智能手机里的13种MEMS传感器技术

如果有人问，智能手机为什么能快速替代传统手机？答案肯定很多，但有一个原因非常关键，那就是智能手机的用户体验，要远胜于传统手机，这也是诺基亚无可奈何花落去的必然。而这种远胜的用户体检，相当一部分来自于MEMS技术在手机中的广泛而深度地应用。

MEMS传感器在个人娱乐领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等，这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。

相应地，随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现，特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展，消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。其中手机和平板电脑中的MEMS传感器几乎占了消费类电子MEMS传感器类市场的90%。

手机里有哪些传感器？

手机是MEMS在消费类产品中最大的应用领域。

手机应用包含MEMS麦克风、3D加速器、RF被动与主动组件、相机稳定与GPS的陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等，应用最多的传感器是加速计、陀螺仪与MEMS硅麦克风，其中加速度计是该市场中第一大应用产品。

而近期陀螺仪增长迅速，已经成为继加速度计后的第二大应用产品。还有一些MEMS传感器或刚进入市场的，例如磁传感器、指纹传感器、环境传感器、MEMS手机摄像头等。而MEMS传感器在手机应用的数量规模以及多样性，也仍不断在快速成长当中。

苹果手机中传感器示意

美国苹果公司于2007年首度将MEMS加速度计应用在iPhone中，开启手机产业的传感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、指纹传感器、接近与环境光传感器、MEMS麦克风和Image Sensor等MEMS传感器。截至目前，Apple公司已拥有超过2000项与传感器相关的发明专利，而申请内容包括触控、影像、运动、振动感测、数据运算、掉落感知及亮度感知等等。

手机中用到的各种传感器解析：

1）光线传感器

原理：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。

用途：通常用于调节屏幕自动背光的亮度。根据环境光线明暗来判断用户的使用条件，从而对手机进行智能调节，达到节能和方便用户使用的目的。黑暗环境下自动降低背光亮度，以免背光太亮刺眼。太阳下自动增加屏幕亮度，使显示更清楚。手机移动到耳边打电话时，自动关闭屏幕和背光，可以延长手机的续航时间，同时关闭触屏，又可以达到防止打电话过程中误触屏幕挂断电话的误操作。

此外，还可以将手机设计成利用光线亮度控制铃声音量的功能，即通过外界光线的强弱，来控制铃声的大小，如手机装在衣服口袋或是皮包里时，就大声振铃，而取出时，环境光线改变了，振铃就随着减小，该功能一方面可以避免铃声过小误接电话，一方面又可以适应环境的需要，避免影响他人，同时还能节省电量。

2）距离传感器

原理：距离传感器是利用“飞行时间法”（Flying Time）的原理来实现测距离，以检测物体的距离的一种传感器。“飞行时间法”是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。红外LED灯发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，测定距离，一般有效距离在10cm内。距离传感器同时拥有发射和接收装置，一般体积较大。

用途：检测手机是否贴在耳朵上正在打电话，以便自动熄灭屏幕达到省电目的，也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作。

3）重力传感器

原理：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。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。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，还有很多其他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。

用途：手机横竖屏智能切换、拍照照片朝向、重力感应类游戏（如滚钢珠）。

4）加速度传感器

原理和分类，如前述。

用途：游戏控制、图像自动翻转、计步、防手抖、手机摆放位置朝向角度检测。

5）磁传感器

原理和分类，如前述。

用途：指南针、地图导航方向、金属探测器APP。

6）陀螺仪

原理和分类，如前述。

用途：体感、摇一摇（晃动手机实现一些功能）、平移/转动/移动手机可在游戏中控制视角、VR虚拟现实、在GPS没有信号时（如隧道中）根据物体运动状态实现惯性导航。

7）GPS

原理：地球特定轨道上运行着24颗GPS卫星，每一颗卫星都在时刻不停地向全世界广播自己的当前的位置坐标及时间戳信息。手机GPS模块通过天线接收到这些信息。GPS模块中的芯片根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，根据卫星发射坐标的时间戳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。

