智能手机的感官细胞

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　　摘要：随着现代科技的不断进步，我们手机的发展也十分迅速。从之前的几年一部到现在每一月都有新的型号发布。现在手机的运行速度越来越快，摄像功能越来越清晰，手机上的功能越来越多。之前的一些十分繁琐的工作，现在在智能手机上只需要几步简单的操作，带给人们极佳的操作体验。而这些良好人机交互体验的背后是手机传感器技术的不断发展进步，手机传感器就相当于人体的各种感官细胞，了解我们手机上的传感器可以让我们对手机的各种功能的原理有更加深刻的认知。
　　关键词：智能手机；人机交互；传感器
　　引言：
　　作为现代信息化社会的基础，传感器在最近几年的发展十分迅猛。传感器也逐渐成为评判一个国家综合国力的重要指标之一。上到航空航天技术，下到海底探索考察，大到汽车飞机，小到电脑手机，即使我们没有感觉，但是我们现在已经处于传感器的海洋。传感器的定义是“能感受到规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器现在就类似于我们的眼睛，耳朵和鼻子等各种感觉器官，可以代替我们去感受许多我们能感受到和许多我们感受不到的外界信息。例如在我们的手机中就充斥着大量的传感器来收集外界信息。研究传感器在手机中的应用对于手机以及传感器的发展都至关重要。
　　传感器在手机中的应用
　　1.触摸屏——电容传感器
　　手机电容式触摸屏的类型分为表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏两种。
　　对电容触摸屏来说，其电容屏是一个四层的复合玻璃板，玻璃屏的内表面以及夹层处各涂抹了一层ITO（纳米铟锡金属氧化物），而在玻璃屏的最外层是0.0015mm厚的矽土玻璃保护层。ITO是一种透明并且可以导电的材料。从玻璃屏的四个角引出来四个电极，当我们用手指去点触屏幕时，就会与ITO构成耦合电容。并且由于电容器可以通交流电流，四个导线上的电流就都会奔向触点，并且理论上电流的大小与到触点的距离成比例关系。这时，位于手机内部的芯片可以分析计算四个角的电流进而得到触点的精确位置。精确度基本可以达到99%，且响应速度小于3ms。
　　而投射电容式触摸屏是在两层ITO导电玻璃涂层上蚀刻出两个不同的ITO导电线路模块。并且两个模块上蚀刻的图形满足相互垂直，构成ITO阵列，当手指去触摸屏幕时，就会与阵列电容发生耦合，从而使屏幕上的电场发生改变。通过传感器和芯片分析电场以及电流的变化，就可以精确计算出触点位置。并且相比于表面式电容触摸屏，投射式电容触摸可以实现多点同时触控，应用前景也更加广泛。
　　2.光线传感器
　　手机的光线传感器也叫做亮度感应器，是用来感应光线强弱的。很多平板电脑和手机都配备了该传感器，一般位于设备的正上方，传感器在接收到光照后，将光强信号转换为电信号，传输给CPU，CPU根据信号强弱做出相应指令来自动的调节屏幕亮度，给使用者带来最适宜的视觉效果。例如在较强光照下，设备屏幕背光灯就会自动增加，否则就会导致屏幕相对亮度低看不清。
　　3.距离传感器
　　距离传感器在工作时时会向外界发射红外光，在照射到物体上时物体会反射回红外线，在当有物体靠近手机的时候，物体反射的红外光就会被检测元件监测到，通过计算光往返传播的时间，就可以计算出物体离手机的距离。在我们拨打电话的过程中，距离传感器就会工作，来判断头部距离手机的距离，在距离过近的时候就会进行熄屏或者锁屏措施，以此就能大大减少误操作的几率，从而提升持机人的舒适感。
　　4.加速度传感器
　　手机的加速度传感器有时候也被称为重力传感器，在我们平时打游戏或者看电影的时候，经常会将手机横过来放置，而手机屏幕也会有感觉似的侧过来，这种神奇操作的背后就是手机内部的加速度传感器在作用。手机的加速度传感器是由一个“重力块”和压电晶体构成，在手机产生加速度的时候，重物也会随着手机产生相同的加速度，并且作用于不同方向的压电晶体上的力也会不同，因此输出电压也会不同，从而完成从加速度信号到电信号的转换，通过计算电压信号就能够得到手机偏转的方向以及幅度。现在手机的重力传感器的精度越来也高，反应速度也越来越快。日常人们在跑步的过程中，身体一上一下的浮动被重力传感器捕捉到，从而完成步数的记录，包括微信摇一摇等功能，都是加速度传感器在作用。
　　5.指纹传感器
　　不论是指纹解锁还是指纹支付，指纹识别技术在我们的日常生活都被广泛使用，并且随着近些年指纹识别被检测出的各种漏洞，都将指纹解锁的安全性问题推向高潮。现在指纹识别技术大多是采用电容式指纹模块，利用硅晶元与导电的皮肤下电解液形成电场，因为每个人的指纹各不相同，而指纹的高低起伏变化会导致硅晶元与电解液之间的压差发生不同的变化，借此就可根据压差来绘制出指纹的图形，进而达到指纹解锁的目的。
　　现在最新型的指纹识别技术是射频指纹识别，射频指纹模块是通过传感器自身发射出射频信号，来穿透手指的表皮层到达手指的纹路，通过反射的信号强弱来检测指紋，并且绘制出一幅最佳的手指指纹图像。这种传感器的最大优点就是即使手上有些液体甚至污垢，传感器都能检测到指纹。这种指纹识别技术基本可以填补电容式指纹传感器的不足之处，弥补安全漏洞。并且这种传感器还能嵌入到手机的屏幕之下，从而减少单独的指纹解锁模块所需空间，给用户带来最佳的使用体验。因此射频指纹识别传感器是现在指纹传感器市场最新颖也是发展最快的传感器。
　　6.磁场传感器
　　在外出行的时候经常会分不清东西南北，而现在手机都自带指南针以及地图导航，来帮助手机用户准确确定自己位置及方向。手机的这种功能依靠的是手机内部的磁场传感器。磁场传感器由各向异性磁致电阻材料构成，可以将各种磁场以及其变化参数的量转换为电信号输出。磁场传感器在感受到磁场变化时会使自身的电阻发生具有规律的变化，从而使输出的电压发生变化。根据这种变化就可以判断出磁场强度以及朝向等各种地理位置信息。因此广泛应用于手机导航及手机指南针等各种应用。
　　结语：
　　近些年智能手机行业的的发展十分迅速，手机可以处理的信息越来越多，处理的速度越来越快，性能也越来越强大，而这些迅速发展的背后，总是离不开传感器技术。现在的手机，之所以能被称为智能手机，是因为人们觉得它总是知道外部环境的状况，并且做出相应的操作，而要做到这一点，都需要传感器从外界不断的收集信息，传输到处理器进行处理，最后快速的做出相应的指令，例如手机屏幕的自动调光，指纹解锁，重力感应和语音识别等等功能，从而带给人们舒适和便利的感受。
　　参考文献
　　[1]饶迪，程敏熙.用智能手机传感器测量重力加速度的新方法[J].大学物理，2019，38（01）：37-38+52.
　　[2]黄欣.智能手机的信号采集[J].电子技术与软件工程，2018（21）：19.
　　[3]裴春梅，杨秀清，王贵明.传感器在智能手机中的应用[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2009，35（S1）：108-109+126.
　　（作者单位：郑州大学）
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