Các cảm biến thông dụng trong điện thoại

Tổng quan cũng như cách thức hoạt động của các cảm biến thông dụng trong điện thoại như: cảm biến vân tay (fingerprint sensor), cảm biến GPS, cảm biến la bàn ( compass sensor), cảm biến camera, cảm biến gia tốc, cảm biến tiệm cận.

BÁO CÁO KĨ THUẬT CẢM BIẾN Đề tài: Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh HÀ NỘI 2019 Mục lục Mở đầu 1 Tổng quan đề tài Các loại cảm biến điện thoại thông minh 2.1 Cảm biến vân tay 2.2 5 2.1.1 Máy quét quang học 2.1.2 Máy quét điện dung 2.1.3 Máy quét siêu âm 11 Cảm biến GPS 13 2.2.1 2.2.2 Định vị GPS ứng dụng Nguyên lý hoạt động 13 14 2.3 Cảm biến la bàn 18 2.3.1 Cảm biến la bàn ưng dụng 18 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 19 2.4 Cảm biến camera 21 2.4.1 Cảm biến camera CCD 22 2.4.2 Cảm biến camera CMOS 23 2.4.3 So sánh đặc điểm cảm biến hình ảnh CCD CMOS 25 2.4.4 Giới thiệu cảm biến camera sony 25 2.5 Cảm biến gia tốc 26 2.5.1 Gia tốc kế (Accelerometer) 26 2.5.2 Con quay hồi chuyển (Gyroscope) 28 2.6 Cảm biến tiệm cận -Proximity sensor 30 2.6.1 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 32 2.6.2 Cảm biến tiệm cận điện dung 33 2.6.3 Cảm biến quang điện 34 Kết luận 37 Tài liệu tham khảo 38 Danh sách hình vẽ 1.1 Cảm biến smartphone 2.1 Cảm biến vân tay sử dụng nhiều loại thiết bị 2.2 Quá trình chụp ảnh máy quét quang học 2.3 Máy quét điện dung sử dụng tụ điện 2.4 Máy quét điện dung sử dụng tụ điện 2.5 Máy quét điện dung sử dụng tụ điện 12 2.6 Định vị GPS hoạt động 14 2.7 Cảm biến Magnetometer 19 2.8 Cảm biến Accelerometers 21 2.9 Cảm biến Camera CCD CMOS 22 2.10 Cảm biến Camera CCD CMOS 23 2.11 Cảm biến gia tốc cho điện thoại 2.12 Cấu tạo cảm biến gia tốc kế 26 27 2.13 Cấu tạo cảm biến quay hồi chuyển (Gyroscope) 28 2.14 Cấu tạo cảm biến Gyroscope 29 2.15 Cảm biến tiệm cận 31 2.16 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 32 2.17 Cấu tạo cảm biến tiệm cận cảm ứng 32 2.18 Cảm biến tiệm cận điện dung 33 2.19 Cảm biến tiệm cận điện dung 34 2.20 Cảm biến quang điện 35 Mở đầu Ngày với phát triển ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà kỹ thuật số đóng vai trị quan trọng lĩnh vực, quản lí, cơng nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin Do phải nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Khoa học công nghệ giới phát triển vô mạnh mẽ đạt thành tựu đáng kể Một thành tựu lớn đời "smartphone" hay có nghĩa điện thoại thông minh Ngày điện thoại thông minh sử dụng phổ biến sống Người ta khơng cịn sử dụng với mục đích nghe gọi mà điện thoại thông minh sử dụng nhiều ứng dụng đại khác mà mang lại Hầu hết tính thú vị smartphone bạn thực thông qua hàng loạt cảm biến Vậy cảm biến gì? Chúng hoạt động nào? Đó lý mà chúng em thực đề tài Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh Đề tài gồm chương : Mở đầu Chương : Tổng quan đề tài Chương : Các loại cảm biến điện thoại thông minh Kết luận Hà Nội tháng 12, năm 2019 Chương Tổng quan đề tài Khoa học công nghệ giới ngày phát triển mạnh mẽ có bước tiến đáng nể Dễ thấy xuất thay đổi điện thoại thông minh nhiều năm gần Quả không sai gọi “smartphone” ngồi tính điện thoại di động nghe, gọi, nhắn tin điện thoại thơng minh cịn sở hữu ứng dụng vô đại ngang tầm với máy tính xách tay Và ứng dụng mang lại cho người nhiều công dụng quan trọng sống đại Hình 1.1: Cảm biến smartphone Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh Hầu hết tính thú vị smartphone bạn thực thông qua hàng loạt cảm biến Vậy cảm biến gì? Chúng hoạt động