如果有人問(wèn)，智能手機(jī)為什么能快速替代傳統(tǒng)手機(jī)？答案肯定很多，但有一個(gè)原因非常關(guān)鍵，那就是智能手機(jī)的用戶體驗(yàn)，要遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)手機(jī)，這也是諾基亞無(wú)可奈何花落去的必然。而這種遠(yuǎn)勝的用戶體檢，相當(dāng)一部分來(lái)自于MEMS技術(shù)在手機(jī)中的廣泛而深度地應(yīng)用。

MEMS傳感器在個(gè)人娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)/墜落檢測(cè)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補(bǔ)償、游戲/人機(jī)界面、電源管理、GPS增強(qiáng)/盲區(qū)消除、速度/距離計(jì)數(shù)等等，這些MEMS技術(shù)都在很大程度上提高了用戶體驗(yàn)。

相應(yīng)地，隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域大發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，特別是受益于智能手機(jī)和平板電板的快速發(fā)展，消費(fèi)電子已經(jīng)取代汽車領(lǐng)域成為MEMS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。其中手機(jī)和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎占了消費(fèi)類電子MEMS傳感器類市場(chǎng)的90%。

手機(jī)里有哪些傳感器？

手機(jī)是MEMS在消費(fèi)類產(chǎn)品中最大的應(yīng)用領(lǐng)域。

手機(jī)應(yīng)用包含MEMS麥克風(fēng)、3D加速器、RF被動(dòng)與主動(dòng)組件、相機(jī)穩(wěn)定與GPS的陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等，應(yīng)用最多的傳感器是加速計(jì)、陀螺儀與MEMS硅麥克風(fēng)，其中加速度計(jì)是該市場(chǎng)中第一大應(yīng)用產(chǎn)品。

而近期陀螺儀增長(zhǎng)迅速，已經(jīng)成為繼加速度計(jì)后的第二大應(yīng)用產(chǎn)品。還有一些MEMS傳感器或剛進(jìn)入市場(chǎng)的，例如磁傳感器、指紋傳感器、環(huán)境傳感器、MEMS手機(jī)攝像頭等。而MEMS傳感器在手機(jī)應(yīng)用的數(shù)量規(guī)模以及多樣性，也仍不斷在快速成長(zhǎng)當(dāng)中。

蘋果手機(jī)中傳感器示意

美國(guó)蘋果公司于2007年首度將MEMS加速度計(jì)應(yīng)用在iPhone中，開(kāi)啟手機(jī)產(chǎn)業(yè)的傳感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計(jì)、指紋傳感器、接近與環(huán)境光傳感器、MEMS麥克風(fēng)和Image Sensor等MEMS傳感器。截至目前，Apple公司已擁有超過(guò)2000項(xiàng)與傳感器相關(guān)的發(fā)明專利，而申請(qǐng)內(nèi)容包括觸控、影像、運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)感測(cè)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、掉落感知及亮度感知等等。

手機(jī)中用到的各種傳感器解析：

1）光線傳感器

原理：光敏三極管，接受外界光線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)弱不等的電流，從而感知環(huán)境光亮度。

用途：通常用于調(diào)節(jié)屏幕自動(dòng)背光的亮度。根據(jù)環(huán)境光線明暗來(lái)判斷用戶的使用條件，從而對(duì)手機(jī)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能和方便用戶使用的目的。黑暗環(huán)境下自動(dòng)降低背光亮度，以免背光太亮刺眼。太陽(yáng)下自動(dòng)增加屏幕亮度，使顯示更清楚。手機(jī)移動(dòng)到耳邊打電話時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉屏幕和背光，可以延長(zhǎng)手機(jī)的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)關(guān)閉觸屏，又可以達(dá)到防止打電話過(guò)程中誤觸屏幕掛斷電話的誤操作。

此外，還可以將手機(jī)設(shè)計(jì)成利用光線亮度控制鈴聲音量的功能，即通過(guò)外界光線的強(qiáng)弱，來(lái)控制鈴聲的大小，如手機(jī)裝在衣服口袋或是皮包里時(shí)，就大聲振鈴，而取出時(shí)，環(huán)境光線改變了，振鈴就隨著減小，該功能一方面可以避免鈴聲過(guò)小誤接電話，一方面又可以適應(yīng)環(huán)境的需要，避免影響他人，同時(shí)還能節(jié)省電量。

