淺談智能手機(jī)中的MEMS傳感器

MEMS的全稱是微型電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical System)，是指可將微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)?？梢园阉斫鉃槔脗鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料，用微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械，并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)，所以它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。 MEMS器件，尤其是MEMS傳感器已成為智能手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)配置。智能手機(jī)應(yīng)用軟件日益龐大的生態(tài)系統(tǒng)很大程度上要?dú)w功于MEMS傳感器。事實(shí)上，智能手機(jī)已經(jīng)成為地球上最大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

智能手機(jī)中采用MEMS技術(shù)加工的傳感器、執(zhí)行器和光學(xué)器件主要如下。

智能手機(jī)上的MEMS傳感器多達(dá)10多種，如麥克風(fēng)、壓力傳感器、距離傳感器、加速度傳感器、陀螺儀等等。今天，智芯傳感小編就帶您逐一了解各個(gè)MEMS傳感器的作用及應(yīng)用場(chǎng)景。

光線傳感器

手機(jī)中的傳感器，首先要說的就是光線傳感器，它就好比手機(jī)的眼睛。我們?nèi)祟惖难劬梢栽诓煌饩€的環(huán)境下，調(diào)整進(jìn)入眼睛的光線。而光線傳感器則可以讓手機(jī)感測(cè)環(huán)境光線的強(qiáng)度，用來調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕的亮度。原理是通過光敏三極管，接受外界光線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)弱不等的電流，從而感知環(huán)境光亮度。通常用于調(diào)節(jié)屏幕自動(dòng)背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，同時(shí)不刺眼;另外，光線傳感器還可用于拍照時(shí)調(diào)節(jié)自動(dòng)白平衡、協(xié)助調(diào)整屏幕亮度、還可搭配其他傳感器一同來偵測(cè)手機(jī)是否被放置在口袋中，以防止誤觸。

距離傳感器

大多數(shù)的手機(jī)中距離傳感器和光線傳感器一般都是放在一起，位于手機(jī)屏幕聽筒周圍。這樣就存在一個(gè)問題，手機(jī)屏幕上方開太多洞或黑色長(zhǎng)條不太好看，各大手機(jī)廠商都一直在想方設(shè)法減少開孔或者隱藏開孔。距離傳感器同時(shí)擁有發(fā)射和接受裝置，一般體積較大，利用紅外LED燈發(fā)射紅外線，被物體反射后，紅外探測(cè)器通過接收到紅外線的強(qiáng)度，測(cè)定距離。在應(yīng)用方面，可以檢測(cè)手機(jī)是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動(dòng)關(guān)閉屏幕達(dá)到省電的目的，也可用于皮套、口袋模式下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)解鎖與鎖屏動(dòng)作。

重力傳感器

我們?cè)谑褂檬謾C(jī)看視頻、照片、游戲需要切換橫豎屏?xí)r就需要用到重力傳感器了，它能計(jì)算出手機(jī)當(dāng)前的防線和水平位置，從而實(shí)現(xiàn)橫豎屏切換。其原理是利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，傳感器內(nèi)部一塊重物和壓電片整合在一起，通過正交兩個(gè)方向產(chǎn)生的電壓大小，來計(jì)算出水平方向。

加速度傳感器

加速度傳感器的概念和重力傳感器略微有些重疊，但事實(shí)上卻又不一樣。加速度傳感器是多個(gè)維度測(cè)算的，主要測(cè)算一些瞬時(shí)加速或減速的動(dòng)作。比如，人在走動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動(dòng)，而加速度傳感器可以檢測(cè)振動(dòng)的過零點(diǎn)，從而計(jì)算出人所走的步或跑步所走的步數(shù)，從而計(jì)算出人所移動(dòng)的位移，并且利用一定的公式可以計(jì)算出卡路里的消耗。加速度傳感器還可以測(cè)量手機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，在游戲里能通過加速度傳感器觸發(fā)特殊指令。日常應(yīng)用中的一些甩動(dòng)切歌、翻轉(zhuǎn)靜音等也都用到了這枚傳感器。

磁場(chǎng)傳感器

磁場(chǎng)傳感器是利用磁阻來測(cè)量平面磁場(chǎng)，從而檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度以及方向位置。一般用在常見的指南針或是地圖導(dǎo)航中，幫助手機(jī)用戶實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。如果你不分東南西北的話，那么利用地圖中的電子羅盤可以輕松實(shí)現(xiàn)定位。其原理是通過各向異性磁性電阻材料，感受到微弱的磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致自身電阻產(chǎn)生變化，因此我們通常需要將手機(jī)旋轉(zhuǎn)或晃動(dòng)幾下才能準(zhǔn)確指示方向。

陀螺儀

日常我們玩的一些射擊或賽車游戲都需要用到陀螺儀傳感器，很多應(yīng)用比如3D拍照和全景導(dǎo)航也借助它來工作。一般來說，手機(jī)里標(biāo)配的都是三軸陀螺儀，可追蹤6個(gè)方向的位移變化。其原理是利用角動(dòng)量守恒，一個(gè)正在高速旋轉(zhuǎn)的物體(陀螺)，它的旋轉(zhuǎn)軸沒有受到外力影響時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸的指向是不會(huì)有任何改變的。

GPS位置傳感器

GPS模塊主要作用是通過天線來接收到衛(wèi)星的坐標(biāo)信息幫用戶定位。隨著5G網(wǎng)絡(luò)普及，GPS被應(yīng)用在更多場(chǎng)景。比如與智能硬件配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位監(jiān)控，或是設(shè)備丟失后定位查找。智芯傳感小編提醒，這里需要分清一個(gè)概念：手機(jī)一般標(biāo)配的是A-GPS。所謂A-GPS是在接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)更快速的定位，比普通的GPS更先進(jìn)一些。其原理是通過天線接收GPS衛(wèi)星傳送的信息，并根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為起算數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射坐標(biāo)的時(shí)間與接收時(shí)的時(shí)間差計(jì)算出衛(wèi)星與手機(jī)的距離，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，主要應(yīng)用場(chǎng)景是地圖、導(dǎo)航、測(cè)速和測(cè)距。