nào? Với Smartphone ngày đại trang bị phần cứng thông minh bên trong, khơng thể khơng nhắc đến cảm biến, tạo cho Smartphone khả tương tác với người sử dụng chủ yếu dựa chip cảm biến (sensor) Đối với thiết bị Smartphone hãng khác có số lượng cảm biến khác nhau, trung bình khoảng 14 loại cảm biến khác thiết bị Smartphone Tuy nhiên, giới hạn đề tài này, phân tích cảm biến đặc trưng điện thoai chương bao gồm: - Cảm biến vân tay -Cảm biến GPS -Cảm biến la bàn -Cảm biến Camera -Cảm biến gia tốc -Cảm biến tiệm cận Chúng cảm biến quan thiếu smartphone đại Chúng ta tìm hiểu xem chúng cấu tạo hoạt đông Chương Các loại cảm biến điện thoại thông minh 2.1 Cảm biến vân tay Hình 2.1: Cảm biến vân tay sử dụng nhiều loại thiết bị Là tính bật smartphone cao cấp, nhiên cảm biến vân tay quen thuộc máy chấm công hay thiết bị an ninh xác minh danh tính thơng qua sinh trắc học Kể từ ngày máy đọc vân tay đời, cơng nghệ có nhiều thay đổi Dưới vài kĩ thuật quét vân tay khác biệt chúng Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh Cũng khả mà người ta tương tác với vùng pixel định chip cảm biến (ví dụ zoom số, phóng to phần ảnh), điều làm CCD CCD đọc đọc hết tồn ảnh Do khả tích hợp cao, bảng mạch khơng bị thêm khơng gian (vì tất chip), khơng địi hỏi thêm chip bổ trợ CMOS lại tiêu thụ điện năng, việc sản xuất dễ dàng! quy trình giống quy trình sản xuất chip máy tính hay chip thiết bị điều khiển khác Khơng cần phải đầu tư thêm phịng lab Giá thành sản xuất theo giảm đáng kể Nhưng lợi lại trở thành nhược điểm Do điểm bắt ảnh CMOS lại có mạch riêng Nên khó đảm bảo tính đồng mạch khuyếch đại Điều làm cho ảnh xuất ln có độ nhiễu định (không mịn) Nếu CCD, điểm ảnh mặt bắt sáng khiến cho độ nhạy sáng CCD cao Dải màu thể nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, điểm ảnh CMOS (bao gồm hạt bắt sáng mạch khuyếch đại) bắt sáng có phần ánh sáng rơi vào vị trí mạch Vì không tái Điều làm cho ảnh bị thông tin vùng dẫn đến độ phân giải CMOS không cao 24 Chương 2.4.3 Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh So sánh đặc điểm cảm biến hình ảnh CCD CMOS Mô tả Thành phần CCD CMOS Cảm biến + chip + quang học Cảm biến + chíp 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 Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Tín hiệu điểm ảnh Điện tử Điện 2.4.4 Giới thiệu cảm biến camera sony Sony tuyên bố cảm biến “ loại cảm biến hình ảnh CMOS xếp lớp 3D lần giới hỗ trợ DRAM cho điện thoại thông minh” đạt tốc độ ghi video nhanh tới nhừ nhờ tốc độ đọc liệu cực nhanh Khi chụp hình ảnh , cảm biến đọc hình ảnh 19.3MP thời gian 1/120 giây , nhanh gấp lần so với cảm biến Hầu hết Camera điện thoại thời điểm ghi 720p @ 240 FPS 1080p @ 120 FPS Cảm biến Sony không đọc nhanh gấp lần so với thiết bị mà cịn đạt với độ phân giải cao Tốc độ đọc đầu cực nhanh Sony hỗ trợ giảm méo thích hợp quay vật thể có tốc độ cao Nó cịn hỗ trợ nâng cao nâng cao xứ lí tín hiệu hình cho phép đạt hình ảnh có chất lượng tốt Cảm biến loại CMOS 1/2.3 –inch 21.2MP với kích thước điểm ảnh 1.22 micron Nó ghi với tốc độ 30FPS 25 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh với độ phân giải 19.3MP , ghi 4K @ 60FPS ghi 1080p @ 1000FPS 2.5 Cảm biến gia tốc Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý Hình 2.11: Cảm biến gia tốc cho điện thoại Cảm biến gia tốc smartphone dùng để nhận diện thay đổi hướng/góc độ máy dựa liệu thu thay đổi chế độ hình (chế độ dọc ngang hình) dựa góc nhìn người dùng 2.5.1 Gia tốc kế (Accelerometer) Hãy nhìn vào khoang chứa hình trụ có