智能手机中MEMS传感器应用浅析

MEMS的全称是微型电子机械系统（Micro-Electro Mechanical System），是指可将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。可以把它理解为利用传统的半导体工艺和材料，用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术，所以它是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术平台。 MEMS器件，尤其是MEMS传感器已成为智能手机中的标准配置。智能手机应用软件日益庞大的生态系统很大程度上要归功于MEMS传感器。事实上，智能手机已经成为地球上最大的无线传感器网络。

智能手机中采用MEMS技术加工的传感器、执行器和光学器件主要如下，如图1所示。

智能手机上的MEMS传感器多达10多种，如麦克风、压力传感器、距离传感器、加速度传感器、陀螺仪等等。今天，智芯传感小编就带您逐一了解各个MEMS传感器的作用及应用场景。 

• 光线传感器

 

手机中的传感器，首先要说的就是光线传感器，它就好比手机的眼睛。我们人类的眼睛可以在不同光线的环境下，调整进入眼睛的光线。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。原理是通过光敏三极管，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。通常用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，同时不刺眼；另外，光线传感器还可用于拍照时调节自动白平衡、协助调整屏幕亮度、还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。

• 距离传感器

 

大多数的手机中距离传感器和光线传感器一般都是放在一起，位于手机屏幕听筒周围。这样就存在一个问题，手机屏幕上方开太多洞或黑色长条不太好看，各大手机厂商都一直在想方设法减少开孔或者隐藏开孔。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大，利用红外LED灯发射红外线，被物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，测定距离。在应用方面，可以检测手机是否贴在耳朵上正在打电话，以便自动关闭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。

• 重力传感器

 

我们在使用手机看视频、照片、游戏需要切换横竖屏时就需要用到重力传感器了，它能计算出手机当前的防线和水平位置，从而实现横竖屏切换。其原理是利用压电效应实现，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。

• 加速度传感器

 

加速度传感器的概念和重力传感器略微有些重叠，但事实上却又不一样。加速度传感器是多个维度测算的，主要测算一些瞬时加速或减速的动作。比如，人在走动的时候会产生一定规律性的振动，而加速度传感器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步所走的步数，从而计算出人所移动的位移，并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。加速度传感器还可以测量手机的运动速度，在游戏里能通过加速度传感器触发特殊指令。日常应用中的一些甩动切歌、翻转静音等也都用到了这枚传感器。

• 磁场传感器

 

磁场传感器是利用磁阻来测量平面磁场，从而检测出磁场强度以及方向位置。一般用在常见的指南针或是地图导航中，帮助手机用户实现准确定位。如果你不分东南西北的话，那么利用地图中的电子罗盘可以轻松实现定位。其原理是通过各向异性磁性电阻材料，感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化，因此我们通常需要将手机旋转或晃动几下才能准确指示方向。

• 陀螺仪

 

日常我们玩的一些射击或赛车游戏都需要用到陀螺仪传感器，很多应用比如3D拍照和全景导航也借助它来工作。一般来说，手机里标配的都是三轴陀螺仪，可追踪6个方向的位移变化。其原理是利用角动量守恒，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。

• GPS位置传感器

 

GPS模块主要作用是通过天线来接收到卫星的坐标信息帮用户定位。随着5G网络普及，GPS被应用在更多场景。比如与智能硬件配合实现远程定位监控，或是设备丢失后定位查找。智芯传感小编提醒，这里需要分清一个概念：手机一般标配的是A-GPS。所谓A-GPS是在接收导航卫星信号的基础上，通过移动网络更快速的定位，比普通的GPS更先进一些。其原理是通过天线接收GPS卫星传送的信息，并根据高速运动的卫星瞬间位置作为起算数据，根据卫星发射坐标的时间与接收时的时间差计算出卫星与手机的距离，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置坐标，主要应用场景是地图、导航、测速和测距。

• 指纹传感器

 

指纹传感器可以自动采集用户指纹，以此实现保护隐私的目的。现在的指纹传感器并不仅仅是解锁设备，而是和移动支付相互结合，包括微信、支付宝、Apple Pay在内的所有支付功能都是以指纹传感器为前提来交互的。其原理是：利用手指构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，通过人体带有的微电场与指纹传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘出指纹图像实现加密、解锁或支付功能。

• 霍尔感应器

 

和磁场传感器类似，霍尔传感器可以将变化的磁场转化为输出电压，从而在导体两端产生电势差。有些手机会使用保护套，当合上保护套时手机会自动锁屏，打开保护套之后设备又会自动解锁。其原理是利用霍尔磁电效应，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，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。

除上述MEMS传感器外，智能手机上的传感器还有其他的类型，如温度传感器、紫外线传感器、心率传感器、血氧传感器等等，这些特殊的传感器赋予了智能手机更多的功能和应用场景，智芯传感小编就不再一一介绍了。不过，还有一种传感器，智芯传感小编要着重介绍一下——压力传感器！

• 压力传感器

 

压力传感器（Pressure Transducer）是一种能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。那么，手机上的压力传感器是用来干什么的呢？

一般来说，有触摸屏的手机都带有压力传感器，触屏一般是电阻屏或电容屏。大气压力的变化会导致电阻或电容测算数值发生改变，从而计算出海拔高度和辅助导航。

以前压力传感器一直被用在军工手机当中，而随着智能手机的普及以及精确算法的提高，压力传感器已成为智能手机的标配。当手机用户处在树林里或者是在悬崖下面时，由于受到技术和其它方面原因的限制，有时候甚至接收不到GPS卫星信号，那么就不知道准确的海拔高度。而压力传感器通过测出大气压，然后根据气压值计算出海拔高度。

安装了压力传感器的手机可以辅助导航。现在不少开车人士会用手机来进行导航，不过常常会有人抱怨在高架桥里导航常常会出错。例如在高架桥上时，GPS说右转，而实际上右边根本没有右转出口，这主要是GPS无法判断你是桥上还是桥下而造成的错误导航。而如果手机里增加一个压力传感器就不一样了，它的精度可以做到1米，这样就可以很好的辅助GPS来测量出所处的高度，错误导航的问题也就容易解决了。

另外，压力传感器还能测算你上了多少个楼层，或是用于室内定位等，而内部的气压传感器主要是测试设备封闭程度。其原理是将薄膜与变阻器或电容连接起来，气压变化导致电阻或电容的数值发生变化，从而获得气压数据，可以提供多层建筑及商场的精确高度数据，推进LBS服务。

 

智芯传感的新一代高性能ZXP0系列数字输出式大气压力传感器，特别适合于移动终端设备，如智能手机、PAD、运动手表、导航仪等。它集成了一个压阻式压力敏感元件和一个高精度、低功耗的信号调理集成电路，该传感器可靠性高，体积小、功耗低、带有I2C接口输出，其压力传感器敏感单元采用惠斯通电桥原理，以MEMS工艺对传感器进行加工以提供极好的电阻精确度和一致性，并使用高精度的传感器信号调理芯片，对MEMS传感器的温度线性度、零偏和灵敏度进行数字补偿，可输出高精度的数字信号。

总之，智能手机发展至今让使用的MEMS传感器愈加精细和精准，正是这些安装在小小手机上功能强大的MEMS传感器，才让我们在使用智能手机时更加得心应手。