Bao cao cam bien 1 14 2021 9h22am

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP  BÀI TẬP LỚN GIỮA KỲ HỌC PHẦN KỸ THUẬT CẢM BIẾN Tìm Hiểu Cảm Biến Trong Điện Thoại Thông Minh Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Hoàng 20173900 Đỗ Văn Hiếu 20173871 Trần Sỹ Nhật Minh 20174056 Đỗ Quốc Đáng 20173721 Phạm Văn Lưu 20174039 HÀ NỘI 12021 MỤC LỤC Mở đầu 4 CHƯƠNG 1. CẢM BIẾN VÂN TAY 2 1.1 Máy quét quang học 2 1.2 Máy quét điện dung 3 1.3 Máy quét siêu âm 5 CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN GIA TỐC 7 2.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc 7 2.2 Gia tốc kế (Accelerometer) 7 2.3 Con quay hồi chuyển (Gyroscope) 9 CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN TIỆM CẬN 12 3.1 Cảm biến tiệm cận 12 3.2 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 12 3.3 Cảm biến tiệm cận điện dung 13 3.4 Cảm biến tiệm cận quang điện: 14 CHƯƠNG 4. CẢM BIẾN LA BÀN VÀ ỨNG DỤNG 15 4.1 Giới thiệu về Từ tường 15 4.2 Phân loại từ kế 15 4.3 Từ kế sử dụng hiệu ứng Hall 15 4.3.1 Cảm biến Hall đầu ra tương tự 17 4.3.2 Cảm biến Hall đầu ra số 18 4.3.3 Cảm biến Hall trong điện thoại di động 18 4.3.4 Cảm biến gia tốc 19 CHƯƠNG 5. CẢM BIẾN HÌNH ẢNH 20 5.1 Giới thiệu 20 5.2 Nguyên lý hoạt động 21 5.3 So sánh CCD và CMOS 24 CHƯƠNG 6. CẢM BIẾN ĐỊNH VỊ GPS 26 6.1 GPS là gì? 26 6.2 Lịch sử hình thành và phát triển 26 6.3 Thành phần của hệ thống GPS 27 6.4 Tín hiệu GPS 27 6.4.1 Thành phần 27 6.4.2 Trị đo tín hiệu GPS 28 6.5 Nguyên tắc hoạt động 29 6.6 Các kỹ thuật định vị ở điện thoại 29 6.6.1 Định vị tuyệt đối 29 6.6.2 Định vị tương đối 30 6.6.3 Định vị động 31 6.7 Sai số 31 6.7.1 Sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu 31 6.7.2 Sai số do quỹ đạo của vệ tinh 31 6.7.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 31 6.7.4 Sai số do nhiễu tín hiệu 31 6.8 APGS 32 6.9 Ứng dụng trên điện thoại thông minh 32 KẾT LUẬN……………………………………………………………………..35 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………..36 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình chụp ảnh của máy quét quang học 2 Hình 1.2 Máy quét điện dung sử dụng các tụ điện 4 Hình 1.3 Máy quét điện dung sử dụng các tụ điện 4 Hình 1.4 Quét vân tay bằng siêu âm 6 Hình 2.1 Cảm biến gia tốc trên điện thoại 7 Hình 2.2 Mô hình gia tốc kế đơn giản 8 Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến gia tốc kế 8 Hình 2.4 Hiệu ứng Coriolis 9 Hình 2.5 Chuyển động quay của các chất lưu trên trái đất 10 Hình 2.6 Apple lần đầu giới thiệu con quay hồi chuyển trên iphone 4 10 Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến con quay hồi chuyển 11 Hình 3.1 Hình ảnh về cảm biến tiệm cận 12 Hình 3.2 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 12 Hình 3.3 Nguyên lý cảm biến tiệm cận 13 Hình 3.4 Cảm biến tiệm cận điện dung 13 Hình 3.5 Nguyên lý cảm biến điện dung 14 Hình 4.1 Cảm biến Accelerometers 19 Hình 5.1 Cảm biến CCD và CMOS 20 Hình 5.2 Nguyên lý CCD và CMOS 21 Hình 5.3 Chất bán dẫn loại N 22 Hình 5.4 Bán dẫn loại P 23 Hình 5.5 Cực âm nối với N, cực dương nối với P 23 Hình 5.6 Một số thông số và sơ lược về nguyên lý hoạt độ 24 Hình 6.1.Mạng lưới vệ tinh GPS 26 Hình 6.2.Điện thoại Benefon Esc 27 Hình 6.3.Các thành phần của hệ thống GPS 27 Hình 6.4.Sơ đồ khối của máy thu GPS 27 Hình 6.5.Cấu trúc tín hiệu GPS 28 Hình 6.6.Kết quả điều chế tín hiệu 28 Hình 6.7.Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh 28 MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin.... Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Khoa học công nghệ trên thế giới phát triển vô cùng mạnh mẽ và đạt được những thành tựu đáng kể. Một trong những thành tựu lớn đó chính là sự ra đời của smartphone hay có nghĩa là điện thoại thông minh. Ngày nay điện thoại thông minh được sử dụng rất phổ biến trong cuộc sống. Người ta không còn sử dụng nó với mục đích chính là nghe gọi nữa mà điện thoại thông minh được sử dụng nhiều các ứng dụng hiện đại khác mà nó mang lại. Hầu hết những tính năng thú vị nhất trên chiếc smartphone của bạn đều được thực hiện thông qua hàng loạt cảm biến. Vậy những cảm biến đó là gì? Chúng hoạt động như thế nào? Đó chính là lý do mà chúng em cùng nhau thực hiện đề tài Tìm hiểu cảm biến trong điện thoại thông minh CẢM BIẾN VÂN TAY Định nghĩa Cảm biến vân tay là phương thức dùng công nghệ sinh trắc học để quét vân tay của người dùng bằng nhiều cách khác nhau. Chúng sẽ quét và lưu lại bằng dữ liệu số về những đặc điểm, đường nét lồi lõm và cả lớp da tay trên đầu ngón tay. Từ đó giúp nhận biết từng dấu vân tay khác nhau tăng tính bảo mật cho các thiết bị sử dụng. Lịch sử ra đời và phát triển Công nghệ cảm biến vân tay xuất hiện lần đầu tiên năm 2011; được tích hợp và giới thiệu cùng với dòng điện thoại Motorola Mobility Atrix 4G. Tại thời điểm đó công nghệ này không gây được sự chú ý của người dùng. Công nghệ cảm biến vân tay chỉ được biết đến và phát triển mạnh mẽ khi Apple trang bị công nghệ này cho chiếc điện thoại iPhone 5S. Hiện nay, hầu hết các dòng điện thoại smartphone đều được trang bị công nghệ này. Cùng với đó công nghệ cảm biến vân tay cũng ngày càng được hoàn thiện, phát triển hơn; việc nhận diện người dùng cũng ngày càng nhạy bén hơn. Máy quét quang học Quét vân tay quang học là phương pháp lâu đời nhất để chụp ảnh và so sánh các dấu vân tay. Cũng như cái tên của phương pháp, kỹ thuật này dựa trên việc chụp lại một hình ảnh quang học của dấu vân tay, và sử dụng thuật toán để phát hiện các mô hình độc đáo trên bề mặt, như các đường vân hoặc các dấu hiệu riêng, bằng cách phân tích các vùng sáng nhất và tối nhất trên hình ảnh. Cũng như các camera của smartphone, các cảm biến này đều có một độ phân giải hữu hạn. Cảm biến có độ phân giải càng cao, càng chi tiết sẽ càng dễ phân biệt các dấu vân tay của bạn, giúp tăng cường độ bảo mật. Tuy nhiên, các cảm biến chụp ảnh này cho ra hình ảnh có độ tương phản cao hơn nhiều so với camera thông thường. Các máy quét điển hình thường có số lượng rất lớn các điốt trên mỗi inch