傳感器技術(shù)及在智能手機(jī)中的應(yīng)用

李宏年

【摘要】 介紹了傳感器的分類和工作原理，智能手機(jī)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(shù)的應(yīng)用及傳感器發(fā)展現(xiàn)狀。

【關(guān)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(guī)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(yīng)用到社會及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航天技術(shù)、軍事工程、機(jī)器人技術(shù)、資源開發(fā)、海洋探測、環(huán)境監(jiān)測、安全保衛(wèi)、醫(yī)療診斷、交通運(yùn)輸、家用電器等。

近年來，全球傳感器產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。傳感器不僅進(jìn)入人們的日常工作和家庭生活中，并已在國民經(jīng)濟(jì)各部門以及國防建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，從最初在機(jī)械設(shè)備制造，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，到用電器、科學(xué)儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、通信電子以及汽車等領(lǐng)域，直到現(xiàn)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(zhuǎn)換成電阻值的器件。主要有電阻應(yīng)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?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕霓D(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個(gè)關(guān)鍵部件。

溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，溫度傳感器的種類很多，現(xiàn)在經(jīng)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(yīng)根據(jù)不同的場所選用合適的產(chǎn)品。

位移傳感器又稱為線性傳感器，把位移轉(zhuǎn)換為電量。位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)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(zhuǎn)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(chǎn)過程中，位移的測量一般分為測量實(shí)物尺寸和機(jī)械位移兩種。機(jī)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(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型（如自發(fā)電式）和結(jié)構(gòu)型兩種。常用位移傳感器以模擬式結(jié)構(gòu)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(jī)、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(shù)字式位移傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是便于將信號直接送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種傳感器發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。 手機(jī)使用的距離傳感器是利用測時(shí)間來實(shí)量的一種傳感器 。

當(dāng)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(dòng)式。接觸式傳感器要求手指在指紋采集區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觸摸，而滑動(dòng)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(jī)，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(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能電網(wǎng)與眾多智慧體系一樣，不是單獨(dú)的個(gè)體，而是眾多裝備與技術(shù)共同作用的產(chǎn)物。其中在監(jiān)測第一線的傳感器設(shè)備雖小，但絕對重要。在智能電網(wǎng)發(fā)展中，利用傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)無法對某些電力產(chǎn)品的質(zhì)量、故障定位等作出快速直接測量并在線監(jiān)控。而利用智能傳感器可直接測量，對產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、以及故障等進(jìn)行測量（如溫度、壓力、流量）。目前，智能傳感器已經(jīng)成為國際上傳感器研究的熱點(diǎn)和前沿。

三、傳感器在智能手機(jī)中的應(yīng)用

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

手機(jī)功能一般由內(nèi)置的傳感器來實(shí)現(xiàn)，手機(jī)傳感器的應(yīng)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(yīng)器、位移傳感器等。

霍爾傳感器一個(gè)使用非常廣泛的電子器件，在錄像機(jī)、電動(dòng)車、汽車、電腦散熱風(fēng)扇中都有應(yīng)用。在手機(jī)中主要應(yīng)用在翻蓋或滑蓋的控制電路中，通過翻蓋或滑蓋的動(dòng)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(dāng)前智能手機(jī)應(yīng)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(jìn)一步驗(yàn)證后，才能夠允許使用設(shè)備。在長期的發(fā)展和利用過程中， 隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步， 手機(jī)逐漸發(fā)展成為了一種可以隨時(shí)隨地獲取個(gè)人或者是企業(yè)數(shù)據(jù)信息的客戶端，因此要想保證用戶訪問的安全性，避免出現(xiàn)未授權(quán)訪問的情況就必須要在電子商務(wù)發(fā)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(shí)明顯提高了整個(gè)設(shè)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(jī)所應(yīng)用。三軸陀螺儀可以測出手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，使手機(jī)做出正確回應(yīng)。通過移動(dòng)手機(jī)相應(yīng)的位置，就可以達(dá)到改變方向的目的，同時(shí)操作也更加簡便。目前三軸陀螺儀主要體現(xiàn)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(jī)中的應(yīng)用。由于可以將重力變化轉(zhuǎn)換為電信號，使得在手機(jī)橫豎的時(shí)候屏幕會自動(dòng)轉(zhuǎn)。利用搖晃切換所需的界面和功能，尤其是在玩游戲的時(shí)候，不需要按鍵，只要左右搖擺模擬移動(dòng)就可以操控?？梢愿鶕?jù)重力感應(yīng)產(chǎn)生的加速度來推算出手機(jī)相對于水平面的傾斜度。

