传感器在智能手机中的应用及发展趋势

2018-07-12齐立萍王栋轩王静一

科技视界 2018年3期

齐立萍王栋轩王静一

(河北农业大学渤海校区，河北沧州 061100)

0　引言

对于一些数码爱好者而言，他们懂得智能手机的配置参数，如屏幕分辨率、处理器、运行内存等代表着什么意义。当前科技高速发展，人们致力于提高智能手机的配置，这种提高表现在方方面面，不再仅是拘泥于屏幕、CPU等关键参数的提高，而对与用户的互动性要求更高，意味着要有很好的体验感。如今，移动设备的应用软件生态系统持续扩大，传感器在这个过程中发挥的作用不可小觑。手机里各式传感器的发展一日千里，在未来，传感器的种类必将更为繁多，功能也会更为复杂，精确度也会大幅度提升。

1　传感器的定义

国家标准GB7665─87对传感器下的定义是：在规定的范围内，能够感受并测量出一系列的物理量，然后将测量的结果转换成信号传输给控制系统的部件装置，一般由敏感元件和转换元件构成[1]。传感器实际上是用于检测的器件，能将检测到的信息按某种规律转换成电信号等形式进行传输，用于处理、控制、存储等方面,达到自动检测和自动控制的目的[2]。

2　几种典型的传感器

2.1　重力传感器

重力传感器在智能手机中非常常见。它的原理是压电效应,可以测量出重力，并将该力正交分解,即可判断左右方向[3]。

重力传感器的优点是可以准确识别手机的受力情况,它主要用于切换手机横屏和竖屏,在一些游戏程序中也有所应用。

2.2　陀螺仪

物体在旋转过程中其旋转轴的方向不会改变，除非受到外界的影响。陀螺仪就是根据这个原理——用旋转物体的旋转轴来保持方向，制造出来的[4]。要想让陀螺仪迅速旋转，首先要使其受力，获得加速度。陀螺仪旋转的平均速度为每分钟几十万转，故运行时间较长。陀螺仪获取旋转轴当前指向的方位后，就会将数据转化为相应的信息传输给控制系统。陀螺仪内置一个陀螺，其旋转轴因为陀螺原理一直与初始方向保持平行，这样就可以经过计算与初始方向的偏差从而得到实际方向。陀螺仪作为传感器，被设计成构造精细的芯片，芯片内含有直径非常小的陀螺。

陀螺仪能测量转动角速度，且是在设备偏转、倾斜时进行测量，这是和加速度计（G-sensor）的差异之处。在移动设备上，加速度计（G-sensor）不能测量出转动的动作，更不必提测量或完整构建出3D动作了。故加速度计（G-sensor）一般用于测量简单的二维动作。而陀螺仪就可以较为准确的测量出转动、偏转的动作。按照陀螺仪的测量结果，能够准确的判辨用户的现实行动，从而对移动设备做出相应的操作。陀螺仪是在重力传感器的基础上构造出来的，这样说的原因在于重力传感器只能检测两个方位——左和右，而陀螺仪则能检测任何方位。

陀螺仪最开始主要应用于航空航天等方面，随着陀螺仪的微型化，使得陀螺仪能够应用在一些移动设备上，这对提升用户的体验感至关重要。手机里有了陀螺仪传感器后，就能任意固定住一个方向，不管手机向着什么方向挪动或歪斜，这个固定的方向是稳定不变的。比如在部分射击类手游中，射击的靶心是不会改变的，这样就可以不断改变手机的位置来瞄准靶心。通过分析判断使用者的动作达到操控游戏的目的，会有很多创新空间。开发者可以通过陀螺仪检测全方位（3D范围内）动作的结果，实现对游戏的操作，比如，在游戏中，手机可以当作一个方向盘，使用者上下、左右地倾斜手机，屏幕上被操控的对象就可以做上下、左右的动作。由于陀螺仪能够瞬间检测到手机或平板旋转角度的微小变化，且检测结果十分精准，足够满足一些对分辨率和反应速度要求很高的应用，从而较好的提升用户的体验感。除此之外，陀螺仪还可以应用于动作感应的GUI，用户稍微倾斜手机，就能对菜单进行选择，极具人性化。陀螺仪还有一个非常重要的作用是对拍照进行防抖操作。和相机的光学防抖很像，但陀螺仪的结构相对简单，相当于电子防抖[5]。在移动设备拍照的时候，手在按下快门的瞬间避免不了抖动，陀螺仪通过检测抖动的方向和距离，控制手机弥补与抖动方向相反的相同距离的位移，就可以消除这些抖动[6]。

2.3　距离传感器

距离传感器也是手机中不可或缺的传感器，通常其集成位置靠近听筒。距离传感器首先会发射光脉冲，记下此时的时间；然后测量此光脉冲被物体反射回来的时间，两个时间做差，就可以通过测量时间的方法来测量距离[7]。

距离传感器主要应用于两点：一、通话过程中，距离传感器检测到用户的面部接近听筒，就会使手机“黑屏”，防止用户不小心触碰屏幕，并且节约电量。二、翻转手机就可以自动挂断。

3　传感器的发展趋势

3.1　多领域应用

近几年里，手机巨头三星在移动设备上增加的功能不胜枚举，在Galaxy S4和S5两款旗舰手机上也可以体现出来。这两款手机都增加了温度和湿度传感器，通过S Health这个应用就可以知道当前的温度和湿度，实现让手机来关注周围的境况。在未来，智能手机既能显示空气质量，还能实时监视污染源或过敏原，并将这些信息发布到互联网上，提示用户关注气候的变化。不仅如此，将来的智能手机还可以追踪用户的心率和监测用户的情绪状态，比如，当你感到焦灼的时候，设备会自行播放轻松缓和的音乐。著名半导体厂商飞思卡尔公司总监Ivan Kari-mi曾说过，即使是一些价格便宜的传感器，也可能实现这一切。在将来，你的设备会观测你的情感，这就意味着，一个手机或平板会比你还了解你本身。

电信业巨头AT&T的老牌技术员Milosz表达了自己对传感器将来发展的主旋律的推测。Milosz在AT&T的实验室中承担模块的是移动传感系统和大数据分析。“将来的移动设备中会涌现出更多的传感器。或许我们还会拥有3D立体摄像头、雷达、声纳等，甚至还会有某种形式的传感器可以用于医疗上。我们领会到手机传感器微型化日新月异，我们可以实现的愿望会日渐增多。”

3.2　电子器件的融合

以后MEMS器件或许会把一些常用的手机传感器与应用处理器集成在一起，成为一个 COM（Chip on MEMS），如此一来，不但缩减了面积，节约成本，提高系统的整合性，还有利于开发和应用。譬如加速度计、陀螺仪和重力传感器就可以被集成在一起，用其中一个传感器去弥补另外两个传感器的不足。因此，这三种传感器并不是互相独立的，而是彼此依靠。三者协作组合，更充分发挥各自的特性，给用户带来更好的体验感。

当把传感器集成在一起之后，需要有一个MCU去分析这些传感器的数据，在未来的某一天，应该会将传感器和MCU进行整合，这样等同于将传感器的功能和MCU的功能整合到了一起。