手机传感器论文.docx

手机终端相关传感器的调研20117801212林东 自动化4班首先我们来定义下传感器，国标GB7665-87对传感器的定义是：“能感受规定的被测量 件并按照一定的规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换 元件组成”，而手机自身就是一个将声音信号转换为电电信号的传感器。下面主要介绍手机 上面的传感器的种类和原理应用。一、磁控传感器1. 霍尔元件.在手机中磁控传感器主要包括干簧管和霍尔元件，干簧管和霍尔元件都是通过磁信号 来控制线路通断的传感器，主要用在翻盖、滑盖手机的控制电路中。由于干簧管易碎等原因， 现在手机中很少见到干簧管传感器，使用最多的是霍尔传感器（也叫霍尔元件）。霍尔传感 器的作用与干簧管传感器一样，工作原理非常相似的，都是在磁场作用下直接产生通与断的 动作。霍尔传感器是一种电子元件，其外型封装很似三极管。以下是霍尔传感器的外形：手机中霍尔传感器的外形霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电差的物理 现象。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。利用霍尔效应做成的半导体元件就是霍尔元 件（霍尔传感器）。霍尔传感器可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多 层半导体异质结构量子阱材料等等。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功 耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。2. 霍尔传感器分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器件和开关型霍尔传感器两种。（1）线性霍尔传感器线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。（2）开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它 输出数字量。手机中使用的霍尔传感器是微功耗开关型霍尔传感器。3. 手机霍尔传感器电路详解下图是NOKIA N73滑盖手机的霍尔传感器电路，当磁场作用于霍尔元件时产生一微小 的电压，经放大器放大及施密特电路后使三极管导通输出低电平；当无磁场作用时三极管截 止，输出为高电平。在滑盖手机中，霍尔传感器件在上盖对应的方向有一个磁铁，用磁铁来控制霍尔传感器 传感信号的输出，当合上滑盖的时候，霍尔传感器输出低电平做为中断信号到CPU，强制 手机退出正在运行的程序（例如正在通话的电话），并且锁定键盘、关闭LCD背景灯，当打 开滑盖的时候，霍尔传感器输出1.8V高电平，手机解锁、背景灯发光、接通正在打入的电 话。在翻盖或滑盖手机中霍尔传感器也比较容易找，它的位置一般在磁铁对应的主板的正面NOKIA N73滑盖手机的霍尔传感器电路二、光线传感器在手机中使用的光线传感器件一般是光敏三极管，也叫光电三极管，光敏三极管有电 流放大作用，所以比光敏电阻和光敏二极管应用更广泛。1. 光敏三极管的外形及符号光敏三极管有2个PN结，其基本原理与光敏二极管相同，但是它把光信号变成电信 号的同时，还放大了信号电流，因此具有更高的灵敏度，一般光敏三极管的基极已在管内连 接，只有C和E两根引线引出（也有将基极引出的）。在使用光敏三极管时，不能从外形来区分是光敏二极管还是光敏三极管，只能从型号 来进行区分。光敏三极管的外形及符号如图所示，一般只有两个引脚引出，样子非常像普通 的发光二极管。手机中的光敏三极管及符号2. 光敏三极管的工作原理光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP 结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个 的。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被 基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时， 光线通过透镜集中照射在芯片上。3. 三手机光线传感器电路详解NOKIA N73手机的光线传感器电路如图所示，光敏三极管V6501将感应到的光线变成 电信号送到电源管理/音频IC中的检测电路中，然后输出控制信号，控制LCD背光灯，使 之能够随环境光线的强弱变换亮度，以达到节省电量满足视觉需要的目的。NOKIA N73手机的光线传感器电路光敏三极管位于前摄像头旁边，如果在光线充足的情况下(室外或者是灯光充足的室 内)，大概在2-3秒之后，键盘灯会自动熄灭，即使你再操作手机，键盘灯也不会亮，除非 到了光线比较暗的地方，键盘灯才会自动的亮起来；如果在光线充足的情况下，你试着用手 将光线感应器遮上2-3秒之后，键盘灯会自动亮起来，这个就是光线感应器的作用。三、触摸传感器手机中使用的触摸传感器(touch sensor)就是平时我们俗称的触摸屏(Touch panel), 又称为触控面板，在手机中使用的触摸传感器分为两类，第一类是电阻式触摸传感器，其代 表就是国产大部分手机采用；第二类是电容式触摸传感器，其代表就是iphone手机等采用。 一.电阻式触摸屏电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐 标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产 生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。电阻式触摸屏基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO(纳 米铟锡金属氧化物)涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO 会接触到玻璃上层的ITO,经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过 运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。1. 电阻式触摸屏的工作原理触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明 阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材 料来将两层隔开。