传感器技术及在智能手机中的应用

李宏年

【摘要】 介绍了传感器的分类和工作原理，智能手机中霍尔传感器、指纹识别传感器、光电传感器、加速度传感器等技术的应用及传感器发展现状。

【关键词】 智能传感器 指纹识别传感器 三轴陀螺仪 位移传感器

一、引言

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器已越来越多地被应用到社会及人类生活的各个领域，如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。

近年来，全球传感器产业飞速发展。传感器不仅进入人们的日常工作和家庭生活中，并已在国民经济各部门以及国防建设中得到广泛应用，从最初在机械设备制造，农业生产，到用电器、科学仪器仪表、医疗卫生、通信电子以及汽车等领域，直到现在的智能家居。无处不见传感器的身影。

二、常见传感器的分类和工作原理

传感器的种类很多，常见的有电量传感器、电阻式传感器、称重传感器、温度传感器、压力传感器、液位传感器、位移传感器、指纹识别传感器、智能传感器等。

电阻式传感器是将被测量转换成电阻值的器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的转换装置，是电子衡器的一个关键部件。

温度传感器用于测量环境温度，温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。

位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。在这种转换过程中有许多物理量（例如压力、流量、加速度等）常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。

在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。机械位移包括线位移和角位移。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型（如自发电式）和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。 手机使用的距离传感器是利用测时间来实量的一种传感器 。

当前市场上比较流行的指纹传感器有两类， 一种接触式，一种滑动式。接触式传感器要求手指在指纹采集区域内进行触摸，而滑动式传感器要求手指在传感器表面擦过。

智能传感器是具有信息处理功能的传感器，带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。智能电网与众多智慧体系一样，不是单独的个体，而是众多装备与技术共同作用的产物。其中在监测第一线的传感器设备虽小，但绝对重要。在智能电网发展中，利用传统的传感器已经无法对某些电力产品的质量、故障定位等作出快速直接测量并在线监控。而利用智能传感器可直接测量，对产品质量指标、以及故障等进行测量（如温度、压力、流量）。目前，智能传感器已经成为国际上传感器研究的热点和前沿。

三、传感器在智能手机中的应用

智能手机近年来发展非常迅速，短短几年，已从2G、3G、发展到4G。在智能手机的带动下，以陀螺仪、加速计、压力传感器为代表的传感器得到了快速的发展。随着应用种类的不断丰富和功能的提高，一台移动终端设备上需要的传感器感测功能越来越多。

手机功能一般由内置的传感器来实现，手机传感器的应用有霍尔传感器、三轴陀螺仪、重力传感器、电子罗盘、光线感应器、位移传感器等。

霍尔传感器一个使用非常广泛的电子器件，在录像机、电动车、汽车、电脑散热风扇中都有应用。在手机中主要应用在翻盖或滑盖的控制电路中，通过翻盖或滑盖的动作来控制挂掉电话或接听电话、锁定键盘及解除键盘锁等。

指纹识别在当前智能手机应用过程中，主要是用于身份识别， 将指纹作为了一种密码， 只有主人的指纹信息得到进一步验证后，才能够允许使用设备。在长期的发展和利用过程中， 随着我国科学技术的不断发展和进步， 手机逐渐发展成为了一种可以随时随地获取个人或者是企业数据信息的客户端，因此要想保证用户访问的安全性，避免出现未授权访问的情况就必须要在电子商务发展过程中，广泛地利用指纹识别，一方面指纹识别可以提高密保安全性能，另一方面指纹识别可以避免多次繁琐地输入密码，对于用户的操作记忆也要求较低。通过采用指纹识别， 可以有效地简化操作流程， 同时明显提高了整个设备的安全级别[1]。

三轴陀螺仪最早由苹果iPhone 4采用，后来逐渐被各类智能手机所应用。三轴陀螺仪可以测出手机的运动方向，使手机做出正确回应。通过移动手机相应的位置，就可以达到改变方向的目的，同时操作也更加简便。目前三轴陀螺仪主要体现在游戏的操控上。

