UVA和UVB)是重要的。來(lái)自太陽(yáng)光的短波長(cháng)UVC光子不能穿透大氣層，就大多數情況而言，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(lèi)應用，例如用于殺毒和消毒設備，因為UVC輻射可以殺害細菌和其它傳染性微生物體。 UVA和UVB射線(xiàn)可以穿透地球的大氣層，然而較短波長(cháng)的UVB射線(xiàn)(290nm~320nm)比較長(cháng)波UVA射線(xiàn)(320nm~400nm)更容易被吸收掉。除了更容易穿透大氣層之外，UVA射線(xiàn)比更高能量的UVB射線(xiàn)更容易穿透人體皮膚，如圖1所示。 
圖1 -UV輻射類(lèi)型和對人體皮膚的影響。 UVA確實(shí)有一定的保健功效，因為它會(huì )激活存在于上層皮膚細胞中的黑色素，形成一種快速出現又快速消失的棕褐膚色。但是當滲透到更深的皮膚層時(shí)，UVA也會(huì )影響結締組織和血管。根據來(lái)自世界衛生組織(WHO)的數據，當皮膚受到過(guò)度UVA照射時(shí)，皮膚會(huì )逐漸失去彈性并且開(kāi)始起皺。最近的研究也表明，UVA也可能會(huì )加重皮膚癌擴散，盡管UVA的損害機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(xiàn)比UVA更有害健康。UVB照射已被證明會(huì )引起DNA損傷，導致不可逆轉的基因傷害。哺乳動(dòng)物細胞具有處理由環(huán)境(例如UV照射)引起的輕度DNA損傷的自我修復機制。然而，一旦損傷到達一定程度，修復機制不再有效，并且在正常環(huán)境下細胞會(huì )自己死亡，這個(gè)過(guò)程被生物學(xué)家稱(chēng)為“細胞凋亡”。例如，當某人受到嚴重曬傷時(shí)就會(huì )發(fā)生這種情況。如果皮膚細胞不能正常進(jìn)行細胞新陳代謝，它可能就會(huì )形成癌性腫瘤的內核。 許多因素會(huì )導致UV照射的顯著(zhù)變化。海拔越高，大氣對UV射線(xiàn)的吸收就越少，因此就會(huì )導致更高的UV照射。時(shí)間和季節性的不同、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(yáng)UV輻射計量。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雜，這是因為臭氧對于UVB有很強的吸收能力。在高緯度地區，大氣中存在較少臭氧，從而增加了由UVB導致的DNA損傷風(fēng)險。 黑色素瘤的發(fā)病率趨勢呈現為越是生活在高緯度地區的皮膚白皙的人發(fā)病率越高。例如根據WHO的數據，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(yáng)光充足的地區度假時(shí)，受到更高的UV照射。 WHO制定了UV指數，以此來(lái)提高人們對過(guò)度暴露于UV照射的風(fēng)險意識，并幫助氣象預報員和消費者評估一天中的陽(yáng)光強度，以便他們能夠采取預防措施。UV指數提供了與太陽(yáng)光強度線(xiàn)性相關(guān)的數值，如圖2所示。UV指數預報是基于中午的UV指數預測；真實(shí)的UV指數在一天當中會(huì )由于太陽(yáng)角度和變化的云量而改變。此外，因為人體皮膚對UVA和UVB反應不同，UV指數是根據國際照明委員會(huì )(CIE)紅斑作用光譜計算的。CIE提供了基于正常人體皮膚反應的標準化的UV指數加權算法，它對于衡量太陽(yáng)光能造成多大的危害非常重要。
圖2 -WHO UV指數表(UV照射等級從1-2級超低風(fēng)險到11+高風(fēng)險)。 預防性措施(例如UV指數)有益于公共健康，當人們在到達不健康的UV照射等級時(shí)提供早期警報�？纱┐髟O備和智能手機能夠主動(dòng)提供便捷的方法去使用UV數值指示，用它確認一個(gè)人能夠在沒(méi)有戶(hù)外保護措施(例如，使用防曬霜、太陽(yáng)鏡、帽子和其它防護衣服)的陽(yáng)光下停留多長(cháng)時(shí)間。由于可穿戴設備和智能手機都可以長(cháng)時(shí)間儲存數據，因此消費者可以使用這些設備確定其累積的紫外線(xiàn)照射量，比如說(shuō)當人在日光浴、運動(dòng)或戶(hù)外工作時(shí)。UV照射測量能夠為可能受到曬傷風(fēng)險人們提供至關(guān)重要的信息，尤其是長(cháng)期UV照射累積而引起曬傷時(shí)。 另外解決強紫外線(xiàn)照射帶來(lái)的嚴重健康問(wèn)題，能夠確認來(lái)自白天受到的深度紫外線(xiàn)的照射，提供舒適和便利的評估依據。假設在戶(hù)外探險之前有時(shí)會(huì )忘記采用防曬措施，或者當他們初來(lái)乍到時(shí)可能沒(méi)有意識到陽(yáng)光射線(xiàn)的強度，從而容易受到曬傷。