基于TMB顯色的可穿戴手環傳感器設計方案

隨著人們對健康防護需求的日益增長，可穿戴設備在個人健康監測領域的應用逐漸深入。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險。四川大學吳鵬團隊提出的基于3,3,5’,5’-四甲基聯苯胺（TMB）顯色的紫外檢測技術，為低成本、便攜式個人防護提供了創新解決方案。本文將從傳感器設計原理、元器件選型、功能實現及系統優化等維度，系統闡述基于TMB顯色的可穿戴手環傳感器設計方案，并詳細解析關鍵元器件的選型依據與功能特性。

一、傳感器設計原理與目標

1.1 TMB顯色反應機理

TMB作為一種經典顯色底物，在紫外光（UVB 280-315 nm、UVC 200-280 nm）照射下可發生直接氧化反應，生成藍色產物TMB+·。該反應由雙重機制驅動：一是紫外光在氧氣存在下直接氧化TMB分子；二是TMB作為光敏劑產生超氧根陰離子（?O??），進一步催化氧化過程。該反應具有以下特性：

• 特異性響應：僅對UVB/UVC波段敏感，對可見光及紅外光無響應；

• 顯色可視化：氧化產物呈藍色，顯色強度與紫外劑量呈正相關；

• 低成本優勢：TMB材料價格低廉，單次檢測成本低于0.5美元。

1.2 設計目標

基于上述原理，可穿戴手環傳感器需實現以下功能：

1. 實時監測：動態檢測環境中的UVB輻射劑量；

2. 劑量預警：當輻射劑量超過最小紅斑量（MED）時觸發警示；

3. 用戶友好：通過裸眼顯色或APP交互提供直觀反饋；

4. 輕量化設計：確保佩戴舒適性與長時間使用穩定性。

二、關鍵元器件選型與功能解析

2.1 顯色反應模塊

元器件1：TMB顯色紙基材料

• 型號選擇：定制化濾紙基底負載TMB微晶（粒徑5-10 μm）

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

• 選型依據：

• 高比表面積：濾紙多孔結構提升TMB與紫外光接觸效率；

• 快速響應：顯色時間≤30秒，滿足實時監測需求；

• 穩定性：顯色產物在常溫下保存7天無褪色現象。

元器件2：光學濾光片

• 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：

• 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，適合大規模生產。

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環境光傳感器

• 功能：檢測顯色區域反射光強度，將光學信號轉換為電信號。

• 選型依據：

• 光譜匹配：峰值靈敏度波長560 nm，與TMB氧化產物（藍色）的互補色（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，適配手環緊湊結構。

元器件4：低功耗微控制器（MCU）

• 型號選擇：Nordic nRF52832藍牙SoC

• 功能：處理光電傳感器數據，驅動顯色反饋，并通過藍牙5.0與手機APP通信。

• 選型依據：

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

• 無線通信：內置藍牙5.0模塊，支持2 Mbps數據速率；

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

2.3 用戶交互模塊

元器件5：柔性OLED顯示屏

• 型號選擇：JDI 0.49英寸AMOLED屏幕（分辨率64×32）

• 功能：實時顯示UVB劑量、預警狀態及電池電量。

• 選型依據：

• 柔性特性：厚度0.3 mm，彎曲半徑≤5 mm，適配手環曲面設計；

• 低功耗：全白畫面功耗≤15 mW，支持動態刷新率調節；

• 高對比度：對比度10000:1，戶外強光下可視性良好。

元器件6：線性振動馬達

• 型號選擇：AAVIK AA1020扁平振動馬達

• 功能：當UVB劑量超限時提供觸覺警示。

• 選型依據：

• 快速啟動：啟動時間≤5 ms，響應延遲低；

• 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，節省手環內部空間。

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：為系統供電，支持7天連續工作。

• 選型依據：

• 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：內置PTC保護，防止過充/過放。

元器件8：低壓差線性穩壓器（LDO）

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

• 功能：為MCU及傳感器提供穩定電源。

• 選型依據：

• 超低功耗：關斷電流≤1 nA，延長電池續航；

• 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、系統功能實現與優化

3.1 顯色劑量標定

通過實驗建立顯色強度與UVB劑量的定量關系：

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

2. 記錄顯色區域RGB值，提取藍色通道（B值）作為特征參數；

3. 擬合B值與劑量的線性模型（R2≥0.99），實現劑量估算。

3.2 多模態預警機制

• 光學預警：OLED屏幕顯示紅色警示圖標；

• 觸覺預警：振動馬達以200 Hz頻率持續振動2秒；

• APP推送：通過藍牙同步劑量數據，觸發手機端彈窗提醒。

3.3 抗干擾設計

• 光學隔離：在顯色區域上方加裝黑色遮光罩，避免環境光干擾；

• 溫度補償：MCU內置溫度傳感器，通過查表法修正顯色強度（溫度系數：-0.3%/℃）；

• 防水防塵：手環外殼采用IP68級防護，TMB紙基封裝于疏水透氣膜內。

四、成本與量產可行性分析

4.1 單機BOM成本估算

4.2 量產挑戰與對策

• TMB均勻性：采用噴墨打印技術實現TMB微晶的精準沉積，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；

• 校準流程：開發自動化標定設備，單臺設備產能≥1000片/小時。

五、結論與展望

本文提出的基于TMB顯色的可穿戴手環傳感器設計方案，通過集成TMB顯色紙基、微型光電傳感器及低功耗MCU，實現了低成本、高靈敏度的UVB劑量監測。關鍵元器件的選型兼顧了性能、成本與量產可行性，單臺BOM成本控制在10美元以內，具備大規模商業化潛力。未來可進一步探索以下方向：

1. 多參數擴展：集成溫濕度傳感器，實現環境綜合監測；

2. 材料創新：開發水凝膠基TMB載體，提升顯色重復性；

3. AI賦能：通過機器學習優化劑量預測模型，提升預警準確性。

該技術不僅為個人健康防護提供了創新工具，亦為顯色化學在可穿戴領域的應用開辟了新路徑。