触摸屏的结构如图所示。触摸屏的结构当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产 生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。如图 3，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻(R1 )连接正参考电压(VREF)， 下面的电阻(R2)接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。触摸屏的分压原理为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的 一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的 阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中 下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。2. 四线电阻式触摸屏在手机中使用电阻式触摸屏几乎全部都是四线触摸屏。四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在 屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，如图所示。四线电阻式触摸屏工作原理在触摸屏幕后，起到电压计作用的触摸管理芯片首先在X+点上施加电压梯度VDD，在 X-点上施加接地电压GND。然后，检测Y轴电阻上的模拟电压，并把模拟电压转化成数值， 用模数转换器计算X坐标。在这种情况下，Y-轴变成感应线。同样地，在Y+和Y-点分施加 电压梯度，可以测量Y轴坐标。3. 电阻式触摸屏的外观及结构电阻式触摸屏是覆盖在LCD上面一层玻璃结构的透明的材料，它与LCD是可以分离的， 可以单独进行更换，有些手机的触摸屏和LCD做在一起，如果触摸屏损坏的时候只能一起 更换。部分手机会在触摸屏上面加一个屏幕面板，用来保护触摸屏和LCD。触摸屏的外形结 构如图所示。屏幕面板电阻式触摸屏外形结构4、电阻式触摸屏电路详解下图是是一款手机的电阻式触摸屏电路，电路由触摸检测部件、触摸屏控制芯片、CPU 组成，触摸屏安装在LCD的前面，用户检测用户的触摸位置，当手指触摸图标或菜单位置 时，触摸屏将检测的信息送入触摸屏控制芯片，触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装 置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令 并加以执行。触摸 屏及 触摸 屏接 口xzT8 佣 T81 T8f§ T8f78Q+vccPx+Y+X-YZ ASOUT/PENIRQ触摸屏控制芯片将检测信息送入CPU,并执行。(OVDDVREF x<a o 0 «IO51_TP_DOUT <<EINTVTP/PENIRQ触摸屏芯片I<CQ>手机的电阻式触摸屏电路二、电容式触摸屏电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上 时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可 以确定触摸位置获得信息。1、电容式触摸屏工作原理电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一 块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。 在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流 会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电 流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器， 更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触 摸屏依然能准确算出触摸位置。电容式触摸屏工作原理2、电容式触摸屏的特性电容式触摸屏的感应屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层导电 层，最外层是一薄层矽土玻璃保护层。当我们用手指触摸在感应屏上的时候，人体的电场让 手指和和触摸屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从 接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个 电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触 摸点的位置。相比传统的电阻式触摸屏，电容式触摸屏的优势主要有以下几个方面：（1）操作新奇。电容式触摸屏支持多点触控，操作更加直观、更具趣味性。而电 阻式触摸屏只支持单点触控。（2）不易误触。由于电容式触摸屏需要感应到人体的电流，只有人体才能对其进 行操作，用其他物体触碰时并不会有所相应，所以基本避免了误触的可能。（3）耐用度高。比起电阻式触摸屏，电容式触摸屏在防尘、防水、耐磨等方面有 更好的表现。作为目前正当红的触摸屏技术，电容式触摸屏虽然具有界面华丽、多点触控、只对 人体感应等优势，但与此同时，它也有以下几个缺点：（1）精度不高。由于技术原因，电容式触摸屏的精度比起电阻式触摸屏还有所欠 缺。而且只能使用手指进行输入，在小屏幕上还很难实现辨识比较复杂的手写输入。（2）易受环境影响。温度和湿度等环境因素发生改变时，也会引起电容式触摸屏 的不稳定甚至漂移。例如用户在使用的同时将身体靠近屏幕就可能引起漂移，甚至在拥挤的 人群中操作也会引起漂移。这主要是由于电容式触摸屏技术的工作原理所致，虽然用户的手 指距离屏幕更近，但屏幕附近还有很多体积远大于手指的电场同时作用，这样就会影响到触 摸位置的判断。（3）成本偏高。此外，当前电容式触控屏在触控板贴附到LCD面板的步骤中还存 在一定的技术困难，所以无形中也增加了电容式触控屏的成本。