chứa bóng gắn lị xo Đây mơ hình cảm biến gia tốc Khoang chứa hình trụ gắn liền vào vật thể mà bạn cần đo gia tốc, cịn bóng vật di chuyển chiều bên khoang chứa Khi bạn di chuyển khoang chứa, bóng di chuyển bên khoang chứa, khiến lò xo co dãn Dựa vào độ co dãn lị xo, bạn đốn biết lực gia tốc chuyển động Nếu sử dụng 26 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh cảm biến gia tốc đơn giản phía đặt chiều X, Y, Z, bạn dễ dàng đo chuyển động vật thể không gian Cấu tạo: Vật thể chuyển động đo đạc cảm biến "lược thưa" màu xanh nhạt hình vẽ Khoang chứa tồn khoảng màu trắng, cịn “quả bóng” vật thể màu xanh nhạt có hình giống lược Lị xo cảm biến lớp silicon dọc lược thưa Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến gia tốc kế 27 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh Nếu bạn đo chuyển động lớp silicon dọc này, bạn đo chuyển động cảm biến Ta nhìn vào góc cảm biến Tại đây, bạn thấy rằng, đầu chân lược trung tâm chân gắn khoang chứa phần tụ điện biến thiên Do đó, lược trung tâm chuyển động, dòng điện sản sinh Bằng cách nhận diện dòng điện này, nhận diện chuyển động cảm biến Khi đo độ mạnh yếu dòng điện, kỹ sư đo mức độ chuyển động cảm biến 2.5.2 Con quay hồi chuyển (Gyroscope) Con quay hồi chuyển thiết bị dùng để đo trì định hướng Khi đĩa xoay với vận tốc cao, chuyển hướng theo moment ngoại lực giảm thiểu giúp gyroscope trì độ nghiêng Hiện tượng ứng dụng để giám sát độ nghiêng Gia tốc kế đo gia tốc tuyến tính thiết bị, quay hồi chuyển nhận biết hướng thiết bị, hệ thống dễ dàng ghi nhận chuyển động theo phương ngang phương thẳng đứng Cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng Coriolis Hình 2.13: Cấu tạo cảm biến quay hồi chuyển (Gyroscope) 28 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh Cấu tạo: Ta quan sát loại Gyroscope điển hình MEMS Gyroscope Các cảm biến gyroscope sử dụng khối proof mass dao động theo phương gọi phương sơ cấp Khối đồng thời bị quay quanh trục, làm xuất lực Coriolis khiến có thêm dao động theo phương khác, gọi phương thứ cấp Trên phương chuyển động thứ cấp có gắn cực tụ điện để nhận biết thay đổi điện dung gây chuyển động này, từ vận tốc xoay Sơ đồ nguyên lý cảm biến hình Hình 2.14: Cấu tạo cảm biến Gyroscope Ứng dụng cho điện thoại Cảm biến gia tốc (accelerometer) xử lý việc đo đạc chuyển động theo dạng trục tìm thấy loại vịng đeo theo dõi sức khỏe điện thoại Đó lý giúp cho smartphone đếm số bước chân, kể bạn không kết nối với thiết bị đeo riêng biệt Ngồi ra, cảm biến gia tốc có nhiệm vụ thơng báo cho ứng dụng biết bạn cầm điện thoại theo hướng ngang hay dọc Trong thời đại bùng nổ ứng dụng thực tế ảo tăng cường (AR), nhiệm vụ trở nên quan trọng 29 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh Từ việc chuyển đổi ứng dụng từ hình ngang sang hình dọc việc thông báo tốc độ ứng dụng lái xe, cảm biến gia tốc cảm biến quan trọng smartphone Điện thoại thông minh sử dụng cảm biến quay hồi chuyển để phát hướng thiết bị Đây quay hồi chuyển dạng cảm biến nhỏ Nó hiệu chuẩn kết zero thiết bị giữ mặt phẳng ngang Bất kỳ thay đổi định hướng thiết bị đo cảm biến quay hồi chuyển Một ví dụ đơn giản: Khi người dùng xem ảnh giữ điện thoại ngang, quay hồi chuyển biết thiết bị nằm ngang xoay hình theo Khi người dùng dựng điện thoại lên hình xoay trở lại cũ 2.6 Cảm biến tiệm cận -Proximity sensor Một cảm biến tiệm cận cảm biến phát diện vật thể gần mà khơng có tiếp xúc vật lý Cảm biến tiệm cận smartphone giúp người sử dụng nghe máy khơng vơ tình lựa chọn chế độ khác – để