2）距離傳感器

原理：距離傳感器是利用“飛行時(shí)間法”（Flying Time）的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距離，以檢測(cè)物體的距離的一種傳感器?！帮w行時(shí)間法”是通過(guò)發(fā)射特別短的光脈沖，并測(cè)量此光脈沖從發(fā)射到被物體反射回來(lái)的時(shí)間，通過(guò)測(cè)時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算與物體之間的距離。紅外LED燈發(fā)射紅外線，被近距離物體反射后，紅外探測(cè)器通過(guò)接收到紅外線的強(qiáng)度，測(cè)定距離，一般有效距離在10cm內(nèi)。距離傳感器同時(shí)擁有發(fā)射和接收裝置，一般體積較大。

用途：檢測(cè)手機(jī)是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動(dòng)熄滅屏幕達(dá)到省電目的，也可用于皮套、口袋模式下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)解鎖與鎖屏動(dòng)作。

3）重力傳感器

原理：重力傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來(lái)工作的，所謂的壓電效應(yīng)就是“對(duì)于不存在對(duì)稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場(chǎng)，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)”。

重力傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。傳感器內(nèi)部一塊重物和壓電片整合在一起，通過(guò)正交兩個(gè)方向產(chǎn)生的電壓大小，來(lái)計(jì)算出水平方向。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其他方法來(lái)制作加速度傳感器，比如電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

用途：手機(jī)橫豎屏智能切換、拍照照片朝向、重力感應(yīng)類游戲（如滾鋼珠）。

4）加速度傳感器

原理和分類，如前述。

用途：游戲控制、圖像自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、計(jì)步、防手抖、手機(jī)擺放位置朝向角度檢測(cè)。

5）磁傳感器

原理和分類，如前述。

用途：指南針、地圖導(dǎo)航方向、金屬探測(cè)器APP。

6）陀螺儀

原理和分類，如前述。

用途：體感、搖一搖（晃動(dòng)手機(jī)實(shí)現(xiàn)一些功能）、平移/轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)手機(jī)可在游戲中控制視角、VR虛擬現(xiàn)實(shí)、在GPS沒(méi)有信號(hào)時(shí)（如隧道中）根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航。

7）GPS

原理：地球特定軌道上運(yùn)行著24顆GPS衛(wèi)星，每一顆衛(wèi)星都在時(shí)刻不停地向全世界廣播自己的當(dāng)前的位置坐標(biāo)及時(shí)間戳信息。手機(jī)GPS模塊通過(guò)天線接收到這些信息。GPS模塊中的芯片根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射坐標(biāo)的時(shí)間戳與接收時(shí)的時(shí)間差計(jì)算出衛(wèi)星與手機(jī)的距離，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

用途：地圖、導(dǎo)航、測(cè)速、測(cè)距。

8）指紋傳感器

指紋傳感器是實(shí)現(xiàn)指紋自動(dòng)采集的關(guān)鍵器件。指紋傳感器按傳感原理，即指紋成像原理和技術(shù)，分為光學(xué)指紋傳感器、半導(dǎo)體電容傳感器、半導(dǎo)體熱敏傳感器、半導(dǎo)體壓感傳感器、超聲波傳感器和射頻RF傳感器等。目前的主流是半導(dǎo)體電容式指紋識(shí)別，但識(shí)別速度更快識(shí)別率更高的超聲波指紋識(shí)別會(huì)逐漸普及。

光學(xué)指紋傳感器原理：主要是利用光的折射和反射原理，光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會(huì)不一樣。CMOS或者CCD的光學(xué)器件就會(huì)收集到不同明暗程度的圖片信息，就完成指紋的采集。

半導(dǎo)體電容指紋傳感器原理：在一塊集成有成千上萬(wàn)半導(dǎo)體器件的“平板”上，手指貼在其上與其構(gòu)成電容的一極，另一極是硅晶片陣列，由于手指平面凸凹不平，凸點(diǎn)處和凹點(diǎn)處接觸平板的實(shí)際距離大小就不一樣，形成的電容/電感數(shù)值也就不一樣，通過(guò)人體帶有的微電場(chǎng)與電容傳感器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應(yīng)器之間的距離形成電容高低差，設(shè)備根據(jù)這個(gè)原理將采集到的不同的數(shù)值匯總，從而描繪出指紋圖像。

超聲波指紋傳感器原理：超聲波多用于測(cè)量距離，比如海底地形測(cè)繪用的聲吶系統(tǒng)。超聲波指紋識(shí)別的原理也相同，就是直接掃描并測(cè)繪指紋紋理，甚至連毛孔都能測(cè)繪出來(lái)。因此超聲波獲得的指紋是3D立體的，而電容指紋是2D平面的。超聲波不僅識(shí)別速度更快、而且不受汗水油污的干擾、指紋細(xì)節(jié)更豐富難以破解。