指紋傳感器

指紋傳感器可以自動(dòng)采集用戶指紋，以此實(shí)現(xiàn)保護(hù)隱私的目的?，F(xiàn)在的指紋傳感器并不僅僅是解鎖設(shè)備，而是和移動(dòng)支付相互結(jié)合，包括微信、支付寶、Apple Pay在內(nèi)的所有支付功能都是以指紋傳感器為前提來交互的。其原理是：利用手指構(gòu)成電容的一極，另一極是硅晶片陣列，通過人體帶有的微電場(chǎng)與指紋傳感器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應(yīng)器之間的距離形成電容高低差，從而描繪出指紋圖像實(shí)現(xiàn)加密、解鎖或支付功能。

霍爾感應(yīng)器

和磁場(chǎng)傳感器類似，霍爾傳感器可以將變化的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為輸出電壓，從而在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。有些手機(jī)會(huì)使用保護(hù)套，當(dāng)合上保護(hù)套時(shí)手機(jī)會(huì)自動(dòng)鎖屏，打開保護(hù)套之后設(shè)備又會(huì)自動(dòng)解鎖。其原理是利用霍爾磁電效應(yīng)，當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。

除上述MEMS傳感器外，智能手機(jī)上的傳感器還有其他的類型，如溫度傳感器、紫外線傳感器、心率傳感器、血氧傳感器等等，這些特殊的傳感器賦予了智能手機(jī)更多的功能和應(yīng)用場(chǎng)景，智芯傳感小編就不再一一介紹了。不過，還有一種傳感器，智芯傳感小編要著重介紹一下——壓力傳感器!

壓力傳感器

壓力傳感器(Pressure Transducer)是一種能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置。壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成。按不同的測(cè)試壓力類型，壓力傳感器可分為表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器。那么，手機(jī)上的壓力傳感器是用來干什么的呢?

一般來說，有觸摸屏的手機(jī)都帶有壓力傳感器，觸屏一般是電阻屏或電容屏。大氣壓力的變化會(huì)導(dǎo)致電阻或電容測(cè)算數(shù)值發(fā)生改變，從而計(jì)算出海拔高度和輔助導(dǎo)航。

以前壓力傳感器一直被用在軍工手機(jī)當(dāng)中，而隨著智能手機(jī)的普及以及精確算法的提高，壓力傳感器已成為智能手機(jī)的標(biāo)配。當(dāng)手機(jī)用戶處在樹林里或者是在懸崖下面時(shí)，由于受到技術(shù)和其它方面原因的限制，有時(shí)候甚至接收不到GPS衛(wèi)星信號(hào)，那么就不知道準(zhǔn)確的海拔高度。而壓力傳感器通過測(cè)出大氣壓，然后根據(jù)氣壓值計(jì)算出海拔高度。

安裝了壓力傳感器的手機(jī)可以輔助導(dǎo)航?，F(xiàn)在不少開車人士會(huì)用手機(jī)來進(jìn)行導(dǎo)航，不過常常會(huì)有人抱怨在高架橋里導(dǎo)航常常會(huì)出錯(cuò)。例如在高架橋上時(shí)，GPS說右轉(zhuǎn)，而實(shí)際上右邊根本沒有右轉(zhuǎn)出口，這主要是GPS無法判斷你是橋上還是橋下而造成的錯(cuò)誤導(dǎo)航。而如果手機(jī)里增加一個(gè)壓力傳感器就不一樣了，它的精度可以做到1米，這樣就可以很好的輔助GPS來測(cè)量出所處的高度，錯(cuò)誤導(dǎo)航的問題也就容易解決了。

另外，壓力傳感器還能測(cè)算你上了多少個(gè)樓層，或是用于室內(nèi)定位等，而內(nèi)部的氣壓傳感器主要是測(cè)試設(shè)備封閉程度。其原理是將薄膜與變阻器或電容連接起來，氣壓變化導(dǎo)致電阻或電容的數(shù)值發(fā)生變化，從而獲得氣壓數(shù)據(jù)，可以提供多層建筑及商場(chǎng)的精確高度數(shù)據(jù)，推進(jìn)LBS服務(wù)。

智芯傳感的新一代高性能ZXP0系列數(shù)字輸出式大氣壓力傳感器，特別適合于移動(dòng)終端設(shè)備，如智能手機(jī)、PAD、運(yùn)動(dòng)手表、導(dǎo)航儀等。它集成了一個(gè)壓阻式壓力敏感元件和一個(gè)高精度、低功耗的信號(hào)調(diào)理集成電路，該傳感器可靠性高，體積小、功耗低、帶有I2C接口輸出，其壓力傳感器敏感單元采用惠斯通電橋原理，以MEMS工藝對(duì)傳感器進(jìn)行加工以提供極好的電阻精確度和一致性，并使用高精度的傳感器信號(hào)調(diào)理芯片，對(duì)MEMS傳感器的溫度線性度、零偏和靈敏度進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，可輸出高精度的數(shù)字信號(hào)。

總之，智能手機(jī)發(fā)展至今讓使用的MEMS傳感器愈加精細(xì)和精準(zhǔn)，正是這些安裝在小小手機(jī)上功能強(qiáng)大的MEMS傳感器，才讓我們?cè)谑褂弥悄苁謾C(jī)時(shí)更加得心應(yīng)手。

審核編輯：湯梓紅