智能手機(jī)與傳感器

從僅有語(yǔ)音及短信功能的普通手機(jī)，到性能比肩電腦、功能無所不包的智能手機(jī)，人們對(duì)手機(jī)的依賴越來越強(qiáng)，提出的要求越來越多。智能手機(jī)如此強(qiáng)大的功能得益于強(qiáng)大的處理器、優(yōu)秀的軟件系統(tǒng)等等，我們還忘了些什么？傳感器！沒錯(cuò)，就是傳感器，也許你并未感知到它的存在，但是事實(shí)上，高端智能手機(jī)中擁有多達(dá)數(shù)十顆傳感器，它們是智能手機(jī)最重要的組成部分之一，可以說，目前智能手機(jī)大部分新功能都是基于傳感器實(shí)現(xiàn)的。

觸摸傳感器

大部分智能手機(jī)，特別是高端智能手機(jī)都選擇了觸摸屏，通過手指的動(dòng)作完成對(duì)手機(jī)下達(dá)指令的工作。觸摸屏的功能是由觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)的。此前CHIP在前沿技術(shù)欄目中曾經(jīng)詳細(xì)介紹過觸摸感應(yīng)技術(shù)，常見的觸摸感應(yīng)技術(shù)按照原理來分類可以分為電阻式、電容式、紅外式、超聲波式和電磁式等，而在智能手機(jī)中應(yīng)用最廣泛的則是電容式。應(yīng)用于智能手機(jī)的電容式觸摸屏由帶有多個(gè)電極單元的透明薄膜導(dǎo)體層和保護(hù)層組成，在導(dǎo)體內(nèi)存在著低電壓交流電場(chǎng)。當(dāng)觸摸屏幕時(shí)，由于人體生物電場(chǎng)的存在，手指與導(dǎo)體層間產(chǎn)生耦合電容，電極的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，強(qiáng)弱則與手指到電極的距離成正比。專用處理器根據(jù)電流的比例及強(qiáng)弱，可以準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容式觸摸傳感器可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，也不容易受油污、塵土和溫度等外界因素影響。此外，電阻式觸摸傳感器在智能手機(jī)中也得到應(yīng)用，但并非主流。

觸摸傳感器的重要性自然毋庸贅言，如果沒有它，智能手機(jī)的使用體驗(yàn)將會(huì)大大下降。沒有觸摸屏，那些風(fēng)靡iOS和Android平臺(tái)的游戲，比如《憤怒的小鳥》、《水果忍者》等不可能讓如此多的玩家著迷?？梢院敛豢鋸埖卣f，是觸摸屏成就了智能手機(jī)和平板電腦的今天——因?yàn)樗鼛砹饲八从卸钊M生的應(yīng)用體驗(yàn)。

光線傳感器

光線傳感器是個(gè)不太為人熟知的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，不過如果說拍攝用的感光元件就是一種光線傳感器的話，那么很多讀者馬上就會(huì)想到智能手機(jī)的攝像頭——這實(shí)在是太普遍了，有的智能手機(jī)還裝備了不止一個(gè)。目前的高端智能手機(jī)已經(jīng)普遍裝備了800萬(wàn)像素級(jí)別的攝像頭，很快它們將進(jìn)化到千萬(wàn)像素級(jí)別，而且尺寸更小，也更加省電。比如東芝在2011年推出的800萬(wàn)像素CMOS傳感器的尺寸是1/4平方英寸，像素之間的距離僅為1.12um。盡管它們的效果不如數(shù)碼相機(jī)，但智能手機(jī)已經(jīng)可以借此實(shí)現(xiàn)許多功能：除了傳統(tǒng)的攝像和照相以外，還包括標(biāo)簽識(shí)別、價(jià)格比較和選購(gòu)、快速分享等。

