傳感器技術及在智能手機中的應用

李宏年

【摘要】 介紹了傳感器的分類和工作原理，智能手機中霍爾傳感器、指紋識別傳感器、光電傳感器、加速度傳感器等技術的應用及傳感器發展現狀。

【關鍵詞】 智能傳感器 指紋識別傳感器 三軸陀螺儀 位移傳感器

一、引言

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器已越來越多地被應用到社會及人類生活的各個領域，如工業自動化、農業現代化、航天技術、軍事工程、機器人技術、資源開發、海洋探測、環境監測、安全保衛、醫療診斷、交通運輸、家用電器等。

近年來，全球傳感器產業飛速發展。傳感器不僅進入人們的日常工作和家庭生活中，并已在國民經濟各部門以及國防建設中得到廣泛應用，從最初在機械設備制造，農業生產，到用電器、科學儀器儀表、醫療衛生、通信電子以及汽車等領域，直到現在的智能家居。無處不見傳感器的身影。

二、常見傳感器的分類和工作原理

傳感器的種類很多，常見的有電量傳感器、電阻式傳感器、稱重傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、位移傳感器、指紋識別傳感器、智能傳感器等。

電阻式傳感器是將被測量轉換成電阻值的器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

稱重傳感器是一種能夠將重力轉變為電信號的轉換裝置，是電子衡器的一個關鍵部件。

溫度傳感器用于測量環境溫度，溫度傳感器的種類很多，現在經常使用的有熱電阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；熱電偶：B、E、J、K、S等。溫度傳感器不但種類繁多，而且組合形式多樣，應根據不同的場所選用合適的產品。

位移傳感器又稱為線性傳感器，把位移轉換為電量。位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。在這種轉換過程中有許多物理量（例如壓力、流量、加速度等）常常需要先變換為位移，然后再將位移變換成電量。因此位移傳感器是一類重要的基本傳感器。

在生產過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。機械位移包括線位移和角位移。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數字式兩種。模擬式又可分為物性型（如自發電式）和結構型兩種。常用位移傳感器以模擬式結構型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數字式位移傳感器的一個重要優點是便于將信號直接送入計算機系統。這種傳感器發展迅速，應用日益廣泛。 手機使用的距離傳感器是利用測時間來實量的一種傳感器 。

當前市場上比較流行的指紋傳感器有兩類， 一種接觸式，一種滑動式。接觸式傳感器要求手指在指紋采集區域內進行觸摸，而滑動式傳感器要求手指在傳感器表面擦過。

智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器，帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。智能電網與眾多智慧體系一樣，不是單獨的個體，而是眾多裝備與技術共同作用的產物。其中在監測第一線的傳感器設備雖小，但絕對重要。在智能電網發展中，利用傳統的傳感器已經無法對某些電力產品的質量、故障定位等作出快速直接測量并在線監控。而利用智能傳感器可直接測量，對產品質量指標、以及故障等進行測量（如溫度、壓力、流量）。目前，智能傳感器已經成為國際上傳感器研究的熱點和前沿。

三、傳感器在智能手機中的應用

智能手機近年來發展非常迅速，短短幾年，已從2G、3G、發展到4G。在智能手機的帶動下，以陀螺儀、加速計、壓力傳感器為代表的傳感器得到了快速的發展。隨著應用種類的不斷豐富和功能的提高，一臺移動終端設備上需要的傳感器感測功能越來越多。

手機功能一般由內置的傳感器來實現，手機傳感器的應用有霍爾傳感器、三軸陀螺儀、重力傳感器、電子羅盤、光線感應器、位移傳感器等。

霍爾傳感器一個使用非常廣泛的電子器件，在錄像機、電動車、汽車、電腦散熱風扇中都有應用。在手機中主要應用在翻蓋或滑蓋的控制電路中，通過翻蓋或滑蓋的動作來控制掛掉電話或接聽電話、鎖定鍵盤及解除鍵盤鎖等。

指紋識別在當前智能手機應用過程中，主要是用于身份識別， 將指紋作為了一種密碼， 只有主人的指紋信息得到進一步驗證后，才能夠允許使用設備。在長期的發展和利用過程中， 隨著我國科學技術的不斷發展和進步， 手機逐漸發展成為了一種可以隨時隨地獲取個人或者是企業數據信息的客戶端，因此要想保證用戶訪問的安全性，避免出現未授權訪問的情況就必須要在電子商務發展過程中，廣泛地利用指紋識別，一方面指紋識別可以提高密保安全性能，另一方面指紋識別可以避免多次繁瑣地輸入密碼，對于用戶的操作記憶也要求較低。通過采用指紋識別， 可以有效地簡化操作流程， 同時明顯提高了整個設備的安全級別[1]。

三軸陀螺儀最早由蘋果iPhone 4采用，后來逐漸被各類智能手機所應用。三軸陀螺儀可以測出手機的運動方向，使手機做出正確回應。通過移動手機相應的位置，就可以達到改變方向的目的，同時操作也更加簡便。目前三軸陀螺儀主要體現在游戲的操控上。

