Wearables Wenn die Uhr vor Sonnenbrand warnt

Die optischen Single-Chip-Sensoren Si1132/4x von Silicon Labs sind für Smartphones und tragbare Elektronik ausgelegt und erfassen UV-Strahlenbelastung, Umgebungslicht und Biometrie-Daten.
Die optischen Single-Chip-Sensoren Si1132/4x von Silicon Labs sind für Smartphones und tragbare Elektronik ausgelegt und erfassen UV-Strahlenbelastung, Umgebungslicht und Biometrie-Daten.

Silicon Labs hat die ersten digitalen UV-Index-Sensoren vorgestellt. Eingebaut in einem Armband, einer Smart Watch oder einem Smartphone messen die hochintegrierten optischen Sensoren die UV-Strahlenbelastung und warnen den Benutzer, wenn ein gesundheitsschädlicher Wert erreicht ist. Doch es steckt noch viel mehr in den Winzlingen.

Der digitale UV-Index wurde durch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) standardisiert und steht im direkten Bezug zur Intensität des Sonnenlichts. Er ist von der CIE (International Commission on Illumination) nach dem Erythemal-Aktionsspektrum gewichtet. Dabei handelt es sich um eine standardisierte Maßzahl, wie unsere Haut auf verschiedene Wellenlängen des Sonnlichts (einschließlich UVA und UVB) reagiert. Genau hier setzen die beiden neuen optischen Sensor-ICs Si1132 und Si114x von Silicon Labs an. Sie messen den UV-Index und erfassen darüber hinaus das Umgebungslicht und ermöglichen so auch eine Infrarot-basierte Näherungssensorik für Gesundheits- und Fitness-Anwendungen.

Hochintegrierte Single-Chip-Lösung

Herkömmliche UV-Sensoren basieren auf UV-empfindlichen Fotodioden, einem externen Mikrocontroller, einem A/D-Wandler und Firmware zur Signalverarbeitung. Silicon Labs ist nun der erste Anbieter, der alle diese Funktionen in einem einzigen kleinen Baustein, einem 10-poligen, 2 x 2 mm großen QFN-Gehäuse kombiniert.

Zur UV-Sensor-Familie zählen:

  • Si1132 UV-Index- und Umgebungslichtsensor mit Standard-I2C-Schnittstelle zum Erfassen digitaler UV-Indexwerte.
  • Si1145/46/47 UV- und IR-Näherungs-/Umgebungslichtsensoren mit der Wahl aus einem, zwei oder drei integrierten LED-Treibern mit 15 Stufen für die Gestenerkennung.

Herzfrequenz und Sauerstoff-Messung im Blut

Die LED-Treiber des Si114x ermöglichen eine Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehalts im Blut mittels Reflexion. Gesundheits- und Fitnessgeräte sowie berührungslose Schnittstellen, die der Anwender aus einem bestimmten Abstand bedient, können damit ausgestattet werden. Mit zwei bzw. drei LED-Treibern ermöglichen der Si1146 und Si1147 auch eine Bewegungs- und Gestensteuerung: Der Si1146 bietet Bewegungssensorik und berührungslose Steuerung in der z- und x-Achse; der Si1147 fügt eine dritte Achse hinzu und bietet somit 3D-Sensorik. Beide Sensoren bieten eine Reflexionsmessung, über die mittels Nachbearbeitung Gesten erkannt werden. Zusammen mit einem Beschleunigungssensor erlauben der Si1132 und Si114x auch ein Sleep-Tracking in tragbaren Anwendungen.

Der robuste Sensoraufbau umfasst auch einen Umgebungslichtsensor, der Lichtstärken bis zu 128 kLux erfasst. Das Verhalten der Fotodiode und der zugehörigen Digitalwandler-Schaltkreise hemmt die Auswirkungen des Flackerns bei künstlichem Licht und Schwankungen des natürlichen Lichts.Die Möglichkeit, Infrarot- und sichtbares Licht zu erfassen, verbessert auch die Regelung von LCD-Hintergrundbeleuchtungen in Umgebungen mit unterschiedlichen Lichtverhältnissen. Damit ergibt sich eine kostengünstige Regelung der Hintergrundbeleuchtung, um die Belastung der Augen sowie den Stromverbrauch zu verringern, ohne dass der Anwender irritiert wird.

Stromsparende Architektur

Die stromsparende Architektur der UV-Index-Sensoren ermöglicht flachere tragbare Designs mit kleineren Batterien und längerer Batterielebensdauer, da durchschnittlich nur 1,2 µA Strom für die sekündliche UV-Messung verbraucht wird. Im Vergleich zu anderen Lösungen bieten die Sensoren eine hohe Empfindlichkeit und Reichweite bei sehr geringer Leistungsaufnahme. Die IR-Empfindlichkeit sorgt für eine lange Batterielebensdauer in der Bewegungs-/Gesten-erkennung, da die Einzeleinschaltzeit der IR-LED nur 25,6 µs beträgt und dabei 50 cm Sensorreichweite abdeckt. Die dynamische Anpassung der LED-Ströme verringert den Stromverbrauch zusätzlich.

»Designs für tragbare Anwendungen erfordern hochintegrierte, kleine und stromsparende Lösungen«, so Mark Thompson, Vice President und General Manager für Silicon Labs’ Access, Power and Sensor Products. »Wir erfüllen diese Anforderungen mit den branchenweit ersten digitalen Single-Chip-UV-Index-Sensoren, die auch eine Umgebungslicht- und IR-Erfassung für neue Gesundheits- und Fitnessanwendungen bieten.«

Entwicklungskit

Für das Testen, Charakterisieren, Prototyping und die Softwareentwicklung bietet Silicon Labs das UV/IR-Evaluierungskit UVIrSlider2EK an. Die Grundlage bildet eine stromsparende C8051F800 MCU. Das Kit verbindet den Si1146 mit zwei IR-LEDs, was eine UV-Index-Messung sowie eine berührungslose 2D/2-achsige Gesten- und Näherungserkennung ermöglicht. Es ist mit Firmware vorkonfiguriert, womit die 5-stufige UV-Index-Skala über fünf LEDs anzeigt wird. Zur Demo-Software zählt eine GUI mit UV-Index- und IR-Slider-Demo, die Links-/Rechts-/Pause-Gestenerkennung über acht LEDs demonstriert. Silicon Labs bietet auch Beispiel-Quellcode für Umgebungslicht-, Näherungs- und Gestenerkennungs-Algorithmen.