基于TMB顯色的可穿戴手環(huán)傳感器設(shè)計方案

隨著人們對健康防護(hù)需求的日益增長，可穿戴設(shè)備在個人健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深入。尤其在戶外活動場景中，紫外線輻射對皮膚的潛在危害成為不可忽視的健康風(fēng)險。四川大學(xué)吳鵬團(tuán)隊(duì)提出的基于3,3,5’,5’-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）顯色的紫外檢測技術(shù)，為低成本、便攜式個人防護(hù)提供了創(chuàng)新解決方案。本文將從傳感器設(shè)計原理、元器件選型、功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)優(yōu)化等維度，系統(tǒng)闡述基于TMB顯色的可穿戴手環(huán)傳感器設(shè)計方案，并詳細(xì)解析關(guān)鍵元器件的選型依據(jù)與功能特性。

一、傳感器設(shè)計原理與目標(biāo)

1.1 TMB顯色反應(yīng)機(jī)理

TMB作為一種經(jīng)典顯色底物，在紫外光（UVB 280-315 nm、UVC 200-280 nm）照射下可發(fā)生直接氧化反應(yīng)，生成藍(lán)色產(chǎn)物TMB+·。該反應(yīng)由雙重機(jī)制驅(qū)動：一是紫外光在氧氣存在下直接氧化TMB分子；二是TMB作為光敏劑產(chǎn)生超氧根陰離子（?O??），進(jìn)一步催化氧化過程。該反應(yīng)具有以下特性：

• 特異性響應(yīng)：僅對UVB/UVC波段敏感，對可見光及紅外光無響應(yīng)；

• 顯色可視化：氧化產(chǎn)物呈藍(lán)色，顯色強(qiáng)度與紫外劑量呈正相關(guān)；

• 低成本優(yōu)勢：TMB材料價格低廉，單次檢測成本低于0.5美元。

1.2 設(shè)計目標(biāo)

基于上述原理，可穿戴手環(huán)傳感器需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 實(shí)時監(jiān)測：動態(tài)檢測環(huán)境中的UVB輻射劑量；

2. 劑量預(yù)警：當(dāng)輻射劑量超過最小紅斑量（MED）時觸發(fā)警示；

3. 用戶友好：通過裸眼顯色或APP交互提供直觀反饋；

4. 輕量化設(shè)計：確保佩戴舒適性與長時間使用穩(wěn)定性。

二、關(guān)鍵元器件選型與功能解析

2.1 顯色反應(yīng)模塊

元器件1：TMB顯色紙基材料

• 型號選擇：定制化濾紙基底負(fù)載TMB微晶（粒徑5-10 μm）

• 功能：作為顯色反應(yīng)載體，TMB分子均勻分散于濾紙纖維間隙，紫外光照射后發(fā)生氧化顯色。

• 選型依據(jù)：

• 高比表面積：濾紙多孔結(jié)構(gòu)提升TMB與紫外光接觸效率；

• 快速響應(yīng)：顯色時間≤30秒，滿足實(shí)時監(jiān)測需求；

• 穩(wěn)定性：顯色產(chǎn)物在常溫下保存7天無褪色現(xiàn)象。

元器件2：光學(xué)濾光片

• 型號選擇：Schott BG39玻璃濾光片（截止波長320 nm）

• 功能：屏蔽可見光及紅外光干擾，僅允許UVB/UVC波段通過。

• 選型依據(jù)：

• 光譜特性：在280-315 nm波段透光率≥90%，320 nm以上透光率≤1%；

• 耐候性：耐受濕度80%、溫度60℃環(huán)境，避免性能衰減；

• 成本效益：單片價格低于0.2美元，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2 信號采集與處理模塊

元器件3：微型光電傳感器

• 型號選擇：Vishay TEMT6000X01環(huán)境光傳感器

• 功能：檢測顯色區(qū)域反射光強(qiáng)度，將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號。

• 選型依據(jù)：

• 光譜匹配：峰值靈敏度波長560 nm，與TMB氧化產(chǎn)物（藍(lán)色）的互補(bǔ)色（黃色）光譜匹配；

• 低功耗：工作電流≤5 μA，支持紐扣電池供電；

• 小型化：封裝尺寸2.0×2.0×0.6 mm，適配手環(huán)緊湊結(jié)構(gòu)。

元器件4：低功耗微控制器（MCU）

• 型號選擇：Nordic nRF52832藍(lán)牙SoC

• 功能：處理光電傳感器數(shù)據(jù)，驅(qū)動顯色反饋，并通過藍(lán)牙5.0與手機(jī)APP通信。

• 選型依據(jù)：

• 算力與功耗平衡：32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻64 MHz，深度睡眠電流1.9 μA；