能夠通知用戶(hù)環(huán)境UV輻射強度的可穿戴設備可以幫助用戶(hù)避免意外曬傷所帶來(lái)的不適和危險。UV傳感器也能夠根據長(cháng)時(shí)間的UV照射量提醒用戶(hù)重新擦抹防曬霜。由于這些原因，具有UV指數傳感器的可穿戴計算產(chǎn)品(例如健身追蹤器和智能手表)正在開(kāi)始出現在消費電子市場(chǎng)。 雖然工業(yè)UV傳感器被廣泛應用，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，以便確保工人不會(huì )受到用于消毒工具和設備上的UVC照射的影響。用于可穿戴設備或智能手機中的UV指數傳感器(如圖3所示)設計旨在關(guān)注UVA和UVB范圍，以及依據CIE紅斑作用光譜確定這些波長(cháng)是如何影響我們的皮膚的。
圖3 - 可穿戴設備和智能手表產(chǎn)品能夠通過(guò)集成UV指數傳感器幫助消費者免受UV過(guò)度照射。 傳統上，用于消費類(lèi)的UV傳感器采用分立式解決方案實(shí)現，通常由對UV頻率范圍敏感的光電二極管構成。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(guò)模數轉換器(ADC)進(jìn)行數字化。光電二極管的靈敏度波動(dòng)很大，消費類(lèi)應用中的可靠性使用需要對其進(jìn)行校準。這些分立式UV解決方案往往依賴(lài)于復合半導體，這使得它們很難與基于CMOS的信號調節和處理電路集成。 尺寸也是可穿戴設計中的一個(gè)難題，分立器件封裝占用大量空間，很難應用于可穿戴產(chǎn)品中。因為當人們在戶(hù)外鍛煉時(shí)手腕區域通常暴露于陽(yáng)光下，因此運動(dòng)手表和健康/健身腕帶非常適合具有UV測量功能的應用。然而，由于需要在極小的“手腕”尺寸中集成先進(jìn)數字信號處理和天線(xiàn)功能，這些可穿戴設備已經(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傳感器也包含信號調節電路(例如運算放大器)和ADC，那么它就可以在工廠(chǎng)執行設備校準和編程，確保產(chǎn)品UV數據的一致性。如果一個(gè)MCU被集成到解決方案中去執行校準、數據讀取、并以可用形式提供數據，那么這種能力將會(huì )進(jìn)一步增強。Silicon Labs已經(jīng)在設計Si1132和Si114x數字UV傳感器中實(shí)現了這種高集成方法，它在一個(gè)極小的2mmx2mm封裝的單芯片IC中包含了UV指數傳感器和數字處理電路。事實(shí)上，由于UV指數傳感器IC產(chǎn)品小到可以在典型的8.5英寸寬的頁(yè)面中放置655顆這種傳感器。 由于大多數可穿戴設備是電池供電的，它們有較高的能耗限制，需要高能效的器件�；谶@些考慮，Silicon Labs公司設計的Si1132和Si114x UV指數傳感器(見(jiàn)圖4示例)具有極低的電流消耗，每秒執行一次UV測量時(shí)僅消耗1.2uA，待機電流更是小于500nA。Si1132/4x傳感器為獲得更精確的測量，在工廠(chǎng)中進(jìn)行了校準過(guò)程以克服器件之間的差異。該傳感器包括工業(yè)標準的I2C接口，可將數字化的UV指數值傳輸到主機處理器。為了確保傳感器的UV讀數匹配醫學(xué)的重要頻率范圍，UV指數傳感器僅在匹配CIE光譜規定的加權的UVA和UVB波長(cháng)上執行測量。
圖4 - 單芯片UV指數傳感器IC架構示例。 包含采集和處理電子元器件的子系統可以很容易整合其他形式的光感應，所有這些能夠通過(guò)單一I2C總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這種方法被Silicon Labs的UV指數傳感器系列產(chǎn)品用來(lái)整合不僅僅是環(huán)境光感應(用于檢測可見(jiàn)光等級)也包括用于接近檢測的紅外感應。此外，Si114x傳感器最多集成了3個(gè)LED驅動(dòng)器，能夠用于開(kāi)發(fā)手勢識別接口，這對于可穿戴系統來(lái)講，正變得日益重要。當LED和相應的傳感器放到皮膚上時(shí)，LED驅動(dòng)器也能夠用于心率和脈搏測量。先進(jìn)移動(dòng)和手勢感應的開(kāi)發(fā)可依靠設計工具套件和API輔助實(shí)現。 除了UV測量之外，環(huán)境光線(xiàn)感應器可輕松整合其它保健功能。例如，整天都會(huì )佩戴的可穿戴設備中的環(huán)境光傳感器，當天黑時(shí)可以告知主機MCU，指示佩戴者可能處于睡眠中�？纱┐飨到y中的加速計讀數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(jiàn)光強度調整顯示亮度，從而有助于改善可穿戴產(chǎn)品的用戶(hù)界面和電池壽命。 |