vuông để chụp được hình ảnh chi tiết nhất có thể. Trái tim của máy quét quang học là một thiết bị ghép điện tích (CCD), giống hệ thống cảm biến ánh sáng được sử dụng trong máy ảnh kĩ thuật số và máy quay phim. Các máy dò CCD rất nhạy cảm với mức ánh sáng yếu và do đó có thể tạo ra những bức ảnh thang độ xám tuyệt vời. Một CCD đơn giản là một mảng các diot nhạy sáng gọi là photosites, tạo ra tín hiệu điện để phản ứng với các photo ánh sáng. Mỗi photosites ghi lại một pixel, mỗi chấm nhỏ tượng trưng cho ánh sáng chiếu vào điểm đó. Nói chung, các pixel sáng và tối tạo thành một hình ảnh (ví dụ như ngón tay). Thông thường, một bộ chuyển đổi ADC trong hệ thống máy quét xử lí tín hiệu điện tương tự để tạo ra một biểu diễn kĩ thuật số của hình ảnh này. Quá trình quét bắt đầu khi bạn đặt ngón tay lên một tấm kính và camera CCD sẽ chụp ảnh. Máy quét có nguồn sáng riêng, điển hình là một loạt các diot phát sáng, để chiếu sáng các đường vân của ngón tay. Hệ thống CCD thực sự tạo ra hình ảnh đảo ngược của ngón tay, với các vùng tối hơn biểu thị nhiều ánh sáng phản xạ hơn (các đường vân của ngón tay) và các vùng sáng hơn biểu thị ít ánh sáng phản xạ (các rãnh giữa các đường vân). Nhược điểm: Chất lượng hình ảnh dấu vân tay được chụp bởi cảm biến quang học có thể bao gồm ánh sáng đi lạc từ nguồn khác hoặc ô nhiễm bề mặt, chẳng hạn như ấn tượng dấu vân tay do người khác để lại. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh là dầu, bụi bẩn, ngưng tụ hoặc băng và bất kì vết trầy xước nào trên bề mặt. So với các loại máy quét khác, việc đánh lừa máy quét quang học bằng dấu vân tay của kể lừa đảo là tương đối dễ dàng bằng cách đưa ra hình ảnh thuyết phục về dấu vân tay. Ngày nay, thật khó để tìm thấy dạng máy đọc vân tay quang học, giống như sự triệt tiêu của màn hình điện trở của điện thoại. Thay vào đó, thế giới công nghệ chuyển sang dung cảm biến điện dung hiêu suất cao và chính xác hơn. Máy quét điện dung Loại máy quét vân tay đang được dùng phổ biến nhất hiện nay là máy quét điện dung. Lại một lần nữa, tên của loại máy quét này cho chúng ta thấy thành phần cốt lõi nhất của thiết bị này, tụ điện. Thay vì tạo ra một hình ảnh dấu vân tay như truyền thống, các máy quét vân tay điện dung sử dụng một mảng các mạch tụ điện siêu nhỏ để thu thập dữ liệu về dấu vân tay. Khi các tụ điện lưu trữ dòng điện, chúng sẽ được kết nối với các tấm dẫn điện trên bề mặt của máy quét, nhằm theo dõi các chi tiết của dấu vân tay. Tạo thành từ một hoặc nhiều chip bán dẫn có chứa một loạt các tế bào nhỏ. Mỗi ô bao gồm hai tấm dây dẫn, được phủ một lớp cách điện. Các tế bào rất nhỏ nhỏ hơn chiều rộng của một sườn trên ngón tay. Cảm biến được kết nối với một bộ tích hợp, một mạch điện được xây dựng xung quanh một bộ khuếch đại đảo. Bộ khuếch đại đảo là một thiết bị bán dẫn phức tạp, được tạo thành một bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện. Hai tấm dây dẫn tạo thành tụ điện. Bề mặt của ngón tay hoạt động như một tấm tụ điện thứ ba, được ngăn cách bởi các lớp cách điện trong cấu trúc tế bào. Thay đổi khoảng cách giữa các bản tụ điên (bằng cách di chuyển ngón tay gần hơn hay xa hơn các bản dẫn) làm thay đổi tổng điện dung của tụ điện. Do vậy, tụ điện trong tế bào ở vân tay sẽ có điện dung lớn hơn tụ điện trong một tế bào dưới rãnh. Hình 1.3 Máy quét điện dung sử dụng các tụ điện Điện dung của tụ điện của vòng phản hồi ảnh hưởng đến điện áp đầu vào của bộ khuếch đại, ảnh hưởng đến đầu ra của bộ khuếch đại. Vì khoảng cách đến ngón tay làm thay đổi điện dung, một sườn ngón tay sẽ dẫn điến một đầu ra điện áp khác với rãnh vân tay. Lợi thế của phương pháp này nằm ở tốc độ xử lí, khả năng nhận diện nhiều thuộc tính của vân tay, qua đó đảm bảo tính bảo mật cao. Quá trình phân tích các đường vân và đường rãnh trở nên chi tiết hơn. Bằng máy quét độ phân giải cao, hàng nghìn yếu tố trên đường vân được phân tách giúp việc nhận diện trở lên chính xác gần như tuyệt đối. Dữ liệu mã hóa và so sánh bằng các tín hiệu đảm bảo tốc độ nhanh và chính xác. Do cấu tạo phức tạp khiến máy đọc vân tay điện dung trở thành món hàng đắt đỏ hơn máy quét quang học. Càng nhiều tụ điện, điểm nhận diện trên vân tay càng cao, giá càng đắt nhưng tốc độ xử lí lại chậm vì cảm biến phải quét nhiều thông số. Chính điều này đỏi hỏi các nhà sản xuất phải đơn giản hóa thiết bị nhưng vẫn đảm bảo tính bảo mật. Ưu điểm Ưu điểm chính của máy quét điện dung là nó đòi hỏi hình dạng vân tay thực sự, thay vì kiểu sáng tối. Điều này làm cho hệ thống khó lừa hơn. Ngoài ra, vì học sử dụng chip bán dẫn thay vì CCD. Do vậy, máy quét điện dung có xu hướng nhỏ gọn hơn các thiết bị quang. Nó không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng xung quanh. Hơn nữa, máy quét vân tay dựa trên điện dung có thể chống lại các vấn đề ô nhiễm tốt hơn một số máy quét quang học. Cũng khá khó để đánh lừa máy quét này bằng cách sử dụng ảnh chụp vân tay chất lượng cao thay vì ngón tay thật. Nhưng máy quét điện dung có thể bị đánh lừa bằng cách sử dụng khuôn của đầu ngón tay của một cá nhân. Nhược điểm Một máy quét điện dung có các lớp phủ trên bề mặt của máy quét điện dung không đồng đều và hao mòn theo giời gian. Điều này dẫn đến hiệu suất xuống cấp và cũng rút ngắn tuổi thọ của sản phẩm. Cảm biến điện dung thường cần một số loại xử lí bề mặt như ESD và các lớp phủ bảo vệ khác. Các cảm biến này không bền như cảm biến quang và có thể bị hỏng do phóng tĩnh điện. Xử lí nhiều lần và tiếp xúc hàng ngày có thể ăn mòn bề mặt dễ dàng. Hơn nữa, chip silicon mỏng và vốn dễ vỡ và dễ hư hỏng do tác động mạnh và vết trầy xước bên ngoài. Một máy quét điện dung thường có diện tích hình ảnh nhỏ hơn so với máy quét quang học dẫn đến kích thước hình ảnh nhỏ hơn với độ phân giải thấp hơn. Nó là đắt tiền để sản xuất lớp phủ bề mặt có chất lượng phù hợp. Cảm biến điện dung có thể bị giả mạo bằng cách sử dụng ngón tay mềm nhẵn tạo dựa trên gelatin. Vật liệu này có thể bắt chước các đặc tính của da và do đó có thể đánh lừa cảm biến điện dung. Máy quét