用途：手機(jī)解鎖、信息保護(hù)、在線識(shí)別、移動(dòng)支付等安全功能。

指紋傳感器原理

9）霍爾感應(yīng)器

原理如前述。

用途：翻蓋/滑蓋自動(dòng)解鎖、合蓋自動(dòng)鎖屏、鎖定鍵盤及解除鍵盤鎖、實(shí)現(xiàn)皮套功能等。

10）氣壓傳感器

原理：氣壓傳感器是用于測(cè)量氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)的儀器，分為變?nèi)菔交蜃冏枋綒鈮簜鞲衅?，將薄膜與變阻器或電容連接起來(lái)，氣壓變化導(dǎo)致電阻或電容的數(shù)值發(fā)生變化，從而獲得氣壓數(shù)據(jù)。

用途：海拔計(jì)算/誤差修正、配合GPS實(shí)現(xiàn)三維定位。

11）心率傳感器

原理：用高亮度LED光源照射手指，當(dāng)心臟將新鮮的血液壓入毛細(xì)血管時(shí)，亮度（紅色的深度）呈現(xiàn)如波浪般的周期性變化，通過(guò)攝像頭快速捕捉這一有規(guī)律變化的間隔，再通過(guò)手機(jī)內(nèi)應(yīng)用換算，從而判斷出心臟的收縮頻率。

用途：運(yùn)動(dòng)、健康。

心率傳感器功能示意

12）血氧傳感器

原理：血氧傳感器用于感受血液中氧分壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的儀器。血液中血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)紅外光和紅光的吸收比率不同，用紅外光和紅光兩個(gè)LED同時(shí)照射手指，測(cè)量反射光的吸收光譜，就可以測(cè)量血氧含量。血氧傳感器均由發(fā)光器件和接收器件組成。其中，發(fā)光器件是由波長(zhǎng)為660nm或650nm的紅光和波長(zhǎng)為940nm或910nm的紅外光發(fā)射管組成。光敏接收器件大都采用接收面積大，靈敏度高，暗電流小，噪聲低的PIN型光敏二極管,由它將接收到的入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

用途：運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、健康檢測(cè)。

13）紫外線傳感器

原理：利用某些半導(dǎo)體、金屬或金屬化合物等光敏元件的光電發(fā)射效應(yīng)，通過(guò)光伏模式和光導(dǎo)模式在紫外線照射下會(huì)釋放出大量電子，將紫外線信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，檢測(cè)這種放電效應(yīng)可計(jì)算出紫外線強(qiáng)度。

用途：為健康和健身方面的應(yīng)用提供環(huán)境光和紅外（IR）接近感測(cè)功能。

綜上所述，前七個(gè)傳感器，幾乎是每個(gè)智能手機(jī)的標(biāo)配；第八個(gè)傳感器-指紋識(shí)別，歸功于移動(dòng)支付時(shí)代的到來(lái)，安全與便捷性要求的提高，現(xiàn)在有全面普及的趨勢(shì)，，第九個(gè)傳感器，官方賣皮套的手機(jī)或平板一般都支持。

最后四個(gè)傳感器比較少見(jiàn)，主要針對(duì)戶外、運(yùn)動(dòng)、健康一類的特殊用戶群體，多見(jiàn)于高端手機(jī)，以及智能手表手環(huán)一類的產(chǎn)品。

手機(jī)已經(jīng)從通信工具，轉(zhuǎn)變?yōu)槿艿膫€(gè)人助理工具，設(shè)計(jì)師盡可能多地在手機(jī)上集成不同的功能，可以想象未來(lái)的手機(jī)會(huì)集成越來(lái)越多的傳感器。隨著帶寬提升的5G來(lái)臨，不斷改善的顯示技術(shù)（更高的分辨率、更好的視頻質(zhì)量、增強(qiáng)的對(duì)比度/亮度等），新設(shè)計(jì)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，更小尺寸且具有更多傳感功能，將不斷推動(dòng)MEMS和傳感器的快速發(fā)展，為消費(fèi)電子產(chǎn)品的“升級(jí)、換代”劃成一個(gè)里程碑式的注腳。在智能手機(jī)端，將出現(xiàn)大量新型傳感器：慣性傳感器、3D光學(xué)傳感器、IR（紅外）傳感器、環(huán)境傳感器、指紋識(shí)別傳感器、光譜傳感器以及光學(xué)MEMS（例如自動(dòng)對(duì)焦和/或微投影）。