3C小學堂》手機感測器好多種 5分鐘搞懂原理

iPhone 6s拆解圖,當中的零件超乎想像。(圖/翻攝iFixit)

搖動手機就可以控制賽車方向;拿著手機在操場散步,就能記錄你走了幾公里?這些你越來越熟悉的場景,都少不了天天伴你身旁的智慧型手機。而手機能完成以上任務,主要都是靠內部安裝的感測器。你知道手機中的感測器有多少種?又是倚靠那些原理來運作嗎?不用擔心,看完這一篇,保你瞬間功力倍增!

1.光線感測器(Ambient Light Sensor)

光線感測器類似於手機的眼睛。人類的眼睛能在不同光線的環境下,調整進入眼睛的光線,例如進入電影院,瞳孔會放大來讓更多光線進入眼睛。而光線感測器則可以讓手機感測環境光線的強度,用來調節手機螢幕的亮度。而因為螢幕通常是手機最耗電的部分,因此運用光線感測器來協助調整螢幕亮度,能進一步達到延長電池壽命的作用。光線感測器也可搭配其他感測器一同來偵測手機是否被放置在口袋中,以防止誤觸。

2.距離感測器(proximity sensor)

透過紅外線LED燈發射紅外線,被物體反射後由紅外線探測器接受,藉此判斷接收到紅外線的強度來判斷距離,有效距離大約在10米左右。它可感知手機是否被貼在耳朵上講電話,若是則會關閉螢幕來省電;距離感測器也可以運用在部分手機支援的手套模式中,用來解鎖或鎖定手機。

iPhone 4/4s與iPhone 5/5s的距離感測器與光感測器位置。(圖/翻攝微信公眾號:硬件學堂)

3.重力感測器(G-Sensor)

透過壓電效應來實現。重力感測器內部有一塊重物與壓電片整合在一起,透過正交兩個方向產生的電壓大小,來計算出水平的方向。運用在手機中時,可用來切換橫屏與直屏方向,運用在賽車遊戲中時,則可透過水平方向的感應,將數據運用在遊戲裡,來轉動行車方向。

4.加速度感測器(Accelerometer Sensor)

作用原理與重力感測器相同,但透過三個維度來確定加速度方向,功耗小但精度低。運用在手機中可用來計步、判斷手機朝向的方向。

5.磁(場)感測器(Magnetism Sensor)

測量電阻變化來確定磁場強度,使用時需要搖晃手機才能準確判斷,大多運用在指南針、地圖導航當中。

6.陀螺儀(Gyroscope)

陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸動作的角速度,是補充MEMS加速度計(加速度感測器)功能的理想技術。事實上,如果結合加速度計和陀螺儀這兩種感測器,系統設計人員可以跟蹤並捕捉3D空間的完整動作,為終端用戶提供更真實的用戶體驗、精確的導航系統及其他功能。手機中的「搖一搖」功能(例如搖動手機就能抽籤…)、體感技術,還有VR視角的調整與偵測,都是運用到陀螺儀的作用。

7.GPS

地球上方特定軌道上運行著24顆GPS衛星,它們會不停的向全世界各地廣播自己的位置座標與時間戳(timestamp,指格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒到現在為止的總秒數),手機中的GPS模組透過衛星的瞬間位置來起算,以衛星發射座標的時間戳與接收時的時間差來計算出手機與衛星之間的距離。可運用在定位、測速、測量距離與導航等用途。

8.指紋感測器

目前主流的技術是電容式指紋感測器,然而超音波指紋感測器也有逐漸流行起來趨勢。電容式指紋感測器作用時,手指是電容的一極、另一極則是矽晶片陣列,透過人體帶有的微電場與電容感測器之間產生的微電流,指紋的波峰波谷與感測器之間的距離形成電容高低差,來描繪出指紋的圖形。而超音波指紋感測器原理也類似,但不會受到汗水、油汙的干擾,辨識速度也更為快速。運用在手機中可用來解鎖、加密、支付等等。

9.霍爾感測器(Hall Sensor)

作用原理是霍爾磁電效應,當電流通過一個位於磁場中的導體時,磁場會對導體中的電子產生一個垂直於電子運動方向上的的作用力,從而在導體的兩端產生電勢差。主要運用在翻蓋解鎖、合蓋鎖定螢幕等功能當中,蘋果的Smart cover還有多個品牌的官方手機配件,都運用了這項技術。

10.氣壓感測器(氣壓計,barometer)

將薄膜與變組器或電容連接在一起,當氣壓產生變化時,會導致電阻或電容數值發生變化,藉此量測氣壓的數據。GPS也可用來量測海拔高度但會有10米左右的誤差,若是搭載氣壓感測器,則可以將誤差校正到1米左右;也可用來輔助GPS定位,來確認所在樓層位置等資訊。蘋果的iPhone 6/6s系列都搭載了氣壓感測器。

11.心率感測器

透過高亮度的LED燈照射手指,因心臟將血液壓送到毛細血管時,亮度(紅光的深度)會呈現週期性的變化。再透過攝影機捕捉這一些規律性的變化,並將數據傳送到手機中進行運算,進而判斷心臟的收縮頻率,得出每分鐘的心跳數。

三星Galaxy S7 edge相機旁邊有心率感測器。(圖/黃慧雯攝)

12.血氧感測器

血液當中血紅蛋白與氧合血紅蛋白對於紅光的吸收比率不同,用紅外光與紅光LED同時照射手指,並測量反射光的吸收光譜,藉此量測血含氧量。可用於運動或健康領域的應用。

13.紫外線感測器

某些半導體、金屬或金屬化合物的光電發射效應,在紫外線照射下會釋放出大量電子,透過檢測這種放電效應可計算出紫外線強度。主要用途也在運動與健康領域。

整體而言,前7種感測器大多是目前智慧型手機的標準配備,指紋感測器也有越來越普及的趨勢。較後方的感測器,則多常見在智慧手環以及較頂級、高階的手機中。透過這些感測器的作用,能讓手機擁有高過你我想像的功能,就彷彿讓手機越來越有「智慧」了,你說是嗎?

(中時電子報)

文章來源:微信公眾號


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