MEMS三軸加速度傳感器可以感知內(nèi)容有重力、手機(jī)的靜態(tài)姿態(tài)以及運(yùn)動(dòng)方向等。裝有加速度傳感器的手機(jī)屏幕會隨著角度的不同智能旋轉(zhuǎn)，如手機(jī)中甩歌功能、微信中搖一搖功能。

電子羅盤也被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中，用來導(dǎo)航指向，同時(shí)還可以將數(shù)字信號接送到自動(dòng)舵?，F(xiàn)代實(shí)用的電子羅盤一般能耗低、體積小、重量輕、精度高、內(nèi)置溫度補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)精確導(dǎo)航。

光線感應(yīng)器。一般設(shè)計(jì)在手機(jī)屏幕上方，能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境光線亮度，來自覺調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕亮度。不僅使手機(jī)更加省電，而且能夠提供最佳視覺效果。

位移傳感器應(yīng)用于手機(jī)中，可以使用戶在接打電話時(shí)，感應(yīng)到用戶頭與手機(jī)之間的距離。當(dāng)頭靠近手機(jī)聽筒時(shí)，手機(jī)屏幕背景燈就會熄滅，當(dāng)距離再次拉遠(yuǎn)時(shí)，便會恢復(fù)正常背景燈。在智能手機(jī)電池續(xù)航能力備受吐槽的今天，距離感應(yīng)器的應(yīng)用可以為用戶節(jié)能更多電量，來提升手機(jī)續(xù)航能力。

第一代iPhone可以自動(dòng)調(diào)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(dǎo)航；iPhone 4以及第一代iPad則為運(yùn)動(dòng)感測的陀螺儀創(chuàng)造出一個(gè)新市場。重力感應(yīng)器是出現(xiàn)比較早的手機(jī)傳感器。大多數(shù)主流智能機(jī)都裝有這個(gè)配置。很多游戲都運(yùn)用到重力感應(yīng)器，它們帶給用戶新鮮的體驗(yàn)。重力感應(yīng)技術(shù)是基于壓電效應(yīng)，通過測量內(nèi)部一片重物重力正交兩個(gè)方向分力的數(shù)值，這樣判別水平方向。一般手機(jī)系統(tǒng)默認(rèn)重力感應(yīng)的中心為水平放置。但是在應(yīng)用中，用戶在娛樂時(shí)難以做到讓手機(jī)永遠(yuǎn)保持水平姿勢。所以，用戶也可以自己選擇設(shè)置持握狀態(tài)下的中心。

四、傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，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(shè)備領(lǐng)域，我國產(chǎn)業(yè)目前還不能滿足市場發(fā)展需要。有關(guān)人士表示，目前國產(chǎn)的傳感器芯片已經(jīng)大規(guī)模使用，例如公交卡、酒店的房卡，以及手機(jī)近場支付等領(lǐng)域。

但是，高頻和超高頻等高端芯片，如酒品和服裝的標(biāo)簽，和國外相比依然有欠缺，有待進(jìn)一步的技術(shù)突破。我國在低端的溫度、濕度傳感器方面取得了一些進(jìn)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(jī)電系統(tǒng)方面，和國外相比仍有較大差距。

傳感器領(lǐng)域發(fā)展遇阻，也對我國未來一段時(shí)間的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)推廣造成相當(dāng)大的困擾，如果用國外產(chǎn)品，在安全性可能會有很多的顧慮。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)發(fā)展的趨勢將是開發(fā)新材料與傳感器智能化發(fā)展相結(jié)合。

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)， 是傳感器技術(shù)升級的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，傳感器技術(shù)日臻成熟，其種類越來越多，除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外，光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā)，為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，也促進(jìn)了更新型材料的開發(fā)，如納米材料等。美國NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器，控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放，對凈化環(huán)境效果很好，應(yīng)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(dǎo)通電阻很小，有利于傳感器向微型化發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步將有更多的新型材料誕生。

五、結(jié)束語

近年來，智能化傳感器開始同人工智能相結(jié)合，創(chuàng)造出各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器，它已經(jīng)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(shù)未來發(fā)展的主要方向。

在今后的發(fā)展中，智能化傳感器無疑將會進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。未來，傳感器將與智能技術(shù)完美契合，一步一步地向智能化的完美生活邁進(jìn)，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(gè)方面。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]嚴(yán)宏劍.傳感器技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的研究與應(yīng)用[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2006（6）：39-40.

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