用途：地图、导航、测速、测距。

8）指纹传感器

指纹传感器是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频RF传感器等。目前的主流是半导体电容式指纹识别，但识别速度更快识别率更高的超声波指纹识别会逐渐普及。

光学指纹传感器原理：主要是利用光的折射和反射原理，光从底部射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。CMOS或者CCD的光学器件就会收集到不同明暗程度的图片信息，就完成指纹的采集。

半导体电容指纹传感器原理：在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样，形成的电容/电感数值也就不一样，通过人体带有的微电场与电容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，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，从而描绘出指纹图像。

超声波指纹传感器原理：超声波多用于测量距离，比如海底地形测绘用的声呐系统。超声波指纹识别的原理也相同，就是直接扫描并测绘指纹纹理，甚至连毛孔都能测绘出来。因此超声波获得的指纹是3D立体的，而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。

用途：手机解锁、信息保护、在线识别、移动支付等安全功能。

指纹传感器原理

9）霍尔感应器

原理如前述。

用途：翻盖/滑盖自动解锁、合盖自动锁屏、锁定键盘及解除键盘锁、实现皮套功能等。

10）气压传感器

原理：气压传感器是用于测量气体的绝对压强的仪器，分为变容式或变阻式气压传感器，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。

用途：海拔计算/误差修正、配合GPS实现三维定位。

11）心率传感器

原理：用高亮度LED光源照射手指，当心脏将新鲜的血液压入毛细血管时，亮度（红色的深度）呈现如波浪般的周期性变化，通过摄像头快速捕捉这一有规律变化的间隔，再通过手机内应用换算，从而判断出心脏的收缩频率。

用途：运动、健康。

心率传感器功能示意

12）血氧传感器

原理：血氧传感器用于感受血液中氧分压并转换成可用输出信号的仪器。血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同，用红外光和红光两个LED同时照射手指，测量反射光的吸收光谱，就可以测量血氧含量。血氧传感器均由发光器件和接收器件组成。其中，发光器件是由波长为660nm或650nm的红光和波长为940nm或910nm的红外光发射管组成。光敏接收器件大都采用接收面积大，灵敏度高，暗电流小，噪声低的PIN型光敏二极管,由它将接收到的入射光信号转换成电信号。

用途：运动检测、健康检测。

13）紫外线传感器

原理：利用某些半导体、金属或金属化合物等光敏元件的光电发射效应，通过光伏模式和光导模式在紫外线照射下会释放出大量电子，将紫外线信号转换为可测量的电信号，检测这种放电效应可计算出紫外线强度。

用途：为健康和健身方面的应用提供环境光和红外（IR）接近感测功能。

综上所述，前七个传感器，几乎是每个智能手机的标配；第八个传感器-指纹识别，归功于移动支付时代的到来，安全与便捷性要求的提高，现在有全面普及的趋势，，第九个传感器，官方卖皮套的手机或平板一般都支持。

最后四个传感器比较少见，主要针对户外、运动、健康一类的特殊用户群体，多见于高端手机，以及智能手表手环一类的产品。

手机已经从通信工具，转变为全能的个人助理工具，设计师尽可能多地在手机上集成不同的功能，可以想象未来的手机会集成越来越多的传感器。随着带宽提升的5G来临，不断改善的显示技术（更高的分辨率、更好的视频质量、增强的对比度/亮度等），新设计，增强现实，更小尺寸且具有更多传感功能，将不断推动MEMS和传感器的快速发展，为消费电子产品的“升级、换代”划成一个里程碑式的注脚。在智能手机端，将出现大量新型传感器：惯性传感器、3D光学传感器、IR（红外）传感器、环境传感器、指纹识别传感器、光谱传感器以及光学MEMS（例如自动对焦和/或微投影）。