除了攝像頭之外，智能手機(jī)里常見的光線傳感器還有環(huán)境光傳感器，它可以偵測(cè)屏幕的入射光量。由于智能手機(jī)的屏幕是耗電大戶，因此需要由環(huán)境光傳感器感受環(huán)境光強(qiáng)度，然后根據(jù)環(huán)境光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕的亮度，在高照射下增加亮度，在較暗的地方則調(diào)低亮度，從而減小屏幕的耗電量。環(huán)境光傳感器的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是需要針對(duì)人眼可見的光線，也就是380nm~780nm波長(zhǎng)的光足夠敏感，而對(duì)紅外線和紫外線的干擾則必須加以濾除。環(huán)境光傳感器的感光元件包括光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管，目前一般以后兩者為主。應(yīng)用于手機(jī)的光線傳感器是高度集成化的產(chǎn)品，在一個(gè)封裝內(nèi)集成了光敏二極管、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路等部分，體積也十分小巧。目前還有針對(duì)環(huán)境光傳感器開發(fā)的軟件，供用戶自己調(diào)整背光級(jí)別。

高端智能手機(jī)中還要用到另外一種名為接近傳感器的光傳感器，它的作用是偵測(cè)用戶的臉頰和手機(jī)之間的距離。當(dāng)用戶在打電話的時(shí)候，接近傳感器可以感應(yīng)到，從而關(guān)閉手機(jī)的屏幕以節(jié)約電能。更重要的是關(guān)閉觸摸屏以防止用戶的臉頰在通話中誤觸掛斷鍵。iPhone系列手機(jī)都裝備了這樣的傳感器。接近傳感器是靠發(fā)射紅外線并接收反射回的紅外線來進(jìn)行接近判斷的，因此不必在手機(jī)上額外開孔，目前流行的技術(shù)趨勢(shì)是將接近傳感器和環(huán)境光傳感器合二為一。

加速度傳感器

顧名思義，加速度傳感器就是偵測(cè)加速度的裝置，它是最早裝備手機(jī)的傳感器之一。早在2001年，就有將近3%的手機(jī)裝備了加速度傳感器，而時(shí)至今日，除了最為低端的手機(jī)之外，即使是非智能手機(jī)也將加速度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)的配置。不過，盡管都是加速度傳感器，但它們的性能卻全然不同：一些較為低端的手機(jī)裝備的是單軸或雙軸加速度傳感器，只能感知手機(jī)的屏幕是橫置還是縱置；而較為高端的手機(jī)則裝備了多維度的加速度傳感器，也就是說，無論手機(jī)向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，它全部可以偵測(cè)到。加速度傳感器的工作原理包括電容式、壓電式和熱感應(yīng)式，應(yīng)用的領(lǐng)域也各有不同。

加速度傳感器最基本的作用自然是屏幕翻轉(zhuǎn)功能，此外，相關(guān)廠商針對(duì)加速度傳感器開發(fā)了很多智能手機(jī)應(yīng)用軟件，比如平衡球、保齡球等等，你不需要用手指操作，只需要像真正打保齡球那樣甩臂就可以了——當(dāng)然先要拿好你的手機(jī)。對(duì)于多維度的加速度傳感器，還可以有更復(fù)雜的應(yīng)用，比如極品飛車之類的賽車游戲。

陀螺儀

陀螺儀是一種基于角動(dòng)量守恒原理來測(cè)量或維持方向的設(shè)備，此前它曾廣泛用于軍事、航空航天、車輛等領(lǐng)域。目前陀螺儀也僅僅在高端智能手機(jī)中使用，比如著名的iPhone 4是第一款采用陀螺儀的手機(jī)——它裝備了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的三軸式陀螺儀。當(dāng)然，智能手機(jī)中是不可能裝備那些笨重的機(jī)械陀螺儀的，用于智能手機(jī)的陀螺儀是基于MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)的微電子振動(dòng)式陀螺儀。這種陀螺儀的內(nèi)部是MEMS微機(jī)械陣列，它們以一定的頻率進(jìn)行微小的振動(dòng)。當(dāng)手機(jī)移動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的頻率和振幅都將受到影響，這種變化導(dǎo)致電容量的微小變化，可以被電路靈敏地檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的訊號(hào)。