siêu âm Máy quét vân tay là công nghệ mới và hiện đại nhất trong việc nhận diện vân tay trên điện thoại thông minh. Sản phẩm đầu tiên có tên Sense ID của Qualcomm trang bị trên chiếc Le Max Pro. Thiết bị gồm bộ phát và thu sóng siêu âm. Khi ngón tay đặt lên cảm biến, chúng sẽ được “quét” toàn diện. Bằng việc đo sóng phản xạ lại, hệ thống có thể nhận biết những đặc tính chi tiết duy nhất trên mỗi dấu vân tay. Để thực sự nắm bắt các chi tiết của dấu vân tay, phần cứng bao gồm cả máy phát và máy thu. Một xung siêu âm được đặt trên máy quét được truyền vào ngón tay . Một số áp lực xung này được hấp thụ và một số được đưa trở lại cảm biến, tùy thuộc vào các đường vân, lỗ chân lông và các chi tiết khác duy nhất cho mỗi dấu vân tay. Không có micrô lắng nghe các tín hiệu trở lại này. Thay vào đó, một cảm biến có thể phát hiện ứng suất cơ học được sử dụng để tính cường độ của xung siêu âm trở lại tại các điểm khác nhau trên máy quét. Quét trong thời gian dài hơn cho phép thu thập dữ liệu độ sâu bổ sung, dẫn đến tái tạo 3D rất chi tiết của dấu vân tay được quét. Nhờ cảm biến thông minh, máy dễ dàng tái tạo phiên bản 3D đầy chân thực với độ nông, sâu rất chi tiết. Đây giống như bản nâng cấp của cảm biến điện dung nhằm tăng tính bảo mật cho thiết bị. Công nghệ vân tay siêu âm hoạt động rất khác so với cảm biến vân tay điện dung. Bởi nó không dùng hình ảnh 2D với độ chi tiết thấp mà sử dụng hình ảnh 3D khó giả mạo và đánh lừa hơn. Hơn hết tốc độ nhận diện cũng nhanh hơn rất nhiều. Thậm chí cảm biến vân tay siêu âm còn an toàn hơn nhiều so với cảm biến vân tay quang học dùng ánh sáng chiếu lên màn hình để nhận diện vân tay. Loại công nghệ này dễ bị đánh lừa bởi hình ảnh 2D. Một lợi ích khác của công nghệ cảm biến vân tay siêu âm là việc nó có thể hoạt động tốt và ổn định dù vật liệu che phủ là nhựa, thủy tinh hay nhôm. Cảm biến này chỉ dày khoảng 0,15 mm và có thể quét qua lớp kính có độ dày 800um và nhôm là 650 um. Nhờ vậy cảm biến này có thể tích hợp trong lớp vỏ máy hoặc dưới màn hình, qua đó giúp thân máy mỏng hơn đáng kể. CẢM BIẾN GIA TỐC Giới thiệu cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc trên smartphone dùng để nhận diện các thay đổi về hướnggóc độ của máy dựa trên dữ liệu thu được và thay đổi chế độ màn hình (chế độ dọc hoặc ngang màn hình) dựa trên góc nhìn người dùng. Hình 2.1 Cảm biến gia tốc trên điện thoại Gia tốc kế (Accelerometer) Trong một khoang chứa hình trụ có chứa một quả bóng gắn lò xo. Đây là một mô hình cảm biến gia tốc căn bản. Khoang chứa hình trụ này gắn liền vào vật thể cần đo gia tốc, còn quả bóng có thể di chuyển một chiều trong khoang chứa. Khi di chuyển khoang chứa, quả bóng cũng sẽ di chuyển bên trong khoang chứa, khiến lò xo co hoặc dãn ra. Dựa vào độ co dãn của lò xo, ta có thể đoán biến được lực và gia tốc của chuyển động. Trong không gian ta sẽ sẽ sử dụng 3 cảm biến gia tốc đơn gia để đại diện cho 3 chiều X,Y,Z từ đó dễ dàng đo được chuyển động của vật thể trong không gian. Như vậy gia tốc được sử dụng để đo gia tốc theo cả 3 chiều. Khi vật xoay thì hệ tục toạ độ của cảm biến cũng thay đổi, hình chiếu gia tốc trọng trường cũng sẽ thay đổi. Từ các giá trị đo được ta xác định được góc nghiêng hiện tại của cảm biến, cũng như góc mà cảm biến đã quay đi được so với vị trí trước. Ví dụ sau thời gian T mà đọc cảm biến đã quay một góc bao nhiêu độ, từ đó ta suy ra được vận tốc. Nếu tích phân vận tốc này sẽ có được quỹ đạo chuyển động của cảm biến. Giá trị đọc các cảm biến thường được tính theo đơn vị g tước là gia tốc trọng trường. Hình 2.2 minh hoạ mô hình gia tốc kế đơn giản Hình 2.2 Mô hình gia tốc kế đơn giản Trên thực tế gia tốc kế sẽ được cấu tạo như hình 2.3: Phần màu xanh nhạt trong hình vẽ giống như một chiếc lược thưa sẽ được gắn vào vật sẽ di chuyển theo sự chuyển động của vật – tương đương quả bóng di chuyển trong mô hình trên. Còn lò xo trong cảm biến sẽ là lớp silicon đi dọc theo chiếc lược thưa này. Khi ta đo được chuyển động của lớp silicon dọc này, ta có thể đo được chuyển động của cảm biến. Bây giờ, xét đến nguyên lý hoạt động của cảm biến.: Ta thấy rằng một đầu chân của chiếc lược trung tâm và 2 chân được gắn trên khoang chứa là 3 tụ điện mắc nối tiếp biến thiên. Do đó khi “chiếc lược” trung tâm chuyển động, dòng điện sẽ được sản sinh. Bằng cách nhận diện các dòng điện này, chúng ta có thể nhận diện được chuyển động của cảm biến. khi đo độ mạnh yếu của dòng điện, từ đó ta có thể đo được mức độ chuyển động của của biến. Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến gia tốc kế Con quay hồi chuyển (Gyroscope) Con quay hồi chuyển là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì sự định hướng. dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Khi đĩa xoay với vận tốc rất cao, sự chuyển hướng theo moment ngoại lực được giảm thiểu giúp con quay hồi chuyển hầu như duy trì được độ nghiêng của nó. Hiện tượng này được ứng dụng để giám sát độ nghiêng. Gia tốc kế chỉ có thể đo được gia tốc tuyến tính của thiết bị, trong khi con quay hồi chuyển nhận biết được sự định hướng của thiết bị, hệ thống có thể dễ dang ghi nhận những chuyển động theo cả phương ngang hoặc phương thẳng đứng. Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis. Vậy hiệu ứng Coriolis là gì? Để trả lời câu hỏi này chúng ta cùng đi đến một thi nghiệm. Chuẩn bị một chậu nước để tĩnh lặng, sau đó đục một lỗ nhỏ giữa chậu để quan sát chuyển động của xoáy nước, ở đây ta sử dụng thêm vài giọt nước có màu sắc để dễ quan sát. Thí nghiệm này được thực hiện tại nam bán cầu. Kết quả là xảy ra hiện tượng lệnh quỹ đạo theo chiều kim đồng hồ. Sự lệnh quỹ đạo này do một loại lực quán tính gây ra gọi là lực Coriolis. Tương tự khi cũng thực hiện thí nghiệm tương tự tại bắc bán cầu tính từ đường xích đạo thì các xoáy nước có chiều xoay ngược chiều kim đồng hồ. Giải thích hiện tượng, Do trái đất không đứng yên mà nó luôn có chuyển động quay tròn từ tây sang đông (ngược chiều kim đồng hồ) nên chậu nước cũng sẽ quay tròn. Tại xích đạo thì sẽ có vận tốc lớn nhất và giảm dần về 2 cực. Theo hiệu ứng Coriolis Thì: + Vật ở xích đạo thì chuyển động nhanh nhất càng xa xích đạo chuyển động càng chậm theo chuyển động quy của trái đất. + Ở xích đạo là ổn định nhất + Tại bán cầu Nam thì các chất lưu như gió,... sẽ có xu hướng di chuyển về phía bên phải + Tại bán cầu Bắc thì các chất lưu như gió lại có xu hướng di chuyển vể phía bên phải (https:www.youtube.comwatch?v=cSqo47ePfCc) Cấu tạo MEMS Gyroscope: Sử dụng 1 khối proof mass dao động theo một phương sơ cấp. Khối này đồng thời xoay quanh một trục, làm xuất hiện lực Corilis khiến nó có thêm dao động theo phương thứ cấp. Trên phương thứ cấp này sẽ gắn các bẩn cực tụ điện để nhận biết sự thay đổi điện dung gây ra bởi chuyển đổng này sau đó tính được vận tốc xoay. Hình 2.6 Apple lần đầu giới thiệu con quay hồi chuyển trên iphone 4 MEMS (MicroElectroMechanicalSystems) là hệ vi cơ điện tử bao gồm các cảm biến và các bộ chấp hành có kích thước rất nhỏ cỡ micro và milimet. Trong thế kỷ 21, công nghệ MEMS thực sự có tầm ảnh hưởng to lớn. Các linh kiện MEMS có thể được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi điện tử (IC). Trên thực thế các cảm biến trong điện thoại được làm theo công nghệ MEMS. Hình 2.7 dưới đây là cấu tạo của con quay hồi chuyển theo công nghệ này: Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến con quay hồi chuyển Một số ứng dụng trên điện thoại Cảm biến gia tốc xử lý việc đo đạc các chuyển động có thể tìm thấy trên các loại vòng theo dõi sức khoẻ và điện thoại. Đó là lý do vì sao trên smartphone có thể đến số bước chân. Ngoài ra nó còn đo được vận tốc của thiết bị. Ngoài ra cảm biến gai tốc cũng có nhiệm vụ thông báo cho các ứng dụng biết được bạn đang cầm điện thoại theo phương ngang hay dọc thế nào. Trong thời đại bùng nổ những ứng dụng thực tế ảo (AR) thì việc sử dụng cảm biến này ngày càng trở nên quan trọng. Bất kì sự thay đổi nào trong định hướng của thiết bị được đo bằng cảm biến con quay hồi chuyển. Ví dụ: Khi người dùng đang để thiết bị nằm ngang thì con quay sẽ xoay màn hình theo. CẢM BIẾN TIỆM CẬN Cảm biến tiệm cận Cảm biến này được dùng để phát hiện sự hiện diện của các vật thể ở gần mà không có bất kì một sự tiếp xúc vật lý nào. Cảm biến tiệm cận thường phát ra một trường điện từ hoặc một chùm bức xạ điện từ (ví dụ hồng ngoại) và tìm kiếm tín hiệu phản xạ trở lại. Có nhiều loại cảm biến tiệm cận nên ta cần lựa chọn hợp lý: Cảm biến tiệm cận điện dụng hoặc cảm biến quang điện có thể phù hợp với mục tiêu bằng nhựa, cảm biến tiệm cận điện cảm thì phù hợp với mục tiêu kim loại. Ưu điểm của cảm biến tiệm cận: độ tin cậy cao, tuổi thọ cao do không có các bộ phận cơ học và tiếp xúc vận lý với đối tượng cảm nhận. Khoảng cách mà cảm biến tiệm cận trên smartphone có thể nhận biết đối tượng vào khoảng 25 cm. Cảm biến tiệm cận cảm ứng Hình 3.2 Cảm biến tiệm cận cảm ứng – Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường, khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này. – Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận. – Sử dụng một cuộn dây có tần số cao (Tần số được tạo ra sự bộ tạo dao động). Tạo ra một từ trường xung quanh cuộn dây. Vật kim loại sẽ bị ảnh hưởng bởi dòng Fuco. – Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường. Hình 3.3 Nguyên lý cảm biến tiệm cận Nhược điểm thì có hai nhược điểm lớn nhất là dễ bị nhiễu do nguyên lý hoạt động bằng từ trường. Thứ hai là chỉ phát hiện được kim loại. Cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện những thay đổi trong diện dung giữ các đối tượng cảm ứng và cảm biến. Các lượng điện dung khác nhau tuỳ thuộc vào kích thước và khoảng cách của các vật. Cấu tạo tương tự như một bản tụ điện. Nguyên lý coi 1 tấm điện dung là đối tượng đo với mà bên kia là mặt của cảm biến điện dung. Các thay đổi điện dung này ta sẽ đo được. Tương tụ cảm biến tiệm cận cảm ứng cảm biến tiệm cận điện dung có cấu tạo gần tương tự. Tuy nhiên cảm biến này hoạt động theo nguyên tắc tính điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor). Đặt biệt nso có thể phát hiện tất cả các vật thể: phi kim, kim loại. Đây được coi là ưu điểm hơn so với cảm biến tiệm cận cảm ứng. Hình 3.5 Nguyên lý cảm biến điện dung Ngoài ra còn nhiều loại cảm biến tiệm cận khác như cảm biến quang điện thường đường sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Cảm biến tiệm cận quang điện: Thường phát loại ánh sáng như hồng ngoại. Có 3 loại phổ biển: Thu phát (có máy phát và máy thu), phản xạ gương, phản xạ khuếch tán. Ưu điểm của loại cảm biến này là phát hiện được vật ở khoảng cách xa hơn so với hai cảm biến nêu trên. Điều kiện hoạt động tốt nhất trong điều kiện môi trường trong suốt và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm CẢM BIẾN LA BÀN VÀ ỨNG DỤNG Khác với la bàn cơ hoạt động bằng cách sử dụng từ tính của nam châm, la bàn số trên điện thoại lại sử dụng công nghệ hiện đại để làm công việc tương tự. La bàn số là một la bàn điện tử có khả năng loại bỏ độ nghiêng bằng cách lấy thông tin từ 2 cảm biến là Từ kế và Accelerometer. Giới thiệu về Từ tường Từ trường là đại lượng vectơ được đặc trưng bởi cả cường độ và hướng. Cường độ của từ trường được đo bằng đơn vị tesla trong hệ SI, và tính bằng gauss trong hệ đơn vị cgs. 10.000 gauss tương đương với một tesla. Các phép đo từ trường Trái đất thường được tính bằng đơn vị nanotesla (nT), Từ trường của Trái đất có thể thay đổi từ 20.000 đến 80.000 nT tùy thuộc vào vị trí, dao động trong từ trường của Trái đất theo bậc 100 nT và các biến thể từ trường do dị thường từ có thể nằm trong khoảng picotesla (pT). Gaussmeters và teslameters là từ kế đo bằng đơn vị gauss hoặc tesla tương ứng Phân loại từ kế Phân loại theo công dụng: Từ kế trong phòng thí nghiệm có độ nhạy, độ chính xác cao, đo được trường lớn hay cực nhỏ và tất nhiên có thể rất cồng kềnh. Chúng phục vụ đo mẫu vật hay khảo sát các quá trình vật lý, hóa học, sinh học,... trong quan hệ với từ trường. Từ kế di động có kích thước, độ nhạy, dải đo