發布日期：2022-10-09 點擊率：61
皮膚癌已成為日益增長的人類健康問題。在過去的30年中，患有皮膚癌的人數已經超過患有其它類型癌癥人數的總和。在美國，皮膚癌已經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，人們變得開始越來越關心去測量他們受到的紫外線（UV）輻射量，更確切的說，大多數人認為UV是造成皮膚癌腫瘤形成的原因。
UV輻射是環境的自然組成部分，甚至在小計量下還會有益于人類。如果我們試圖消除所有UV照射，我們將會發現由維生素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之間有必然的聯系。關鍵是要維持UV照射在一個最佳的健康水平，而不至于高到有危險。
當開發UV感應應用時，區分不同的UV類型是有益的。在1932年第二屆光學國際會議上明確定義了三種波長在100nm-400nm范圍內的UV類型：UVA、UVB、UVC。對于進行環境光UV測量的消費類應用來說，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，就大多數情況而言，可以被個人健康和可穿戴產品所忽略。UVC主要用于工業類應用，例如用于殺毒和消毒設備，因為UVC輻射對于細菌和其它傳染性微生物體具有殺害作用。
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射線比具有更高能量的UVB射線更容易穿透人體皮膚，如圖1所示。
圖1 -UV輻射類型和對人體皮膚的影響
UVA確實有一定的保健功效，因為它會激活存在于上層皮膚細胞中的黑色素，形成一種快速呈現又快速消失的棕褐膚色。但是當滲透到更深的皮膚層時，UVA也會影響結締組織和血管。根據來自世界衛生組織（ WHO）的數據，當皮膚受到過度UVA照射時，皮膚會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。
科學家們在很長時間以前就知道UVB射線比UVA更有害健康。UVB照射已被證明會引起DNA損傷，導致不可逆轉的基因傷害。哺乳動物細胞具有處理由環境（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，并且在正常環境下細胞會自己死亡，這個過程被生物學家稱為“細胞凋亡”。例如，當某人受到嚴重曬傷時就會發生這種情況。如果皮膚細胞不能正常進行細胞新陳代謝，它可能就會形成癌性腫瘤的內核。
許多因素會導致UV照射的顯著變化。海拔越高，大氣對UV射線的吸收就越少，因此就會導致更高的UV照射。時辰和季節性的不同、以及云和塵埃的存在都會影響到室外個人所接收到的太陽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，這是因為臭氧會強烈吸收UVB。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損傷風險。
黑色素瘤的發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病率越高。例如根據WHO的數據，對于皮膚癌的死亡率，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度假時，接收更高的UV照射。
WHO制定了UV指數，以此來提高人們對過度暴露于UV照射的風險意識，并幫助氣象預報員和消費者評估一天中的陽光強度，以便他們能夠采取預防措施。UV指數提供了與太陽光強度線性相關的數值，如圖2所示。UV指數預報是基于中午的UV指數預測；真實的UV指數在一天當中會由于太陽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（ 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，它對于衡量太陽光造成多大危害非常重要。
圖2 -WHO UV指數表（UV照射等級從1-2級超低風險到11+高風險）
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照射等級時提供早期報警。可穿戴設備和智能手機能夠主動提供便捷的方法去使用UV數值指示，用它確認一個人能夠在沒有戶外保護措施（例如，使用防曬霜、太陽鏡、帽子和其它防護衣服）的陽光下停留多長時間。由于可穿戴設備和智能手機都可以長時間儲存數據，因此消費者可以使用這些設備確定其累積的紫外線照射量，比如說當人在日光浴、運動或戶外工作時。UV照射測量能夠為可能受到曬傷風險人們提供至關重要的信息，尤其是長期UV照射累積而引起曬傷時。
另外解決強紫外線照射帶來的嚴重健康問題，能夠確認來自白天受到的深度紫外線的照射，提供舒適和便利的評估依據。假設在戶外探險之前有時會忘記采用防曬措施，或者當他們初來乍到時可能沒有意識到陽光射線的強度，從而容易受到曬傷。能夠通知用戶環境UV輻射強度的可穿戴設備可以幫助用戶避免意外曬傷所帶來的不適和危險。UV傳感器也能夠根據長時間的UV照射量提醒用戶重新擦抹防曬霜。由于這些原因，具有UV指數傳感器的可穿戴計算產品（例如健身追蹤器和智能手表）正在開始出現在消費電子市場。
雖然工業UV傳感器被廣泛應用，但是這些傳感器主要關注人工產生的波段，通常處于UVC范圍內，以便確保工業工人不會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）設計旨在關注UVA和UVB范圍，以及關注依據CIE紅斑作用光譜這些波長如何影響我們的皮膚。
圖3 - 可穿戴設備和智能手表產品能夠通過集成UV指數傳感器
幫助消費者免受UV過度照射
傳統上，用于消費類的UV傳感器采用分立式解決方案實現，通常由對UV頻率范圍敏感的光電二極管構成。在進入微控制器（MCU）處理之前，這些光電二極管產生的電流通過模數轉換器（ADC）進行數字化。光電二極管的靈敏度波動很大，消費類應用中的可靠性使用需要對其進行校準。這些分立式UV解決方案往往依賴于復合半導體，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難題，分立器件封裝占用大量空間，很難應用于可穿戴產品中。因為當人們在戶外鍛煉時手腕區域通常暴露于陽光下，因此運動手表和健康/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”尺寸中集成先進數字信號處理和天線功能，這些可穿戴設備已經變得空間極度受限。
在硅基片上進行集成處理不僅節省空間而且可以改進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執行設備校準和編程，確保產品UV數據的一致性。如果一個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，那么這種能力將會進一步增強。Silicon Labs已經在設計Si1132和Si114x數字UV傳感器中實現了這種高集成方法，它在一個極小的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。事實上，由于UV指數傳感器IC產品是如此之小，以至于可以在典型的8.5in寬的頁面中放置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。基于這些考慮，Silicon Labs公司設計的Si1132和Si114x UV指數傳感器（見圖4示例）具有極低的電流消耗，每秒執行一次UV測量時僅消耗1.2μA，待機電流更是小于500nA。Si1132/4x傳感器為獲得更精確的測量，在工廠中進行了校準過程以克服器件之間的差異。該傳感器包括工業標準的I2C接口，可傳輸數字化的UV指數值到主機處理器。為了確保傳感器的UV讀數匹配醫學的重要頻率范圍，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，所有這些能夠通過單一I2C總線進行訪問。這種方法被Silicon Labs的UV指數傳感器系列產品用來整合不僅僅是環境光感應（用于檢測可見光等級）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LED驅動器，能夠用于開發手勢識別接口，這對于可穿戴系統正變得日益重要。當LED和相應的傳感器放到皮膚上時，LED驅動器也能夠用于心率和脈搏測量。先進移動和手勢感應的開發可依靠設計工具套件和API輔助實現。
除了UV測量之外，環境光線感應器可輕松整合其它保健功能。例如，整天都會佩戴的可穿戴設備中的環境光傳感器，當天黑時可以告知主機MCU，指示佩戴者可能處于睡眠中。可穿戴系統中的加速計讀數能夠指示晚間睡眠模式是否受到干擾。環境光傳感器也能夠基于攝入的可見光強度調整顯示亮度，從而有助于改善可穿戴產品的用戶界面和電池壽命。
通過將UV指數檢測和處理功能集成到一個極小、節能、單芯片的解決方案，加上包括用于用戶界面功能和健康監視的其它特性，Silicon Labs已經朝著“使UV傳感器成為快速成長的消費類可穿戴設備市場的必備功能”這個方向邁出堅實一步。
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