与三轴陀螺仪有异曲同工之妙的就是重力传感器在手机中的应用。由于可以将重力变化转换为电信号，使得在手机横竖的时候屏幕会自动转。利用摇晃切换所需的界面和功能，尤其是在玩游戏的时候，不需要按键，只要左右摇摆模拟移动就可以操控。可以根据重力感应产生的加速度来推算出手机相对于水平面的倾斜度。

MEMS三轴加速度传感器可以感知内容有重力、手机的静态姿态以及运动方向等。装有加速度传感器的手机屏幕会随着角度的不同智能旋转，如手机中甩歌功能、微信中摇一摇功能。

电子罗盘也被广泛应用于智能手机中，用来导航指向，同时还可以将数字信号接送到自动舵。现代实用的电子罗盘一般能耗低、体积小、重量轻、精度高、内置温度补偿，能够实现精确导航。

光线感应器。一般设计在手机屏幕上方，能够根据现实环境光线亮度，来自觉调节手机屏幕亮度。不仅使手机更加省电，而且能够提供最佳视觉效果。

位移传感器应用于手机中，可以使用户在接打电话时，感应到用户头与手机之间的距离。当头靠近手机听筒时，手机屏幕背景灯就会熄灭，当距离再次拉远时，便会恢复正常背景灯。在智能手机电池续航能力备受吐槽的今天，距离感应器的应用可以为用户节能更多电量，来提升手机续航能力。

第一代iPhone可以自动调整画面至横向或纵向显示，让加速度传感器得到普遍采用；iPhone 3GS采用电子罗盘用于导航；iPhone 4以及第一代iPad则为运动感测的陀螺仪创造出一个新市场。重力感应器是出现比较早的手机传感器。大多数主流智能机都装有这个配置。很多游戏都运用到重力感应器，它们带给用户新鲜的体验。重力感应技术是基于压电效应，通过测量内部一片重物重力正交两个方向分力的数值，这样判别水平方向。一般手机系统默认重力感应的中心为水平放置。但是在应用中，用户在娱乐时难以做到让手机永远保持水平姿势。所以，用户也可以自己选择设置持握状态下的中心。

四、传感器技术发展现状

现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理[2]。在传感器设备领域，我国产业目前还不能满足市场发展需要。有关人士表示，目前国产的传感器芯片已经大规模使用，例如公交卡、酒店的房卡，以及手机近场支付等领域。

但是，高频和超高频等高端芯片，如酒品和服装的标签，和国外相比依然有欠缺，有待进一步的技术突破。我国在低端的温度、湿度传感器方面取得了一些进展，但是在比较高端的传感器方面，尤其是那种将感知、传输和处理集成到小尺寸芯片中的高端微机电系统方面，和国外相比仍有较大差距。

传感器领域发展遇阻，也对我国未来一段时间的物联网产业推广造成相当大的困扰，如果用国外产品，在安全性可能会有很多的顾虑。随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。

传感器材料是传感器技术的重要基础， 是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步，传感器技术日臻成熟，其种类越来越多，除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维以及超导材料的开发，为传感器的发展提供了物质基础。传感器技术的不断发展，也促进了更新型材料的开发，如纳米材料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2 气体传感器，控制机动车辆尾气的排放，对净化环境效果很好，应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器，具有庞大的界面，能提供大量的气体通道，而且导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。

五、结束语

近年来，智能化传感器开始同人工智能相结合，创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，它已经在家用电器方面得到利用，相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。

在今后的发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。未来，传感器将与智能技术完美契合，一步一步地向智能化的完美生活迈进，不仅将颠覆我们的视野，更将便利我们的生活和日常工作的各个方面。

参 考 文 献

[1]严宏剑.传感器技术在生产实践中的研究与应用[J].计量与测试技术，2006（6）：39-40.

[2]沈建苗.移动技术的下十年走向何方[J].微电脑世界，2011（3 ）：37-38