thích hợp để đo từ trường Trái Đất hay trong vũ trụ. Phân loại theo đo thành phần trường: Từ kế vô hướng đo giá trị trường toàn phần T. Từ kế vector đo giá trị thành phần trường dọc theo phương nào đó, chẳng hạn phương thẳng đứng Z, phương nằm ngang H, hay nằm ngang theo kinh vĩ tuyến X, Y. Phân loại theo cách thức đo trường: Từ kế đo tuyệt đối (Absolute) cho ra giá trị thật. Từ kế đo tương đối (Relative) cho ra số đọc biểu kiến và phải tính toán theo các tham số kiểm chuẩn để thu được giá trị trường. Ứng dụng: Xác định phương hướng đông, tây, bắc, nam. Hỗ trợ trong việc chỉ đường ,xác định hướng quay của điện thoại. Từ kế sử dụng hiệu ứng Hall Nguyên lý hoạt động Cảm biến hiệu ứng Hall về cơ bản bao gồm một mảnh vật liệu bán dẫn loại p hình chữ nhật mỏng như gali arsenide (GaAs), indium antimonide (InSb) hoặc indium arsenide (InAs) truyền dòng điện liên tục qua chính nó. Khi thiết bị được đặt trong từ trường, các đường sức từ tác dụng một lực lên vật liệu bán dẫn làm lệch các hạt tải điện, các điện tử và lỗ trống về hai phía của tấm bán dẫn. Sự chuyển động này của các hạt mang điện là kết quả của lực từ mà chúng trải qua khi truyền qua vật liệu bán dẫn. Hiệu ứng Hall : Ban đầu ta có 1 thanh kim loại và sau đó ta cấp nguồn điện vào 2 đầu của tấm kim loại khi đó sẽ xuất hiện dòng điện đó là dòng dịch chuyển của các electron chạy từ đầu này sang đầu kia của tấm kim loại. Hình 4.1: Dòng điện qua tấm bán dẫn Sau đó ta đặt một nam châm điện vuông góc với tấm kim loại có cực S gần với tấm kim loại khi đó sẽ làm lệnh các electron khỏi vị trí ban đầu vì cùng dấu thì đẩy nhau khác dấu là hút nhau. Nếu ta coi vị trí ban đầu khi các electron chưa bị dịch chuyển là mức 0, khi đó các electron bị từ trường của nam châm dịch chuyên khỏi vị trí mốc sẽ là âm còn phía trên mức 0 sẽ xuất hiện các điện tích dương và nếu ta đo đồng hồ vào 2 điểm này sẽ xuất hiện 1 điện áp. Hình 4.2: Mô hình cảm ứng từ sử dụng hiệu ứng hall Như vậy ta có thể phát biểu hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi ta áp dụng một từ trường vuông góc lên một 1 bảng làm bằng kim loại hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chảy qua lúc đó ta nhận được một hiệu điện thế U (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại 2 mặt đối diện của thanh Hall. F= f(B,q,v) F change => V change Hiệu điện thế cảm biến hall rất nhỏ (vài uV) và vì vậy các thiết bị thường được sản xuất tích hợp với bộ khuếch đại. Cảm biến Hall đầu ra tương tự Cảm biến Hiệu ứng Hall có sẵn với đầu ra tương tự. Tín hiệu đầu ra cho cảm biến tương tự được lấy trực tiếp từ đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động với điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với từ trường đi qua cảm biến Hall. Điện áp Hall đầu ra này được tính là: VH là Điện áp Hall tính bằng vôn RH là hệ số hall I là dòng điện chạy qua cảm biến tính bằng ampe t là độ dày của cảm biến tính bằng mm B là mật độ Từ thông Cảm biến hall có đầu ra analog bao gồm bộ điều chỉnh điện áp (Regulator), thành phần hall (Hall Element), bộ khuếch đại (High Gain Amplifer). Từ sơ mạch chúng ta thấy đầu ra cảm biến là analog và tỉ lệ với đầu ra thanh phần hall hoặc cường độ từ trường. Các loại cảm biến này phù hợp và được sử dụng để đo khoảng cách vì đầu ra tuyến tính liên tục của chúng. Cảm biến Hall đầu ra số Cảm biến có đầu ra digital chỉ cung cấp hai trạng thái đầu ra, hoặc là “ON” hoặc “OFF”. Các loại cảm biến này có một phần tử bổ sung, như được minh họa trong sơ đồ mạch. Đó là Trigger Schmitt cung cấp độ trễ hoặc hai ngưỡng khác nhau để đầu ra cao hoặc thấp. Khi từ thông đi qua cảm biến Hall vượt quá giá trị đặt trước, đầu ra từ thiết bị sẽ nhanh chóng chuyển từ trạng thái “TẮT” sang điều kiện “BẬT” mà không có bất kỳ loại tiếp điểm nào. Một ví dụ về loại cảm biến này là công tắc hall. Chúng thường được sử dụng như công tắc giới hạn, ví dụ trong máy in 3D và Máy CNC, cũng như để phát hiện và định vị trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Cảm biến Hall trong điện thoại di động Ưu điểm: Thiết kế nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, giá thành rẻ, phù hợp với smartphone. Nhược điểm: Độ nhạy thấp, kém ổn định với nhiệt. Hiện nay độ chuẩn xác của các cảm biến la bàn trên thiết bị di động mới chỉ đạt ở mức xác định tốt về hướng. Nếu là xác định góc, sẽ có sai số về độ, thường trong khoảng 6 đến 8 độ. Nhiều chuyên gia cho rằng: cảm biến la bàn cực nhạy với từ trường và kim loại nên dễ bị hai yếu tố này tác động dẫn tới cảm nhận sai về từ trường thực tế. Cảm biến gia tốc Accelerometer là cảm biến có độ chính xác cao dùng để phát hiện nhúng dịch chuyển rất nhỏ và độ nghiêng, giúp đo tốc độ chạy bộ, xoay màn hình (cùng với Gyroscope), chơi game bằng cách nghiêng điện thoại. Accelerometers là thiết bị cơ điện xác định các lực tĩnh (trọng lực ....) và các lực động (các rung động và chuyển động) Accelerometers có thể đo gia tốc trên 3 trục x y z , Các cảm biến đo theo 3 trục càng ngày càng phổ biến khi chi phí cho chúng ngày càng giảm trong từng cảm biến chứa các tấm điện dung bên trong .Một trong số chúng được cố định ,trong khi số khác được gắn lò xo di chuyển bên trong ,khi có lực tác động lên cảm biến , tấm này di chuyển làm thay đổi giá trị điện dung .Từ thay đổi điện dung có thể xác định được gia tốc.Các Accelerometers đặt xung quanh phần tử áp điện (piezoelectric materials) Khi có thay đổi nhỏ trong hệ thống điện áp đầu ra sẽ thay đổi dưới tác dụng của các lực cơ học. CẢM BIẾN HÌNH ẢNH Sensor (cảm biến) là bộ phận cực kì quan trọng cần được chú ý mỗi khi muốn tạo nên một hệ thống camera. Sensor sẽ có hàng triệu tế bào bên trong, và khi ánh sáng đi qua (chụp ảnh), mỗi tế bào sẽ tạo điện tích, tiếp đến là hệ thống lọc màu hoạt động, và những bước xử lí các điện tích được kích hoạt, tạo nên các bức ảnh hoàn chỉnh. Cảm biến hình ảnh là một trong những bộ phận quan trọng nhất của máy ảnh. Chi phí để sản xuất được một cảm biến hình ảnh thường chiếm 13 tổng giá trị của chiếc máy ảnh