3、电容式触摸屏外观结构下图是iphone手机的纯平触摸屏（touch lens，中文俗称有“镜面式触摸屏”、“纯屏触 摸屏”）的外观，iphone手机使用的电容式触摸屏，屏幕面板和触摸屏合二为一，透光率高， 使用寿命长，适合手机的超薄化设计，加上可以多点触摸功能，深受iphone用户的喜爱。使用电容式触摸屏的手 机Iphone手机的电容式触摸屏四、重力传感器重力传感器，新型属传感器技术，它采用弹性敏感元件制成悬臂式位移器，与采用弹 性敏感元件制成的储能弹簧来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。目前绝大多数 中高端智能手机和平板电脑内置了重力传感器，如苹果的系列产品iphone和iPad，Android 系列的手机等。重力传感器在手机横竖的时候屏幕会自动转，在玩游戏可以代替上下左右， 比如说玩赛车游戏，可以不通过按键，将手机平放，左右摇摆就可以代替模拟机游戏的方向 左右移动了。重力传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称 中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在 晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会 产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压 输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应， 但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电 路转化成电压输出。手机重力感应指的是手机内置重力摇杆芯片，支持摇晃切换所需的界面 和功能，甩歌甩屏，翻转静音，甩动切换视频等，是一种非常具有使用乐趣的功能。五、加速传感器三轴陀螺仪陀螺仪（Gyroscope），是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理 论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转， 由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪有单轴陀螺仪和三轴陀螺仪，单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系 统需要三个陀螺仪。而三轴陀螺仪可同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。所以一个 三轴陀螺仪就能替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪多用于航海、航天等导航、定位系统，能 够精确地确定运动物体的方位。如今也多用于智能手机当中。三轴陀螺仪原理六、图像传感器图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（ChargeCoupled Device，电荷耦合元件）和 CMOS （ Complementary Metal-Oxide Semiconduct or，金 属氧化物半导体元件）两大类1、CCDCCD（Charge Coupled Device）,即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。数码相机规 格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率°CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图 形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似，光线穿过一个 镜头，将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是，CCD既没有能力记录图形数据，也 没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模 -数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备（比如内存芯片或内存卡）。CCD有各式各 样的尺寸和形状，最大的有2X2平方英寸。2、CMOSCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）,即“互补金属氧化物半导体”。 CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之 一。互补性氧化金属半导体 CMOS （Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和 CCD 一 样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什 么差别，主要是利用硅和错这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N （带 -电）和P （带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和 解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点，这主要是因为早期的设计使CMOS 在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。七、电子罗盘电子罗盘是一种重要的导航工具，能实时提供移动物体的航向和姿态。随着半导体工艺 的进步和手机操作系统的发展，集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大，很多手机 上都实现了电子指南针的功能。而基于电子指南针的应用（如Android的Skymap）在各个 软件平台上也流行起来。要实现电子指南针功能，需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一 个三轴加速度传感器。随着微机械工艺的成熟，意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计 集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303DLH，这是一款成本低、性能高的电子指南 针模块。