陀螺儀和加速度傳感器的功能類似，但偵測(cè)的對(duì)象有所不同：前者是用來測(cè)量沿一個(gè)軸或者幾個(gè)軸的角速度，而加速度傳感器則用來測(cè)量線速度。從三維空間的運(yùn)動(dòng)方式來理解，陀螺儀靈敏度更高，這也使得裝備了陀螺儀的手機(jī)可以完成一些更加復(fù)雜的應(yīng)用，比如第一人稱射擊游戲，還可以帶來更好的體驗(yàn)，比如輔助GPS進(jìn)行定位，利用手勢(shì)遠(yuǎn)程簽單購(gòu)物，將智能手機(jī)作為3D鼠標(biāo)遠(yuǎn)程操控電腦等等。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的預(yù)計(jì)，陀螺儀將是此后一段時(shí)間內(nèi)高端智能手機(jī)爭(zhēng)相裝備的元件。不過，加速度傳感器也不是全無優(yōu)勢(shì)，因此很多廠商正致力于二者的合并，從而制造靈敏度更高、噪音則更低的元件。

溫度傳感器

智能手機(jī)對(duì)溫度控制的要求比其他設(shè)備更高，這一方面是節(jié)電的要求，另一方面也是智能手機(jī)正常運(yùn)行的保證。從“科技含量”來看，溫度傳感器可謂是智能手機(jī)傳感器家族中最普通的產(chǎn)品，數(shù)量也最多，智能手機(jī)通常包含多顆溫度傳感器，一些高端智能手機(jī)甚至裝備6~8顆溫度傳感器，分布于處理器內(nèi)部和主板上等不同部位。溫度傳感器的探測(cè)元件一般是溫敏電阻，溫敏電阻的阻值隨溫度的變化較大，在可測(cè)范圍內(nèi)呈一定的線性關(guān)系，這樣，通過溫度——阻值曲線就可以換算成相應(yīng)溫度，既快速又靈敏。有些廠商通過溫度傳感器和濕度傳感器結(jié)合，為智能手機(jī)提供實(shí)時(shí)天氣反饋功能。

地磁傳感器

不少智能手機(jī)都具有“電子羅盤”這一功能，一些GPS類應(yīng)用軟件中也集成了羅盤。這一新奇功能的運(yùn)用少不了地磁傳感器的功能。所謂地磁傳感器，就是能夠感應(yīng)地球的磁場(chǎng)，從而為定位提供依據(jù)的傳感器。它的工作原理是利用微小的各向異性磁阻材料來感應(yīng)地磁變化，這種各向異性磁阻材料對(duì)于很微弱的磁場(chǎng)變化，也能夠產(chǎn)生較大的阻值變化，有些材料的靈敏度甚至可以達(dá)到10-9特斯拉。不過，靈敏度越高，受到干擾的可能性也越大，因此各個(gè)公司生產(chǎn)的地磁傳感器靈敏度也有不同。

此前雖然地磁傳感器早已出現(xiàn)，但在GPS和加速度傳感器進(jìn)入智能手機(jī)之前，地磁傳感器并沒有受到眾多廠商的青睞。如今，地磁傳感器已經(jīng)和各類MEMS芯片，比如加速度傳感器等相結(jié)合，為GPS等應(yīng)用提供更好的體驗(yàn)。一些廠商甚至把這兩類傳感器集成到一顆芯片中，比如意法半導(dǎo)體的LSM303DLH芯片就集成了一顆三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器。

壓力傳感器

氣壓傳感器是能夠感受并測(cè)量大氣壓的傳感器。此前，氣壓傳感器一般出現(xiàn)在專業(yè)型的個(gè)人隨身設(shè)備中，比如卡西歐的Protrek系列登山表以及天梭T-Touch和T-Technic系列專業(yè)表中，而現(xiàn)在，氣壓傳感器已經(jīng)出現(xiàn)了向智能手機(jī)擴(kuò)張的趨勢(shì)。用于智能手機(jī)的氣壓傳感器以基于MEMS芯片的微型傳感器最受追捧，它基于壓電轉(zhuǎn)換原理，可以感受1m高度差的氣壓變化，與GPS和陀螺儀相結(jié)合，戶外玩家可以清楚地了解自己所在的位置，即使在GPS不能使用的地鐵和高樓內(nèi)，氣壓傳感器也能夠正常工作，為用戶提供精確的數(shù)據(jù)。摩托羅拉的XOOM手機(jī)就內(nèi)置了氣壓傳感器，但這項(xiàng)功能常被用戶所忽略。根據(jù)業(yè)界分析，氣壓傳感器將會(huì)很快在智能手機(jī)平臺(tái)中普及。