đó. Cảm biến hình ảnh này được sản xuất từ silic là chính, (tương tự như việc sản xuất chip xử lý trên máy tính), chế tạo thành các miếng wafer siêu mỏng được đục đẽo tinh vi theo công nghệ của từng hãng. Giới thiệu Trong thế giới smartphone hiện nay, mỗi hàng đang cố gắng mang đến những cảm biến camera điện thoại tốt hơn nhằm mang lại chất lượng ảnh tốt hơn. Nhưng nói đi cũng phải nói lại, sự hạn chế về kích thước cảm biến quá nhỏ, khó sản xuất nên hiện nay chỉ có 2 loại cảm biến dành cho camera điện thoại là : CCD( ChargeCoupled Device) CMOS( Complementary MetalOxide Semiconductor) hai công nghệ cảm biến khác nhau dùng để chuyển đổi tín hiệu hình ảnh sang dạng ảnh số, mỗi công nghệ cảm biến có những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau cho chúng ta những lợi thế trong từng ứng dụng cụ thể khác nhau. Hình 5.1 Cảm biến CCD và CMOS Trong tạo ảnh kỹ thuật số, một pixel hay một điểm ảnh ( pixel hay pel, viết tắt picture element) là một điểm vật lý trong một hình ảnh, hoặc một khối màu rất nhỏ và là đơn vị cơ bản nhất để tạo nên một bức ảnh kỹ thuật số. Một pixel (điểm ảnh) tương ứng với một mảnh (mẩu) của tấm ảnh. Nhiều pixel bao nhiêu, hình ảnh hiển thị sẽ càng rõ và chính xác hơn so với bản gốc bấy nhiêu. Đây cũng là nguyên nhân mà cường độ điểm ảnh sẽ luôn thay đổi. Một hình ảnh hiển thị thông thường sẽ có các màu chủ đạo từ 3 đến 4 màu như xanh lá, đen, xanh lam, vàng, đỏ. Các chương trình có sử dụng đồ họa thường sẽ được tính bằng pixel dimensions nghĩa là độ phân giải của hình ảnh. Trong công nghệ CCD, điện tích ở mỗi pixel được chuyển qua một số rất ít các điểm đầu ra (điểm nốt) sau đó được chuyển thành tín hiệu điện áp, lưu trữ rồi xuất ra khỏi sensor dưới dạng tín hiệu tương tự, tất cả dác điểm ảnh đều được tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng, và tính đồng đều của đầu ra cao hơn (một nhân tố quyết định chất lượng hình ảnh). Còn trong công nghệ CMOS, mỗi điểm ảnh có bộ chuyển đổi điện tích thành điện áp riêng, cảm biến đồng thời bao gồm các bộ khuếch đại, lọc nhiễu, bộ mạch số hóa qua đó tín hiệu đầu ra là tín hiệu dạng số. Những chức năng bao gồm thêm này làm tăng độ phức tạp của thiết kế đồng thời làm giảm diện tích điểm ảnh tiếp xúc với ánh sáng. Khi mỗi điểm ảnh được chuyển đổi một cách riêng rẽ, tính đồng đều của tín hiệu số bị giảm đi, nhưng tín hiệu được xử lý song song cho chúng ta có một tốc độ nhanh hơn Cả hai loại CCD và CMOS đều được phát triển từ giai đoạn cuối 19601970. Công nghệ CCD ban đầu được sử dụng phổ biến hơn bởi chúng cho chất lượng hình ảnh tốt hơn với công nghê chế tạo sensor ở thời điểm đó. Công nghệ CMOS yêu cầu độ đồng đều của các điểm ảnh cao hơn, và các kích thước nhỏ hơn khả năng cung ứng của các nhà sản xuất bán dẫn ở thời điểm đó. Đến tận giai đoạn 1990, các nhà khoa học mới có thể tạo ra một thiết kế cảm biến CMOS phù hợp. Điều này đã lấy lại sự quan tâm của giới công nghệ dành cho cảm biến CMOS bởi các đặc tính được mong đợi: khả năng tiêu thụ điện thấp, thích hợp cho việc tích hợp camera trên chip, chi phí sản xuất thấp bởi tái sử dụng được các cổng logic và bộ nhớ hiện đang được sản xuất thương mại. Tuy việc cân bằng được các lợi ích này nhưng vẫn cho ra một chất lượng ảnh tốt đòi hỏi rất nhiều sự đầu tư về thời gian, tiền bạc, và nhiều công đoạn hơn trước đây nhưng công nghệ cảm biến CMOS đã trở lại cuộc đua với công nghệ CCD. Nguyên lý hoạt động Hình 5.2 Nguyên lý CCD và CMOS Một cảm biến hình ảnh bao gồm một bảng mạch nhỏ bao gồm các photodiode rất nhạy cảm với ánh sáng, chúng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, mỗi diode khi bị ánh sáng tác động sẽ sản sinh một điện áp tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng nó nhận tác động, khi không có ánh sáng tác động chúng sẽ không tạo ra mức điện áp nào cả lúc này chúng sẽ tạo ra một mức đen, khi có ánh sáng ở mức cao nhất chúng sẽ tạo ra mức đen, khi ánh sáng ở giữa 2 khoảng này thì sẽ tạo được mức xám. Hay nói cách khác, cảm biến hình ảnh hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang dẫn: khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất), năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời... Chất bán dẫn: Có 2 loại bán dẫn là bán dẫn loại P và bán dẫn loại N. Chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn giữa chất dẫn và chất không dẫn hoặc chất cách điện. Chất bán dẫn có thể là các nguyên tố tinh khiết, chẳng hạn như silicon hoặc gecmani hoặc các hợp chất như gallium arsenide hoặc cadmium selenide. Xét nguyên tử Si có 4e bề mặt ngoài tạo ra tứ diện, trong tinh thể thì nó thỏa mãn 8e ở lớp vỏ ngoài mỗi nguyên tử nên chỉ còn một vài e tự do trôi nổi trong mạng tinh thể, vì vậy nó vẫn có thể dẫn điện nhưng rất khó khăn. Nhưng có một quá trình pha tạp thêm nguyên tố khác vào tinh thể Si để tạo ra độ dẫn điện khác nhau, quá trình này gọi là quá trình Doping. Hình 5.3 Chất bán dẫn loại N Khi pha tạp thêm nguyên tố Photpho vào, ta có bán dẫn loại N. Nguyên tố này phù hợp với kết cấu tứ diện nhưng nó cho thêm 1e bên lớp ngoài, nghĩa là lớp ngoài nguyên tử photpho có 9e. Hình 5.4 Bán dẫn loại P Ngược lại, khi thêm nguyên tố Boron ta sẽ có chất bán dẫn loại P, lớp vỏ bên ngoài nguyên tử Boron có 7e, vị trí bị thiếu e gọi là hole. Hole là một không gian thu hút e tự do. Khi đặt 2 chất bán dẫn này cạnh nhau, ta có diode PN, chỉ cho dòng điện chạy theo 1 chiều nhất định mà không cho dòng điện chạy theo chiều ngược lại. Nếu chúng ta đặt nguồn điện áp lên diode PN, cực dương (anode) nối với loại P, cực âm (cathode) với loại N, khi đó ta rút được e từ loại P và cho dòng điện đi qua từ cực âm tới cực dương hay từ loại N tới loại P. Hình 5.5 Cực âm nối với N, cực dương nối với P Khi ta đảo ngược lại, nối cực dương với loại N, cực âm với loại P thì loại P đã đang tích e của loại N, nay lại được thêm e từ cực âm, đến một ngưỡng nào đó sẽ không nhận thêm e từ cực âm nữa và đẩy các e trở lại, không cho dòng điện chay qua diode nữa. Từ đó ta có thể tận dụng hiệu ứng quang