與三軸陀螺儀有異曲同工之妙的就是重力傳感器在手機中的應用。由于可以將重力變化轉換為電信號，使得在手機橫豎的時候屏幕會自動轉。利用搖晃切換所需的界面和功能，尤其是在玩游戲的時候，不需要按鍵，只要左右搖擺模擬移動就可以操控。可以根據重力感應產生的加速度來推算出手機相對于水平面的傾斜度。

MEMS三軸加速度傳感器可以感知內容有重力、手機的靜態姿態以及運動方向等。裝有加速度傳感器的手機屏幕會隨著角度的不同智能旋轉，如手機中甩歌功能、微信中搖一搖功能。

電子羅盤也被廣泛應用于智能手機中，用來導航指向，同時還可以將數字信號接送到自動舵。現代實用的電子羅盤一般能耗低、體積小、重量輕、精度高、內置溫度補償，能夠實現精確導航。

光線感應器。一般設計在手機屏幕上方，能夠根據現實環境光線亮度，來自覺調節手機屏幕亮度。不僅使手機更加省電，而且能夠提供最佳視覺效果。

位移傳感器應用于手機中，可以使用戶在接打電話時，感應到用戶頭與手機之間的距離。當頭靠近手機聽筒時，手機屏幕背景燈就會熄滅，當距離再次拉遠時，便會恢復正常背景燈。在智能手機電池續航能力備受吐槽的今天，距離感應器的應用可以為用戶節能更多電量，來提升手機續航能力。

第一代iPhone可以自動調整畫面至橫向或縱向顯示，讓加速度傳感器得到普遍采用；iPhone 3GS采用電子羅盤用于導航；iPhone 4以及第一代iPad則為運動感測的陀螺儀創造出一個新市場。重力感應器是出現比較早的手機傳感器。大多數主流智能機都裝有這個配置。很多游戲都運用到重力感應器，它們帶給用戶新鮮的體驗。重力感應技術是基于壓電效應，通過測量內部一片重物重力正交兩個方向分力的數值，這樣判別水平方向。一般手機系統默認重力感應的中心為水平放置。但是在應用中，用戶在娛樂時難以做到讓手機永遠保持水平姿勢。所以，用戶也可以自己選擇設置持握狀態下的中心。

四、傳感器技術發展現狀

現代信息技術的三大支柱是傳感器技術、通信技術和計算機技術，它們分別完成對被測量的信息提取、信息傳輸及信息處理[2]。在傳感器設備領域，我國產業目前還不能滿足市場發展需要。有關人士表示，目前國產的傳感器芯片已經大規模使用，例如公交卡、酒店的房卡，以及手機近場支付等領域。

但是，高頻和超高頻等高端芯片，如酒品和服裝的標簽，和國外相比依然有欠缺，有待進一步的技術突破。我國在低端的溫度、濕度傳感器方面取得了一些進展，但是在比較高端的傳感器方面，尤其是那種將感知、傳輸和處理集成到小尺寸芯片中的高端微機電系統方面，和國外相比仍有較大差距。

傳感器領域發展遇阻，也對我國未來一段時間的物聯網產業推廣造成相當大的困擾，如果用國外產品，在安全性可能會有很多的顧慮。隨著科學技術的發展，傳感器技術發展的趨勢將是開發新材料與傳感器智能化發展相結合。

傳感器材料是傳感器技術的重要基礎， 是傳感器技術升級的重要支撐。隨著材料科學的進步，傳感器技術日臻成熟，其種類越來越多，除了早期使用的半導體材料、陶瓷材料以外，光導纖維以及超導材料的開發，為傳感器的發展提供了物質基礎。傳感器技術的不斷發展，也促進了更新型材料的開發，如納米材料等。美國NRC公司已開發出納米ZrO2 氣體傳感器，控制機動車輛尾氣的排放，對凈化環境效果很好，應用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器，具有龐大的界面，能提供大量的氣體通道，而且導通電阻很小，有利于傳感器向微型化發展，隨著科學技術的不斷進步將有更多的新型材料誕生。

五、結束語

近年來，智能化傳感器開始同人工智能相結合，創造出各種基于模糊推理、人工神經網絡、專家系統等人工智能技術的高度智能傳感器，它已經在家用電器方面得到利用，相信未來將會更加成熟。智能化傳感器是傳感器技術未來發展的主要方向。

在今后的發展中，智能化傳感器無疑將會進一步擴展到化學、電磁、光學和核物理等研究領域。未來，傳感器將與智能技術完美契合，一步一步地向智能化的完美生活邁進，不僅將顛覆我們的視野，更將便利我們的生活和日常工作的各個方面。

參 考 文 獻

[1]嚴宏劍.傳感器技術在生產實踐中的研究與應用[J].計量與測試技術，2006（6）：39-40.

[2]沈建苗.移動技術的下十年走向何方[J].微電腦世界，2011（3 ）：37-38