智能手机中的传感器

智能手机中的传感器

@(技术博文-M)

概述

随着现代信息技术的飞速发展,智能手机已经成为人们生活不可获取的一部分,同时其职能也从一开始的通讯发展到现在的娱乐、社交甚至生产,为了应对人们对手机越老越高的要求,其自身必定要生产的越来越人性化、智能化,而为了实现这一目标,就必定需要更加智能化的传感器支持,今天作者就在这里整理一下互联网及学术平台上开发可以查到的智能手机传感器相关信息,让我们进一步了解手上的这一台智能设备。

自从乔布斯时代的iphone系列手机彻底颠覆传统手机行业以来,随着中国经济的不断崛起,当前手机厂商都在争相推出更加人性化、更具性价比的智能设备,截止落笔,华为、三星等厂商已经准备或已经推出5G手机,三星、华为更是先后推出其折叠屏产品,全数分析自然不可能,因此在这里以传感器数量较具有代表性的Samsung Galaxy s9为例,分析当前智能手机上最常见的几种传感器。

那么Samaung Galaxy S9上都有哪些传感器呢?官网给出了下列的说明:

  1. 加速度计
  2. 气压计
  3. 指纹传感器
  4. 陀螺仪
  5. 地磁传感器
  6. 霍尔传感器
  7. 心率传感器
  8. 虹膜传感器
  9. 压力传感器
  10. 距离传感器
  11. RGB光线传感器.

这么多的传感器,它们都分布在手机的哪个位置呢?

为了搞清楚这个问题,只好拆机看看了@@

拆机

可见部分

前面板

手机的正上方可以看到下面几类元件:

  1. Notification LED -(通知LED灯)
  2. IR LED - (红外线LED组件)
  3. Ambient light sensor - (环境光传感器)
  4. RGB Camera - (RGB相机)
  5. NIR Camera Sensor - (近红外摄像机传感器-虹膜识别传感器8

在这其中包含了两种传感器,即环境光传感器和近红外摄像机传感器。关于距离传感器,我没有找到相关的资料证明距离传感器究竟在什么部分,但是根据现有理论,距离传感器有两种实现方式,一种是检测光线明暗,还有一种是通过LED发射红外线测距,因此猜测s9的距离传感器由面板上的环境光传感器和红外组件共同构成。 除此之外,整个屏幕是支持压感的,因此压力传感器即存在显示屏下方。

后面板

后面板可见的元件主要集中在摄像头附近,根据设计图可以看到这里分布着三种传感器,即RGB相机、心率传感器和指纹传感器,根据查阅的资料,三星s9的心率传感器是一系列传感器的集成,包含了心率传感器、血氧饱和度传感器、紫外线传感器、血压传感器等。

不可见

不可见的部分被封在了手机内部,从外观看不出来,因此需要拆机才能找到这些传感器。刚刚已经在s9外观可见部分找到了下面几种传感器(划掉项):

  1. 加速度计
  2. 气压计
  3. 指纹传感器
  4. 陀螺仪
  5. 地磁传感器
  6. 霍尔传感器
  7. 心率传感器
  8. 虹膜传感器
  9. 压力传感器
  10. 距离传感器
  11. RGB光线传感器.

根据官方的文档,还有下面几种传感器没有找到:

  1. 加速度计
  2. 气压计
  3. 陀螺仪
  4. 地磁传感器
  5. 霍尔传感器

这些传感器藏在什么地方呢?看看拆机图:

Wireless Power Charging Management - P90320S(IDT) GNSS Location Hub - BCM47757(Broadcom) PMIC Max 77705【注:电源管理IC】(Maxim Integrated) DRAM 6GB LPDDR4X - K3UH60AM(三星) MIND/High Band PAMID - AFEM-9090-(Broadcom) RF收发器(三星) DSP CS47L93【注:数字模拟转换器】Cirrus Logic) FcL S550(三星) 电源管理MPB02(三星) 生物传感器模块(Maxim) WiFi模块(Samsung Electronics) (三星),松下(Panasonic) (Photo = System Plus Consulting) 출처 : 온라인 디지털 경제미디어 키뉴스(KINEWS)(http://www.kinews.net)

PAM SKY77345(SKY WORKS) S2DOS05D(三星) 压力传感器 - LPS22HB(STM) 音频编解码器MAX9851(格言) 三轴罗盘ëAK09916C(AKM) 6-Axis IMU【注:惯性测量单元】(STM) Low-Band PAMiD-TWFA(murata) (Photo = System Plus Consulting) 출처 : 온라인 디지털 경제미디어 키뉴스(KINEWS)(http://www.kinews.net)

Galaxy S9 Plus双摄像头模块(三星) OIS(防抖)控制器(瑞萨) 双轴陀螺仪(STM) 哈希内存(千兆设备) System Plus咨询) (Photo = System Plus Consulting) 출처 : 온라인 디지털 경제미디어 키뉴스(KINEWS)(http://www.kinews.net)

三星Galaxy S9 Plus前置摄像头和虹膜扫描仪 (Photo = System Plus Consulting) 출처 : 온라인 디지털 경제미디어 키뉴스(KINEWS)(http://www.kinews.net)

从这一份来自(System Plus Consulting)的拆解图来看,可以看出、陀螺仪、电子罗盘、压力计等传感器都是安置在主板之上的。由于作者对电子方面知识有限,不便过多分析,在文章最后都有列出所有资料来源,欢迎探索,还望各位大神多多指教。