điện để chế tạo photodiode. Ở chất bán dẫn PN có vùng nghèo và vùng khuếch tán. Vùng nghèo là vùng tiếp giáp giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại N, ở đó e và hole đã đi về 2 cực, nên nó được gọi là vùng nghèo (depletion region). Vùng khuếch tán là khu vực các e hoặc các hole đang được khuếch tán sang các nơi có mật độ thấp hơn, chưa đi về 2 cực. Khi photodiode nhận được photon (thường vào khoảng 1901100nm), tinh thể Si sẽ hấp thụ nó (ở vùng nghèo hoặc vùng khuếch tán) và tạo ra cặp e và hole, sau đó e nhận được khi chiếu sáng sẽ chạy về phía cực dương và hole chạy về phía cực âm do tác động của điện trường. Từ đó ta sẽ đo được cường độ ánh sáng bằng cách đo số e hay điện áp trên cực dương. Ngày nay photodiode có dạng bề mặt vuông, chữ nhật hoặc đa giác, kích thước từ 1,4 µm đến hơn 20 µm, cho phép đạt mật độ cao cỡ mega pixel cho một CCD có diện tích 1 inch vuông. Mật độ pixel xác định độ phân giải hình ảnh. Nhưng công nghệ vi xử lý đã thực hiện nội suy điểm ảnh đến giới hạn mà độ chính xác của chuyển đổi ánh sáng sang điện tích cho phép, tức là số pixel ảnh xuất ra cao hơn số photodiode của sensor. Nói cách khác, độ phân giải của anh nhận được cao hơn độ phân giải của sensor. Hình 5.6 Một số thông số và sơ lược về nguyên lý hoạt độ So sánh CCD và CMOS Phần lớn các cảm biến CMOS được chế tạo cho các ứng dụng chụp ảnh các ánh sáng trong vùng nhìn thấy, nên cảm biến CMOS không được nhạy so với cảm biến CCD. Nếu chúng ta tăng độ dày của lớp chất nền cảm biến CMOS, chúng ta sẽ tăng được độ nhạy của cảm biến nhưng lại làm giảm khả năng phân giải hình ảnh. Ngược lại, cảm biến CCD lại có thể dễ dàng tăng chiều dày lớp epi mà không ảnh hưởng đến khả năng phận giải hình ảnh. Qua đó cảm biến CCD tỏ ra phù hợp hơn so với cảm biến CMOS trong chụp hồng ngoại CCD khi camera hoạt động ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại về mặt chip thông qua các điểm ảnh. Thông tin về số lượng ánh sáng lưu lại mỗi điểm sẽ được chuyển lần lượt theo từng hàng ra ADC, rồi tới bộ xử lý để tái hiện ảnh đã chụp. Vì thế CCD có tốc độ xử lý chậm hơn. Để xử lý thì một bộ lọc ảnh được xen kẽ làm tang tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy giảm chất lượng. Do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu. Nhưng sự cải thiện này đòi hỏi phải có thêm không gian Chip nên tăng giá thành CCD. Cảm biến Cmos thì cạnh mỗi 1 điểm bắt sáng trên chip đều có một mạch bổ trợ do đó người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi, cân bằng sáng,..vào mạch bổ trợ này. Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng Pixel nhất định của chip cảm biến (như phóng to chỉ một phần ảnh) do khả năng tích hợp cao bán mạch chính sẽ không bị mất thêm không gian không. Cmos lại tiêu thụ ít điện năng, sản xuất dễ dàng. Do muỗi một điểm bắt ảnh trên Cmos lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính thống nhất của mỗi mạch khuếch đại. Điều này làm cho bức ảnh có độ nhiễu nhất định CMOS không có độ nhạy tốt so với cảm biến CCD Ngoại trừ việc có chứa các vật liệu bán dẫn, CCD còn bao gồm nhiều tụ điện loại MOS (Metal Oxide Semiconductor). Cảm biến CMOS được chế tạo với thiết kế phức tạp hơn, ngoại trừ các vật liệu bán dẫn photon, CMOS còn bao gồm bộ khuếch đại và mạch AD. So sánh hai loại khi hoạt động trong lãnh vực nhạy cảm khu vực rộng, so với cảm biến CMOS thì cảm biến CCD có mức độ nhạy cảm rộng hơn, CCD có thể tạo ra tín hiệu điện mạnh mẽ hơn khi xuất ở ngõ ra của hình ảnh trong cùng một điều kiện môi trường, cảm biến CCD có thể cung cấp hình ảnh với mức tiếng ồn thấp có nghĩa là chất lượng cao hơn. Do đó, cảm biến CMOS theo truyền thống được cho là không tốt như cảm biến CCD. Tuy nhiên, vì sự phát triển của công nghệ mới, hiện nay đã có những cải thiện rất ấn tượng cho việc chế tạo các cảm biến CMOS thế hệ mới ít thua kém CCD, với lợi thế chi phí thấp, cảm biến CMOSbắt đầu thách thức sự thống trị cảm biến CCD trong thị trường camera cao cấp. Bảng 5.1 So Sánh CCD và CMOS Mô tả CCD CMOS Tốc độ Trung bình đến nhanh Nhanh Độ nhạy Cao Thấp Nhiễu Thấp Trung bình Độ phức tạp hệ thống Cao Thấp Độ phức tạp cảm biến Thấp Cao Đầu ra Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Tín hiệu điểm ảnh Điện tử Điện thế CẢM BIẾN ĐỊNH VỊ GPS GPS là gì? GPS là gì? GPS là viết tắt của global positioning system (Hệ thống định vị toàn cầu), thực chất là một mạng lưới 24 đến 32 vệ tinh quay quanh Trái đất, phát sóng dữ liệu cho phép người dùng trên hoặc gần Trái Đất xác định vị trí không gian của chúng. Trong đó khoảng 24 vệ tinh đang hoạt động, vệ tinh còn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp 1 trong số 24 vệ tinh chính bị hư hỏng. Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, thiết bị thu GPS có thể nhìn thấy được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào. Hình 6.1.Mạng lưới vệ tinh GPS Lịch sử hình thành và phát triển Từ xưa, con người đã tìm một cách để xác định vị trí (định vị). Ban đầu, đơn giản đánh dấu đường, ví dụ dựa vào núi, cây dọc theo bờ biển,.. .sau đó con người đã biết dùng la bàn và kính lục phân (la bàn cho xác định hướng, còn kính lục phân cho ta xác định vĩ độ, còn kinh độ vẫn là bí ẩn). Sau này người ta mới có thể xác định tọa độ khi xuất hiện của đồng hồ bấm giờ. Vào giai đoạn xuất hiện các phương tiện thông tin Radio, vào đầu thế kỷ 20, một hệ thống định vị dựa trên sóng Radio được phát triển và được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới thứ hai như: Hệ thống Rada, đạo hàng,...Điểm hạn chế của hệ thống định vị dùng sóng Radio là độ chính xác không cao và cự ly ngắn, do vị trí đặt máy phát sóng Radio trên mặt đất là chưa hợp lý,... Các nhà khoa học nhận thấy rằng cách tốt nhất là đặt máy phát sóng trong không gian. Một máy phát sóng tần số Radio đặt cách mặt đất sẽ cho phạm vi bao phủ mặt đất rất rộng và cho phép định vị chính xác một vật trên mặt đất. Ý tưởng có tính nguyên lý của hệ thống định vị toàn cầu GPS chỉ thực hiện được sau khi các nhà khoa học đã đưa được các vệ tinh nhân tạo lên quỹ đạo của quả đất. Năm 1999 Nhà sản xuất điện thoại di động Benefon đã tung ra chiếc điện thoại GPS thương mại đầu tiên, một chiếc điện thoại có tên gọi là Benefon Esc Điện thoại GSM được bán chủ yếu ở châu Âu. Hình 6.2.