• 無線通信：內(nèi)置藍(lán)牙5.0模塊，支持2 Mbps數(shù)據(jù)速率；

• 集成度：集成128 kB RAM、512 kB Flash，減少外圍電路復(fù)雜度。

2.3 用戶交互模塊

元器件5：柔性O(shè)LED顯示屏

• 型號選擇：JDI 0.49英寸AMOLED屏幕（分辨率64×32）

• 功能：實(shí)時顯示UVB劑量、預(yù)警狀態(tài)及電池電量。

• 選型依據(jù)：

• 柔性特性：厚度0.3 mm，彎曲半徑≤5 mm，適配手環(huán)曲面設(shè)計；

• 低功耗：全白畫面功耗≤15 mW，支持動態(tài)刷新率調(diào)節(jié)；

• 高對比度：對比度10000:1，戶外強(qiáng)光下可視性良好。

元器件6：線性振動馬達(dá)

• 型號選擇：AAVIK AA1020扁平振動馬達(dá)

• 功能：當(dāng)UVB劑量超限時提供觸覺警示。

• 選型依據(jù)：

• 快速啟動：啟動時間≤5 ms，響應(yīng)延遲低；

• 低功耗：工作電壓1.8-3.6 V，功耗≤80 mW；

• 小型化：直徑10 mm，厚度2.0 mm，節(jié)省手環(huán)內(nèi)部空間。

2.4 電源管理模塊

元器件7：鋰聚合物電池

• 型號選擇：Murata VTC4A1040（容量100 mAh，尺寸10×20×2 mm）

• 功能：為系統(tǒng)供電，支持7天連續(xù)工作。

• 選型依據(jù)：

• 高能量密度：240 Wh/kg，滿足輕量化需求；

• 低自放電率：月自放電率≤3%，延長存儲壽命；

• 安全特性：內(nèi)置PTC保護(hù)，防止過充/過放。

元器件8：低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）

• 型號選擇：TI TPS7A1633（輸出電壓3.3 V，靜態(tài)電流650 nA）

• 功能：為MCU及傳感器提供穩(wěn)定電源。

• 選型依據(jù)：

• 超低功耗：關(guān)斷電流≤1 nA，延長電池續(xù)航；

• 高PSRR：100 Hz時PSRR為70 dB，抑制電源噪聲；

• 小封裝：WSON-6封裝，尺寸1.6×1.6 mm。

三、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

3.1 顯色劑量標(biāo)定

通過實(shí)驗(yàn)建立顯色強(qiáng)度與UVB劑量的定量關(guān)系：

1. 使用標(biāo)準(zhǔn)UVB光源（波長305 nm，輻照強(qiáng)度梯度0-100 mW/cm2）照射TMB紙基；

2. 記錄顯色區(qū)域RGB值，提取藍(lán)色通道（B值）作為特征參數(shù)；

3. 擬合B值與劑量的線性模型（R2≥0.99），實(shí)現(xiàn)劑量估算。

3.2 多模態(tài)預(yù)警機(jī)制

• 光學(xué)預(yù)警：OLED屏幕顯示紅色警示圖標(biāo)；

• 觸覺預(yù)警：振動馬達(dá)以200 Hz頻率持續(xù)振動2秒；

• APP推送：通過藍(lán)牙同步劑量數(shù)據(jù)，觸發(fā)手機(jī)端彈窗提醒。

3.3 抗干擾設(shè)計

• 光學(xué)隔離：在顯色區(qū)域上方加裝黑色遮光罩，避免環(huán)境光干擾；

• 溫度補(bǔ)償：MCU內(nèi)置溫度傳感器，通過查表法修正顯色強(qiáng)度（溫度系數(shù)：-0.3%/℃）；

• 防水防塵：手環(huán)外殼采用IP68級防護(hù)，TMB紙基封裝于疏水透氣膜內(nèi)。

四、成本與量產(chǎn)可行性分析

4.1 單機(jī)BOM成本估算

4.2 量產(chǎn)挑戰(zhàn)與對策

• TMB均勻性：采用噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)TMB微晶的精準(zhǔn)沉積，良率≥95%；

• 柔性電路板（FPC）：選用聚酰亞胺基材，厚度25 μm，支持SMT貼片；

• 校準(zhǔn)流程：開發(fā)自動化標(biāo)定設(shè)備，單臺設(shè)備產(chǎn)能≥1000片/小時。

五、結(jié)論與展望

本文提出的基于TMB顯色的可穿戴手環(huán)傳感器設(shè)計方案，通過集成TMB顯色紙基、微型光電傳感器及低功耗MCU，實(shí)現(xiàn)了低成本、高靈敏度的UVB劑量監(jiān)測。關(guān)鍵元器件的選型兼顧了性能、成本與量產(chǎn)可行性，單臺BOM成本控制在10美元以內(nèi)，具備大規(guī)模商業(yè)化潛力。未來可進(jìn)一步探索以下方向：

1. 多參數(shù)擴(kuò)展：集成溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境綜合監(jiān)測；

2. 材料創(chuàng)新：開發(fā)水凝膠基TMB載體，提升顯色重復(fù)性；

3. AI賦能：通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化劑量預(yù)測模型，提升預(yù)警準(zhǔn)確性。

該技術(shù)不僅為個人健康防護(hù)提供了創(chuàng)新工具，亦為顯色化學(xué)在可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新路徑。