除了用于測(cè)量氣壓的傳感器外，智能手機(jī)還會(huì)搭載一些較有特色的壓力傳感器，比如血壓傳感器。此前，血壓傳感器只被用于手機(jī)的可擴(kuò)展附件，比如著名的iHealth以及Withings在CES2011上推出的用于蘋果設(shè)備的血壓組件。這些附件價(jià)格不菲，攜帶也不方便，若能將血壓傳感器內(nèi)置于手機(jī)中，那么用戶只需將手指或腕部緊貼傳感器位置就可測(cè)量血壓。

生物特征傳感器

一些智能手機(jī)還集成了能夠進(jìn)行生物特征識(shí)別的傳感器，比如指紋識(shí)別傳感器、虹膜和面部識(shí)別傳感器等等，對(duì)機(jī)主的信息安全提供更好的保護(hù)。不過，目前生物特征識(shí)別在智能手機(jī)中的應(yīng)用并不普遍，考慮到這些技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，我們認(rèn)為這可能是用戶的需求較小的緣故。富士通在2009年推出過一款帶有指紋識(shí)別功能的防水智能手機(jī)F-01A，不過它并未在中國(guó)銷售，使用的操作系統(tǒng)也是已經(jīng)過時(shí)的Sybian。最新的雙核智能手機(jī)也有集成指紋識(shí)別功能的產(chǎn)品，比如摩托羅拉的ATRIX，它集成了獨(dú)特的指紋觸摸開機(jī)技術(shù)，Orange UK已經(jīng)于2011年5月份在英國(guó)發(fā)行了這一型號(hào)。

虹膜識(shí)別和面部識(shí)別則不必用到特殊的傳感器系統(tǒng)，只需手機(jī)的前置攝像頭即可完成，智能手機(jī)需要的是強(qiáng)有力的識(shí)別軟件。2010年，Android平臺(tái)上曾經(jīng)推出過一款名為“Biowallet”（生物錢包）的軟件，采用了虹膜識(shí)別技術(shù)，不過由于當(dāng)時(shí)的Android 手機(jī)并沒有前置攝像頭，因此并未流行起來。Android平臺(tái)上還將推出一款名為“BioLock”的軟件，它可以綜合利用虹膜識(shí)別和面部識(shí)別技術(shù)來保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)。未來基于生物特征的傳感器將會(huì)是智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能的強(qiáng)力保障。

CHIP結(jié)論：傳感器至關(guān)重要

別看傳感器的尺寸通常只有幾平方毫米，它們給智能手機(jī)帶來的功能擴(kuò)展和性能提升卻不可忽視。到底是智能手機(jī)成就了傳感器，還是傳感器成就了智能手機(jī)呢？或許兩個(gè)答案都應(yīng)該是肯定的。不過，從智能手機(jī)的發(fā)展之路來看，單純比拼硬件性能并不能討好顧客，更新更好的體驗(yàn)才是最重要的，在這方面，傳感器還大有用武之地。

什么是傳感器

人們的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等生理功能是借助相關(guān)的細(xì)胞、組織和器官達(dá)成的，它們就是人體的傳感器。而在技術(shù)領(lǐng)域，傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。也有人把傳感器定義為一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。根據(jù)測(cè)量原理的不同，傳感器可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器等不同種類。裝備在手機(jī)上的傳感器一般都是物理傳感器，它們分別可以感受力、熱、光、磁、生物電和氣壓等參數(shù)。通過這些傳感器，智能手機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)許多新奇的功能。