智能手机传感器初探

传感器Sensor就是手机里那些可以被测量并且能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般这类传感器都是由敏感元件以及转换元件组成。本文深入浅出地介绍一下手机中相关传感器的原理以及应用场景。

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：光线传感器能根据手机当时所在的环境来调节屏幕亮度，有的还可以自由控制按键呼吸灯的明暗状态。比如在特别明亮的户外，屏幕会自动调到最亮的状态，而当在黑暗环境里，屏幕亮度也会相应降低。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，并且不刺眼。也可用于拍照时自动白平衡。还可以配合距离传感器检测手机是否在口袋里防止误触。

距离传感器

原理：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受装置，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。

光线传感器和距离传感器一般都是放在一起的，位于手机正面听筒周围，这样就存在一个问题，手机的额头上开了太多洞或黑色长条不太好看，所以苹果一直在想方设法减少开孔、或者隐藏开孔。黑色面板的手机可以轻易隐藏这两个传感器，但白色面板就有点难度了。当你把手机放在听筒位置时，距离传感器会测算手机到你耳朵的距离。这个不同的测量值会触发相应的功能，比如熄灭屏幕或是自动锁屏等，同样也可以配合各种保护套来使用。苹果从iPhone5开始，将光线传感器做成了白色，很好的隐藏了起来，但很多国产手机厂商暂时无法做到，他们只能选用更小尺寸的传感器，将光线+距离传感器放在一起做成更小的长条形，或者和摄像头一样大的大圆形，这样相对好看一些。锤子的传感器也是长条形，但直接放在了听筒里面，也算是隐藏了起来。

重力传感器

原理：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。

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）。如今手机屏幕越来越大，曾经被认为没什么必要的横屏功能早已普及。平时在观看照片、视频的时候，我们一般都会把手机横过来操作。在一些游戏中也可以通过重力传感器来实现更丰富的交互控制，比如平衡球、赛车游戏等。

加速度传感器

原理：与重力传感器相同，也是压电效应，通过三个维度确定加速度方向，但功耗更小，但精度低。

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。

指纹传感器

从2013年开始，指纹传感器开始在智能手机中爆发式增长。它可以自动采集用户指纹，以此实现保护隐私的目的。不过现在具有指纹传感器的手机并不仅仅是解锁设备，而是和移动支付相互结合，包括Apple Pay、Sumsang Pay在内都是以指纹传感器为前提来交互。

目前的主流是电容式指纹识别，但从今年开始识别速度更快识别率更高的超声波指纹识别会逐渐普及。

电容指纹传感器原理：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，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纳系统。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：加密、解锁、支付……

陀螺仪传感器

原理：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。陀螺仪就是以这个原理作为依据，用它来保持一定的方向。三轴陀螺仪可以替代三个单轴陀螺仪，可同时测定6个方向的位置、移动轨迹及加速度。

用途：日常我们玩的一些射击或赛车游戏都需要用到这种陀螺仪，很多应用也借助陀螺仪传感器来工作，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。

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。如果你部分东南西北，用地图中的电子罗盘可以轻松实现定位。

GPS位置传感器

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。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。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。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。

用途：地图、导航、测速、测距。随着4G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。

气压传感器

原理：气压传感器之前一直被用在军工手机当中，分为变容式气压传感器以及变阻式气压传感器。气压变化会导致电阻或电容测算数值发生改变。一般GPS能计算出你的位置，但对于一些高度上的变化是需要气压传感器来测算。

用途：GPS计算海拔会有十米左右的误差，气压传感器主要用于修正海拔误差（将至1米左右），当然也能用来辅助GPS定位立交桥或楼层位置。安装了这种传感器的手机能测算你一天上了多少个楼层，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。

温度传感器

今年MWC上一款支持热成像测试的三防手机让人记忆深刻，它用到的就是温度传感器。温度传感器是用来检测手机本身温度变化的，可以看出手机的发热程度。扩展功能方面，温度传感器也能检测外界空气中的温度变化，甚至是用户当前的体温。

霍尔传感器

原理：和磁场传感器类似，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。

用途：有些手机会随机标配一些保护套，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。

紫外线传感器

原理：利用某些半导体、金属或金属化合物的用了光电发射效应来测算，通过摄像头拍户外光源紫外线照射下会释放出大量电子，检测这种放电效应可计算出紫外线强度。

用途：现在应用这种传感器的手机并不多见，而且测算的稳定性也有待进一步观察。主要用在运动、健康等相关。

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。测试的时候需要手指保持平稳，否则测试出的结果会有较大偏差。

用途：运动、健康。心率传感器在穿戴设别中比较常见，但在手机上的应用一般是设置在手机背部的位置，

血氧传感器

原理：和心率传感器一样，血液中的血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比例不同，用这种红外光与红光的两个LED灯光同时照射手指的话，也可以测量出反射光的吸收光谱，从而测量血氧含量。

用途：运动、健康。