找到了这些传感器的位置,这些传感器都是做什么用的呢?下面作者整理了较为常见的集中传感器,分别介绍其原理及用途:

原理与用途

加速度传感器(Accelerometer Sensory)

原理:与重力传感器相同,也是压电效应,通过三个维度确定加速度方向,但功耗更小,但精度低。

用途:计步、手机摆放位置朝向角度。

气压传感器(Barometer)

将薄膜与变组器或电容连接在一起,当气压产生变化时,会导致电阻或电容数值发生变化,藉此量测气压的数据。GPS也可用来量测海拔高度但会有10米左右的误差,若是搭载气压传感器,则可以将误差校正到1米左右;也可用来辅助GPS定位,来确认所在楼层位置等信息。苹果的iPhone 6/6s系列都搭载了气压传感器。

指纹传感器

目前主流的技术是电容式指纹传感器,然而超音波指纹传感器也有逐渐流行起来趋势。电容式指纹传感器作用时,手指是电容的一极、另一极则是硅芯片数组,透过人体带有的微电场与电容传感器之间产生的微电流,指纹的波峰波谷与传感器之间的距离形成电容高低差,来描绘出指纹的图形。而超音波指纹传感器原理也类似,但不会受到汗水、油污的干扰,辨识速度也更为快速。运用在手机中可用来解锁、加密、支付等等。

陀螺仪(Gyroscope)

原理:角动量守恒,一个正在高速旋转的物体(陀螺),它的旋转轴没有受到外力影响时,旋转轴的指向是不会有任何改变的。陀螺仪就是以这个原理作为依据,用它来保持一定的方向。三轴陀螺仪可以替代三个单轴陀螺仪,可同时测定6个方向的位置、移动轨迹及加速度。

事实上,如果结合加速度计和陀螺仪这两种传感器,系统设计人员可以跟踪并捕捉3D空间的完整动作,为终端用户提供更真实的用户体验、精确的导航系统及其他功能。手机中的“摇一摇”功能(例如摇动手机就能抽签…)、体感技术,还有VR视角的调整与侦测,都是运用到陀螺仪的作用。

现在很火的平衡车,就用到了陀螺仪。

磁(场)传感器(MagneTLsm Sensory)

原理:各向异性磁致电阻材料,感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化,所以手机要旋转或晃动几下才能准确指示方向。

霍尔传感器(Hall Sensor)

作用原理是霍尔磁电效应,当电流通过一个位于磁场中的导体时,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在导体的两端产生电势差。主要运用在翻盖解锁、合盖锁定屏幕等功能当中,苹果的Smart cover还有多个品牌的官方手机配件,都运用了这项技术。

心率传感器

透过高亮度的LED灯照射手指,因心脏将血液压送到毛细血管时,亮度(红光的深度)会呈现周期性的变化。再透过摄影机捕捉这一些规律性的变化,并将数据传送到手机中进行运算,进而判断心脏的收缩频率,得出每分钟的心跳数。

血氧传感器

血液当中血红蛋白与氧合血红蛋白对于红光的吸收比率不同,用红外光与红光LED同时照射手指,并测量反射光的吸收光谱,藉此量测血含氧量。可用于运动或健康领域的应用。

紫外线传感器

某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应,在紫外线照射下会释放出大量电子,透过检测这种放电效应可计算出紫外线强度。主要用途也在运动与健康领域。

距离传感器(Proximity sensory)

原理:红外LED灯发射红外线,被近距离物体反射后,红外探测器通过接收到红外线的强度,测定距离,一般有效距离在10cm内。距离传感器同时拥有发射和接收装置,一般体积较大。

用途:检测手机是否贴在耳朵上正在打电话,以便自动熄灭屏幕达到省电的目的。也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作。

光线传感器(Ambient Light Sensor)

光线传感器类似于手机的眼睛。人类的眼睛能在不同光线的环境下,调整进入眼睛的光线,例如进入电影院,瞳孔会放大来让更多光线进入眼睛。而光线传感器则可以让手机感测环境光线的强度,用来调节手机屏幕的亮度。而因为屏幕通常是手机最耗电的部分,因此运用光线传感器来协助调整屏幕亮度,能进一步达到延长电池寿命的作用。光线传感器也可搭配其他传感器一同来侦测手机是否被放置在口袋中,以防止误触。

重力传感器(G-Sensory)

原理:利用压电效应实现,传感器内部一块重物和压电片整合在一起,通过正交两个方向产生的电压大小,来计算出水平方向。

用途:手机横竖屏智能切换、拍照照片朝向、重力感应类游戏(如滚钢珠)。

GNSS

GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等,还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

三星s9支持:GPS, Glonass, Beidou, Galileo

Gps

地球上方特定轨道上运行着24颗GPS卫星,它们会不停的向全世界各地广播自己的位置坐标与时间戳(TImestamp,指格林威治 奔 1970年01月01日00 00分00秒到现在为止的总秒数),手机中的GPS模块透过卫星的瞬间位置来起算,以卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差来计算出手机与卫星之间的距离。可运用在定位、测速、测量距离与导航等用途。

结语

手机上常用的传感器,大概就是这么几种。传感器的种类和性能,在一定程度上决定了智能手机的价值,就像是前一阵子微博上一个话题:三星手机贵的原因

作为一个使用三星手机的用户来说,特别还是做为安卓程序开发,日常倒腾手机很厉害的人来说,三星手机确实是有真材实料的,其价值,都体现在软件的细节考虑,还有整体的设计。总的来说,要问一件物品究竟如何体现它的价值呢?

价值,都体现在细节

参考文献

附件

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