智能手机与传感器
来源:用户上传
作者: 本刊编辑部
从仅有语音及短信功能的普通手机，到性能比肩电脑、功能无所不包的智能手机，人们对手机的依赖越来越强，提出的要求越来越多。智能手机如此强大的功能得益于强大的处理器、优秀的软件系统等等，我们还忘了些什么？传感器！没错，就是传感器，也许你并未感知到它的存在，但是事实上，高端智能手机中拥有多达数十颗传感器，它们是智能手机最重要的组成部分之一，可以说，目前智能手机大部分新功能都是基于传感器实现的。
触摸传感器
大部分智能手机，特别是高端智能手机都选择了触摸屏，通过手指的动作完成对手机下达指令的工作。触摸屏的功能是由触摸传感器实现的。此前CHIP在前沿技术栏目中曾经详细介绍过触摸感应技术，常见的触摸感应技术按照原理来分类可以分为电阻式、电容式、红外式、超声波式和电磁式等，而在智能手机中应用最广泛的则是电容式。应用于智能手机的电容式触摸屏由带有多个电极单元的透明薄膜导体层和保护层组成，在导体内存在着低电压交流电场。当触摸屏幕时，由于人体生物电场的存在，手指与导体层间产生耦合电容，电极的电流会流向触点，强弱则与手指到电极的距离成正比。专用处理器根据电流的比例及强弱，可以准确算出触摸点的位置。电容式触摸传感器可以实现多点触控，也不容易受油污、尘土和温度等外界因素影响。此外，电阻式触摸传感器在智能手机中也得到应用，但并非主流。
触摸传感器的重要性自然毋庸赘言，如果没有它，智能手机的使用体验将会大大下降。没有触摸屏，那些风靡iOS和Android平台的游戏，比如《愤怒的小鸟》、《水果忍者》等不可能让如此多的玩家着迷。可以毫不夸张地说，是触摸屏成就了智能手机和平板电脑的今天――因为它带来了前所未有而妙趣横生的应用体验。
光线传感器
光线传感器是个不太为人熟知的专业术语，不过如果说拍摄用的感光元件就是一种光线传感器的话，那么很多读者马上就会想到智能手机的摄像头――这实在是太普遍了，有的智能手机还装备了不止一个。目前的高端智能手机已经普遍装备了800万像素级别的摄像头，很快它们将进化到千万像素级别，而且尺寸更小，也更加省电。比如东芝在2011年推出的800万像素CMOS传感器的尺寸是1/4平方英寸，像素之间的距离仅为1.12um。尽管它们的效果不如数码相机，但智能手机已经可以借此实现许多功能：除了传统的摄像和照相以外，还包括标签识别、价格比较和选购、快速分享等。
除了摄像头之外，智能手机里常见的光线传感器还有环境光传感器，它可以侦测屏幕的入射光量。由于智能手机的屏幕是耗电大户，因此需要由环境光传感器感受环境光强度，然后根据环境光线强度自动调节屏幕的亮度，在高照射下增加亮度，在较暗的地方则调低亮度，从而减小屏幕的耗电量。环境光传感器的关键技术点是需要针对人眼可见的光线，也就是380nm~780nm波长的光足够敏感，而对红外线和紫外线的干扰则必须加以滤除。环境光传感器的感光元件包括光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管，目前一般以后两者为主。应用于手机的光线传感器是高度集成化的产品，在一个封装内集成了光敏二极管、模/数转换电路等部分，体积也十分小巧。目前还有针对环境光传感器开发的软件，供用户自己调整背光级别。
高端智能手机中还要用到另外一种名为接近传感器的光传感器，它的作用是侦测用户的脸颊和手机之间的距离。当用户在打电话的时候，接近传感器可以感应到，从而关闭手机的屏幕以节约电能。更重要的是关闭触摸屏以防止用户的脸颊在通话中误触挂断键。iPhone系列手机都装备了这样的传感器。接近传感器是靠发射红外线并接收反射回的红外线来进行接近判断的，因此不必在手机上额外开孔，目前流行的技术趋势是将接近传感器和环境光传感器合二为一。
加速度传感器