gần tai tự động tắt hình Một cảm biến tiệm cận thường phát trường điện từ chùm xạ điện từ ( ví dụ hồng ngoại ) tìm kiếm thay đổi trường tín hiệu trở lại Đối tượng cảm nhận thường gọi mục tiêu cảm biến tiệm cận Mục tiêu cảm biến tiệm cận khác đòi hỏi cảm biến khác Ví dụ, cảm biến tiệm cận điện dung cảm biến quang điện phù hợp với mục tiêu nhựa; cảm biến tiệm cận điện cảm ln địi hỏi mục tiêu kim loại Cảm biến tiệm cận có độ tin cậy cao tuổi thọ 30 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh chức dài khơng có phận học thiếu tiếp xúc vật lý cảm biến đối tượng cảm nhận Hình 2.15: Cảm biến tiệm cận Điện thoại thơng minh cảm biến tiệm cận quang mà khơng có vỏ điện thoại Cảm biến vật thể màu đen đỉnh khối màu vàng bên nó; khối thực bảng mạch in đóng vai trò interposer Cảm biến tiệm cận thường sử dụng thiết bị di động Khi mục tiêu nằm phạm vi danh nghĩa, giao diện người dùng hình khóa thiết bị xuất hiện, lên từ chế độ ngủ Khi thiết bị thức dậy từ chế độ ngủ , mục tiêu cảm biến tiệm cận khoảng thời gian dài, cảm biến bỏ qua cuối thiết bị trở lại chế độ ngủ Ví dụ, gọi điện thoại , cảm biến tiệm cận đóng vai trò việc phát (và bỏ qua) vòi hình cảm ứng vơ tình điện thoại di động giữ tai Cảm biến tiệm cận sử dụng để nhận biết cử khơng khí thao tác di chuột Một loạt yếu tố cảm biến tiệm cận thay giải pháp dựa camera tầm nhìn camera sâu để phát cử tay 31 Chương 2.6.1 Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh Cảm biến tiệm cận cảm ứng Hình 2.16: Cảm biến tiệm cận cảm ứng Giống máy biến áp thay thay đổi trở kháng tổn thất dịng xốy Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát từ tính xốy dịng tạo bề mặt dẫn điện từ trường bên Một từ trường AC tạo cuộn dây phát thay đổi trở kháng xốy dịng điện tạo vật kim loại phát Hình 2.17: Cấu tạo cảm biến tiệm cận cảm ứng 32 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh Các phương pháp khác bao gồm :Cảm biến phát nhơm, phát thành phần pha tần số cảm biến All- metan, sử dụng cuộn dây làm việc để phát thay đổi thành phần trở kháng Ngồi cịn có cảm biến phản hồi xung, tạo dịng điện xốy xung phát hiệnsự thay đổi thời gian dịng điện xốy với điện áp cảm ứng cuộn dây 2.6.2 Cảm biến tiệm cận điện dung Hình 2.18: Cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung phát thay đổi điện dung đối tượng cảm ứng cảm biến Các lượng điện dung khác tùy thuộc vào kích thước vàkhoảng cách vật cảm Một điện dung thông thường Cảm biến tiệm cận tương tự tụ điện có hai song song tấm, nơi phát công suất hai Một đối tượng đo (với tưởng tượng mặt đất) mặt bề mặt cảm biến Cảm biến Cácthay đổi công suất tạo hai cực nàyđược phát Các đối tượng phát phụ thuộc vào điện mơi đối tượng khơng đổi 33 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh Hình 2.19: Cảm biến tiệm cận điện dung 2.6.3 Cảm biến quang điện Cảm biến quang điện linh hoạt chúng giải phần lớn vấn đề đặt cho cảm biến cơng nghiệp Bởi cơng nghệ quang điện phát triển nhanh, chúng thường phát mục tiêu có đường kính mm, cách xa 60 m Được phân loại theo phương pháp mà ánh sáng phát phân phối đến máy thu, nhiều cấu hình quang điện có sẵn Tuy nhiên, tất cảm biến quang điện bao gồm vài thành phần bản: phận có nguồn sáng phát (Diode phát sáng, đi-ốt laser), thu photodiode phototransistor để phát ánh sáng phát hỗ trợ thiết bị điện tử thiết kế để khuếch đại tín hiệu thu Bộ phát, gọi người gửi, truyền chùm ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại đến máy thu phát Cảm biến quang điện đáng tin cậy với cảm biến xuyên qua chùm