Điện thoại Benefon Esc Thành phần của hệ thống GPS GPS là một hệ thống có 3 thành phần cơ bản: Trạm không gian, Trung tâm điều khiển và máy thu Hình 6.3.Các thành phần của hệ thống GPS Trạm không gian (Space station) Trạm không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu khắp toàn cầu. Ngoài ra, trên vệ tinh còn có những tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh theo yêu cầu. Trung tâm điều khiển (Control station) Trung tâm điều khiển gồm 4 trạm thu tín hiệu (Signals Station) và một trạm chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh. Máy thu GPS là thành phần cuối cùng của hệ thống GPS. Hình 6.4.Sơ đồ khối của máy thu GPS Tín hiệu GPS Thành phần Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai băng tần con L1 và L2 có tần số sóng mang tương ứng: f_1 =1575.42MHz và f_2= 1227.60MHz với tần số cơ sở f_0=10,23 MHZ, người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các bộ nhân tần f_1=1540 f_0 và f_2= 1200 f_0. Nó bao gồm ba mẩu thông tin khác nhau: mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Hình 6.5.Cấu trúc tín hiệu GPS Hình 6.6.Kết quả điều chế tín hiệu Trị đo tín hiệu GPS Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau: Giả cự ly (pseudorange): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là bản sao mã P hay mã CA từ máy thu và mã nhận được từ vệ tinh . Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Hình 6.7.Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2. Dựa vào độ lệch pha toàn bộ giữa tín hiệu sóng mang từ vệ tinh gửi đến và tín hiệu sóng mang nhận được ta tính được khoảng cáchMô tả quy trình Nguyên tắc hoạt động Từ vệ tinh A, người ta phát một sóng điện từ có tần số nằm trong vùng tần số Radio đến máy thu GPS đặt tại điểm cần xác định. Tại thiết bị máy thu GPS sẽ đo khoảng thời gian sóng điện từ truyền qua không gian từ máy phát trên vệ tinh đến máy thu tại điểm cần xác định. Với giá trị thời gian đo được và tốc độ truyền hoặc với bước sóng biết trước và chu kỳ lệch pha giữ tín hiệu gửi và nhận, người ta có thể dễ dàng tính được một cách chính xác từ vệ tinh đến vị trí của máy thu GPS. a. Phương pháp định vị tam giác 2D Phương pháp này tính toán vị trí kinh độ và vĩ độ vị trí của bạn trên bản đồ và cần có ít nhất 2 vệ tinh để thực hiện điều đó. Hình 6.8.Phương pháp định vị tam giác 2D b. Phương pháp định vị tam giác 3D Phương pháp này tính toán vĩ độ, kinh độ và độ cao vị trí của bạn Hình 6.9.Phương pháp định vị tam giác 3D Các kỹ thuật định vị ở điện thoại Định vị tuyệt đối Làm sao để biết khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí của bạn? Để thực hiện tính toán này, máy thu GPS của điện thoại phải biết được 2 thứ tối thiểu: Vị trí của ít nhất 3 vệ tinh bên trên nó và khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên. Khoảng cách = (t_2 t_1) × c (với t_1, t_2 lần lượt là thời gian gửi và nhận) Hình 6.10.Kỹ thuật định vị tuyệt đối Cụ thể để xác định tọa độ x,y,z của máy thu và độ hiệu chỉnh thời gian t_c của đồng hồ máy thu GPS thì GPS sẽ giải phương trình sau: d_1=c(t_(t,1)t_(r,1) + t_c)=√(〖(x_1x)〗2 (y_1y)2+ √(〖(z_1z)〗2 )) d_2= c(t_(t,2)t_(r,2) + t_c)=√(〖(x_2x)〗2 (y_2y)2+ √(〖(z_2z)〗2 )) d_3= c(t_(t,3)t_(r,3) + t_c)=√(〖(x_3x)〗2 (y_3y)2+ √(〖(z_3z)〗2 )) d_4= c(t_(t,4)t_(r,4) + t_c)=√(〖(x_4x)〗2 (y_4y)2+ √(〖(z_4z)〗2 )) Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo. Vì các vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo biết trước và có thể dự đoán được nên điều này cũng không khó. Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ một thời điểm nào đó. Định vị tương đối Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được giảm đi đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu. Tuy nhiên để làm điều đó cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung. Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu. Hình 6.11.Kỹ thuật định vị tương đối Định vị động Nếu trường hợp máy thu không đứng yên mà chuyển động liên tục thì ta gọi đó là định vị động.Định vị động có độ chính xác kém hơn định vị tĩnh (trường hợp máy thu đứng yên). Nó cũng có hai kiểu: tuyệt đối và tương đối. Kiểu tương đối được ưa chuộng hơn vì độ chính xác tốt hơn. Trong trường hợp này, một máy thu được đặt cố định tại một điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thu thứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi là rove receiver hay mobile station). Hình 6.12. Kỹ thuật định vị động Sai số Sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu Theo như phép toán tính khoảng cách trên thì một sai số dù rất nhỏ như 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300km, tức là rất lớn. Do đó độ chính xác cho máy thu phải là tối thiểu hết mức có thể (thường cỡ nano giây). Để có độ chính xác như vậy thì cả máy phát và máy thu phải trang bị đồng hồ nguyên tử. Sai số do quỹ đạo của vệ tinh Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Sai số do nhiễu tín hiệu Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. APGS AGPS (Assisted GPS) là phiên bản được nâng cấp của GPS, một hệ thống hỗ trợ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất định vị vị trí của bạn nhanh hơn so với định vị bằng vệ tinh thông thường. AGPS hiện đang xuất hiện phổ biến trong điện thoại thông minh Hình 6.13. Nguyên lý hoạt động của AGPS Nó sẽ hoạt động nhờ các các server AGPS được nhà mạng di động triển khai. Các server này có thể xem như bản cache của dữ liệu GPS, nó sẽ lấy dữ liệu từ vệ tinh và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu trên mặt đất. Khi điện thoại của bạn truy xuất vào các server này, chúng sẽ lấy được thông tin nhanh hơn nhiều nhờ sử dụng các kết nối 3G, 4G, thậm chí là WiFi. Các kết nối này có tốc độ nhanh hơn nhiều so với đường truyền vệ tinh.