顾名思义，加速度传感器就是侦测加速度的装置，它是最早装备手机的传感器之一。早在2001年，就有将近3%的手机装备了加速度传感器，而时至今日，除了最为低端的手机之外，即使是非智能手机也将加速度传感器作为标准的配置。不过，尽管都是加速度传感器，但它们的性能却全然不同：一些较为低端的手机装备的是单轴或双轴加速度传感器，只能感知手机的屏幕是横置还是纵置；而较为高端的手机则装备了多维度的加速度传感器，也就是说，无论手机向哪个方向运动，它全部可以侦测到。加速度传感器的工作原理包括电容式、压电式和热感应式，应用的领域也各有不同。
加速度传感器最基本的作用自然是屏幕翻转功能，此外，相关厂商针对加速度传感器开发了很多智能手机应用软件，比如平衡球、保龄球等等，你不需要用手指操作，只需要像真正打保龄球那样甩臂就可以了――当然先要拿好你的手机。对于多维度的加速度传感器，还可以有更复杂的应用，比如极品飞车之类的赛车游戏。
陀螺仪
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理来测量或维持方向的设备，此前它曾广泛用于军事、航空航天、车辆等领域。目前陀螺仪也仅仅在高端智能手机中使用，比如著名的iPhone 4是第一款采用陀螺仪的手机――它装备了意法半导体生产的三轴式陀螺仪。当然，智能手机中是不可能装备那些笨重的机械陀螺仪的，用于智能手机的陀螺仪是基于MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统）技术的微电子振动式陀螺仪。这种陀螺仪的内部是MEMS微机械阵列，它们以一定的频率进行微小的振动。当手机移动时，振动的频率和振幅都将受到影响，这种变化导致电容量的微小变化，可以被电路灵敏地检测出来，并转化为相应的讯号。
陀螺仪和加速度传感器的功能类似，但侦测的对象有所不同：前者是用来测量沿一个轴或者几个轴的角速度，而加速度传感器则用来测量线速度。从三维空间的运动方式来理解，陀螺仪灵敏度更高，这也使得装备了陀螺仪的手机可以完成一些更加复杂的应用，比如第一人称射击游戏，还可以带来更好的体验，比如辅助GPS进行定位，利用手势远程签单购物，将智能手机作为3D鼠标远程操控电脑等等。根据相关机构的预计，陀螺仪将是此后一段时间内高端智能手机争相装备的元件。不过，加速度传感器也不是全无优势，因此很多厂商正致力于二者的合并，从而制造灵敏度更高、噪音则更低的元件。
温度传感器
智能手机对温度控制的要求比其他设备更高，这一方面是节电的要求，另一方面也是智能手机正常运行的保证。从“科技含量”来看，温度传感器可谓是智能手机传感器家族中最普通的产品，数量也最多，智能手机通常包含多颗温度传感器，一些高端智能手机甚至装备6~8颗温度传感器，分布于处理器内部和主板上等不同部位。温度传感器的探测元件一般是温敏电阻，温敏电阻的阻值随温度的变化较大，在可测范围内呈一定的线性关系，这样，通过温度――阻值曲线就可以换算成相应温度，既快速又灵敏。有些厂商通过温度传感器和湿度传感器结合，为智能手机提供实时天气反馈功能。
地磁传感器
不少智能手机都具有“电子罗盘”这一功能，一些GPS类应用软件中也集成了罗盘。这一新奇功能的运用少不了地磁传感器的功能。所谓地磁传感器，就是能够感应地球的磁场，从而为定位提供依据的传感器。它的工作原理是利用微小的各向异性磁阻材料来感应地磁变化，这种各向异性磁阻材料对于很微弱的磁场变化，也能够产生较大的阻值变化，有些材料的灵敏度甚至可以达到10-9特斯拉。不过，灵敏度越高，受到干扰的可能性也越大，因此各个公司生产的地磁传感器灵敏度也有不同。
此前虽然地磁传感器早已出现，但在GPS和加速度传感器进入智能手机之前，地磁传感器并没有受到众多厂商的青睐。如今，地磁传感器已经和各类MEMS芯片，比如加速度传感器等相结合，为GPS等应用提供更好的体验。一些厂商甚至把这两类传感器集成到一颗芯片中，比如意法半导体的LSM303DLH芯片就集成了一颗三轴地磁传感器和三轴加速度传感器。
压力传感器
气压传感器是能够感受并测量大气压的传感器。此前，气压传感器一般出现在专业型的个人随身设备中，比如卡西欧的Protrek系列登山表以及天梭T-Touch和T-Technic系列专业表中，而现在，气压传感器已经出现了向智能手机扩张的趋势。用于智能手机的气压传感器以基于MEMS芯片的微型传感器最受追捧，它基于压电转换原理，可以感受1m高度差的气压变化，与GPS和陀螺仪相结合，户外玩家可以清楚地了解自己所在的位置，即使在GPS不能使用的地铁和高楼内，气压传感器也能够正常工作，为用户提供精确的数据。摩托罗拉的XOOM手机就内置了气压传感器，但这项功能常被用户所忽略。根据业界分析，气压传感器将会很快在智能手机平台中普及。
除了用于测量气压的传感器外，智能手机还会搭载一些较有特色的压力传感器，比如血压传感器。此前，血压传感器只被用于手机的可扩展附件，比如著名的iHealth以及Withings在CES2011上推出的用于苹果设备的血压组件。这些附件价格不菲，携带也不方便，若能将血压传感器内置于手机中，那么用户只需将手指或腕部紧贴传感器位置就可测量血压。
生物特征传感器
一些智能手机还集成了能够进行生物特征识别的传感器，比如指纹识别传感器、虹膜和面部识别传感器等等，对机主的信息安全提供更好的保护。不过，目前生物特征识别在智能手机中的应用并不普遍，考虑到这些技术已经相当成熟，我们认为这可能是用户的需求较小的缘故。富士通在2009年推出过一款带有指纹识别功能的防水智能手机F-01A，不过它并未在中国销售，使用的操作系统也是已经过时的Sybian。最新的双核智能手机也有集成指纹识别功能的产品，比如摩托罗拉的ATRIX，它集成了独特的指纹触摸开机技术，Orange UK已经于2011年5月份在英国发行了这一型号。
虹膜识别和面部识别则不必用到特殊的传感器系统，只需手机的前置摄像头即可完成，智能手机需要的是强有力的识别软件。2010年，Android平台上曾经推出过一款名为“Biowallet”（生物钱包）的软件，采用了虹膜识别技术，不过由于当时的Android 手机并没有前置摄像头，因此并未流行起来。Android平台上还将推出一款名为“BioLock”的软件，它可以综合利用虹膜识别和面部识别技术来保护用户的数据。未来基于生物特征的传感器将会是智能手机实现物联网功能的强力保障。
CHIP结论：传感器至关重要
别看传感器的尺寸通常只有几平方毫米，它们给智能手机带来的功能扩展和性能提升却不可忽视。到底是智能手机成就了传感器，还是传感器成就了智能手机呢？或许两个答案都应该是肯定的。不过，从智能手机的发展之路来看，单纯比拼硬件性能并不能讨好顾客，更新更好的体验才是最重要的，在这方面，传感器还大有用武之地。
什么是传感器
人们的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等生理功能是借助相关的细胞、组织和器官达成的，它们就是人体的传感器。而在技术领域，传感器的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。也有人把传感器定义为一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。根据测量原理的不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等不同种类。装备在手机上的传感器一般都是物理传感器，它们分别可以感受力、热、光、磁、生物电和气压等参数。通过这些传感器，智能手机能够实现许多新奇的功能。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-368559.htm