tia Tách khỏi máy thu vỏ riêng biệt, phát cung cấp chùm ánh sáng không đổi; phát xảy vật qua hai tia phá vỡ chùm 34 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh Hình 2.20: Cảm biến quang điện tia Mặc dù độ tin cậy nó, xuyên qua chùm tia thiết lập quang điện phổ biến Việc mua, cài đặt chỉnh phát thu hai vị trí đối diện, cách xa, tốn tốn nhiều công sức Với thiết kế phát triển, cảm biến loại thường cung cấp khoảng cách cảm biến dài cảm biến quang điện - 25 m trở lên phổ biến Các mơ hình phát đi-ốt laser truyền chùm tia chuẩn 60 m để tăng độ xác phát Ở khoảng cách này, số cảm biến laser xuyên qua tia có khả phát vật thể có kích thước ruồi; cự ly gần, trở thành 0,01 mm Nhưng cảm biến laser tăng độ xác, tốc độ phản hồi giống với cảm biến không laser - thường khoảng 500 Hz Một khả cảm biến quang điện xuyên qua cảm biến hiệu có chất gây nhiễm khơng khí dày Nếu chất ô nhiễm tích tụ trực tiếp phát thu, khả kích hoạt sai cao Tuy nhiên, số nhà sản xuất kết hợp đầu cảnh báo vào mạch cảm biến theo dõi lượng ánh sáng chiếu vào máy thu Nếu ánh sáng phát giảm 35 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh xuống mức định mà khơng có mục tiêu chỗ, cảm biến gửi cảnh báo đèn LED dây đầu tích hợp Cảm biến quang điện xuyên chùm có ứng dụng thương mại cơng nghiệp Ở nhà, ví dụ, họ phát vật cản lối cửa nhà để xe; cảm biến cứu nhiều xe đạp xe khỏi bị đập vỡ Mặt khác, vật thể băng tải công nghiệp phát đâu phát thu, miễn có khoảng trống vật giám sát, ánh sáng cảm biến không đốt cháy qua chúng (Sự truyền qua xảy với vật thể mỏng có màu sáng cho phép ánh sáng phát qua máy thu.) 36 Kết luận Trong thời gian thực đề tài, với bảo giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn , đề tài : Tìm hiểu cảm biến điện thoại thơng minh hồn thành Chúng em cố gắng vận dụng kiến thức học trường để giải yêu cầu Tuy nhiên, thời gian trình độ chun mơn có hạn, nên đề tài cịn tồn thiếu sót hạn chế Chúng em mong nhận ý kiến góp ý thầy để đề tài chúng em tìm hiểu hoàn thiện Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cố tạo điều kiện tốt để giúp chúng em hoàn thành Chúng em xin chân thành cảm ơn! 37 Tài liệu tham khảo [1] Giáo trình Đo lường điện cảm biến đo lường- Nguyễn Văn Hịa, Bùi Đăng Thảnh-Hồng Sĩ Hồng-nhà xuất giáo dục [2] news.zing.vn/cam-bien-van-tay-hoat-dong-nhu-the-nao-post625683.html [3] : https://www.youtube.com/watch? [4] https://www.youtube.com/watch?v=i2U49usFo10 [5] https://www.machinedesign.com/sensors/proximity-sensors-comparedinductive-capacitive-photoelectric-and-ultrasonic [6] https://en.wikipedia.org/wiki/Proximity [7] https://blog.adtile.me/2015/11/12/were-you-aware-of-all-these-sensors-inyour-smartphone [8] https://www.thegioididong.com/tin-tuc/moi-smartphone-co-den-5-loai-cambien-va-cong-dung-an-cua-chung-se-khien-ban-bat-ngo-1020566 [9] https://computer.howstuffworks.com/fingerprint-scanner5.htm 38 ... thước cảm biến q nhỏ, khó sản xuất 21 Chương Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh nên có loại cảm biến dành cho camera điện thoại CCD CMOS Hình 2.9: Cảm biến Camera CCD CMOS 2.4.1 Cảm biến. .. cảm biến tiệm cận khác đòi hỏi cảm biến khác Ví dụ, cảm biến tiệm cận điện dung cảm biến quang điện phù hợp với mục tiêu nhựa; cảm biến tiệm cận điện cảm ln địi hỏi mục tiêu kim loại Cảm biến. .. Tìm hiểu cảm biến điện thoại thông minh Cảm biến tiệm cận cảm ứng Hình 2.16: Cảm biến tiệm cận cảm ứng Giống máy biến áp thay thay đổi trở kháng tổn thất dịng xốy Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát