传感器在智能手机上的应用趋势研究

四川信息职业技术学院毕业论文说明书论文题目:传感器在智能手机上的应用趋势研究二〇一一年十一月十五日四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目录摘要 1第一章智能手机的介绍 2第二章传感器在智能手机中的应用 32.1传感器的定义 32.2图像传感器 32.3指纹识别传感器 32.4光电传感器 42.5加速度传感器 42.6重力传感器 5第三章传感器在智能手机中的发展趋势 63.1高清CMOS图像传感器在智能手机中的需求 63.1.1高清CMOS图像传感器的发展 63.1.2高清CMOS图像传感器市场适应需求 63.1.3高清CMOS图像传感器应用领域 63.1.4高清CMOS图像传感器驱动智能手机市场增长和产品差异化及成本 73.1.5高清CMOS图像传感器在智能手机上的应用更符合市场发展 83.2温度传感器在智能手机中的需求 93.2.1温度传感器的简单介绍 93.2.2ZTP135S—R红外传感器 93.3小结 10总结 11致谢 12参考文献 13四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第1页摘要科技的发展给人们的工作和生活带来了更多的便利，突出的一点就是便携设备越来越多的来到我们的身边。智能手机、数码相机、MP3、MP4、掌上电脑等体积小，功能强的电子设备随处可见，而其中的手智能机更是到了几乎不可缺少的地步全国每年两亿部以上的销量可以证明智能手机在现代生活中已经开始普及了。人们对智能手机的要求也越来越高，电话、短信、多媒体等等，都只是基本应用，更智能，更人性化才是用户的追求的目标。在此条件下，各种传感器在智能手机上的应用越来越广泛。本文主要介绍了各种典型的传感器及其在手机中的应用，如图像传感器、指纹识别传感器、光电传感器、加速度传感器、重力传感器等。以及论证了在现在的基础上更好、更适用的传感器在智能手机中的运用。关键词:通信终端；传感器；智能手机；第一章智能手机的介绍智能手机的诞生，是掌上电脑（PocketPC）演变而来的。最早的掌上电脑是不具备手机的通话功能，但是随着用户对于掌上电脑的个人信息处理方面功能的依赖的提升，但由不习惯于随时都携带手机和PPC两个设备，所以厂商将掌上电脑的系统移植到了手机中，于是才出现了智能手机这个概念。所以“掌上电脑＋手机＝智能手机”。从广义上说，智能手机除了具备手机的通话功能外，还具备了PDA的大部分功能，特别是个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器和电子邮件功能。智能手机为用户提供了足够的屏幕尺寸和带宽，既方便随身携带，又为软件运行和内容服务提供了广阔的舞台，很多增值业务可以就此展开，如：股票、新闻、天气、交通、商品、应用程序下载、音乐图片下载等等。结合3G通信网络的支持，智能手机的发展趋势，势必将成为一个功能强大，集通话、短信、网络接入、影视娱乐为一体的综合性个人手持终端设备。融合3C（Computer、Communication、Consumer）的智能手机也必将成为未来手机发展。智能手机具有五大特点：1.具备无线接入互联网的能力，即需要支持GSM网络下的GPRS或者CDMA网络的CDMA1X或3G网络。2.具有PDA的功能，包括PIM（个人信息管理），日程记事，任务安排，多媒体应用，浏览网页。3.具有开放性的操作系统，可以安装更多的应用程序，使智能手机的功能可以得到无限扩展。4.人性化，可以根据个人需要扩展机器功能。5.功能强大，扩展性能强，第三方软件支持多。第二章传感器在智能手机中的应用2.1传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。2.2图像传感器随着拍照功能成为手机的标准配置，图像传感器继照相机之后在手机上大量应用。用手机拍照、摄像已经成为很多人生活、娱乐的一个重要部分。而图像处理技术的发展，使图像传感器有了更广阔的应用空间。名片识别：用手机给名片拍张照片，通过图像处理软件对图像信息加以识别处理，后台处理完毕后，名片上的姓名、年龄、电话、公司地址等就自动进入了手机电话簿的分类条目下，名片识别功能已经成为商务手机的高端应用代表。面部识别：用户只需在注册时对自己的面部进行拍照，图像处理软件会根据照片识别并记录用户的面部特征，作为以后检查用户身份的标准。这样当用户使用有安全需求的手机时无需再记录繁复的密码，只需自我拍照，由手机鉴权即可。即方便了用户，同时也给移动设备及其信息得到了更高的安全保障。2.3指纹识别传感器消费类产品对个人数据安全性的需求日益升高，再加上指纹识别传感器在尺寸、成本及准确度等各方面都获得巨大进展，指纹识别技术被越来越多的应用到多种多样的移动设备中。目前高端商务手机中己经很多都具备了此类功能。目前市场上主要有两种固态指纹传感器：接触式传感器(touchsensor)和滑动式传感器(slidesensor)。接触式传感器要求手指在指纹采集区进行可靠的触摸；滑动式传感器则需要用手指在传感器表面擦过，传感器会采集一套特定的数据，然后进行快速分析和认证。随着感测技术与算法的进步，加上消费市场对成本的敏感要求，以及便携设备对体积轻薄的固有要求，滑动式传感器已经成为市场主流。指纹识别在手机上的应用最初主要是身份识别，即相当于密码识别只有主人的指纹信息得到验证才能允许使用设备。随着半导体和软件技术的发展，手机将逐渐成为一种可随时随地获取个人和公司数据的移动终端，因此需要确保用户访问的安全性，以防止未授权访问。比如在电子商务中，指纹识别的应用将免去用户多重繁琐的密码操作，即简化流程又具备更高的安全级别。在行业应用中，指纹识别也可以有广泛的应用。例如今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑人，要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照，取得指纹后可以通过手机上网，访问指纹数据库，得到嫌疑人真实身份信息。指纹识别技术将对我们的生活有更深远的意义。2.4光电传感器光电传感器在手机上的应用主要是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。手机移到耳边打电话时，自动关闭屏幕和背光，可以延长手机续航时间，同时关闭触摸屏，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。甚至还有手机设计成利用光线亮度控铃声音量的功能，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。这个功能很有意思，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。2.5加速度传感器加速度有两种，一个是静态的加速度，把加速度传感器倾斜一个角度，重力场会在感应场上产生一个分量，通过这个分量，可以测量出手机倾斜了多少角度，由此实现一些前后左右的控制；另外一种就是所谓的动态加速度，可以侦测速度、撞击等。加速度传感器可以用来检测角度。手机上下左右摆动，加速度传感器会将对应信息传送给中央处理器，通过软件实现菜单选择、翻页、图像切换等操作。当手机反转90度时，可以自动在竖屏显示和横屏显示之间切换，方便用户使用。在赛车、滑雪等游戏中，加速度传感器甚至可以取代方向键，通过前后左右的角度变换实现转弯、加速、刹车等动作，使游戏更具娱乐性。加速度传感器还可以用于记步器，检测并记录走路或跑步的步数，从而计算路程。当结合个人特征，如身高，体重等信息，可以通过软件测算热量消耗，看到锻炼效果。这样，手机又具备了健身功能。加速度传感器还可以使手机具有应急报警功能。如果用户经受重大撞击，或者跌到，加速度传感器会立刻将相关信息传送给中央处理器如果事故后一段时间内(如分钟)用户没有动作，则判定用户受到伤害，立刻通过手机自动报警.如果手机中有GPS，还可以自动启动GPS，并将位置信息传送给救援部门，达到急救的目的。这一点对越来越多的老人大有裨益。加速度传感器和地磁传感器结合能实现更强大的功能。“空间透视”技术就是主要通过这两种传感器的结合来实现。由两个传感器来检测水平位移，垂直位移和方向。当用户手持这样的手机在建筑物中遍历一次，大量的水平位移、垂直位移和方向的信息传送给中央处理器，利用图像渲染技术，一个透视的楼宇就会出现在大家面前。利用这项技术，还可以对GPS导航手机做一个有效补充。在特殊的位置，如隧道和高楼大厦中，GPS信号丢失，无法准确定位。这时通过加速度传感器和地磁传感器，得到多方位的位移信息，在没有GPS信号的情况下继续维持轨迹的移动，使导航延续下去。2.6重力传感器手机重力感应技术：利用压电效应实现，简单来说是测量内部一片重物(重物和压电片做成一体)重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。通过对力敏感的传感器，感受手机在变换姿势时，重心的变化，使手机光标变化位置从而实现选择的功能。手机重力感应指的是手机内置重力摇杆芯片，支持摇晃切换所需的界面和功能，甩歌甩屏，翻转静音，甩动切换视频等，是一种非常具有使用乐趣的功能。重力感应器说的简单点就是，你本来把手机拿在手里是竖着的，你将它转90度，横过来，它的页面就跟随你的重心自动反应过来，也就是说页面也转了90度，极具人性化。现在基本上智能手机都有内置重力感应器，甚至有些非智能手机也有内置。其常见的应用有玩平衡球了，还有横屏浏览网页、看小说之类的了。第三章传感器在智能手机中的发展趋势3.1高清CMOS图像传感器在智能手机中的需求在高速电子产品的社会，人们对电子产品的依赖越来越高。如数码相机在大家日常生活中比较受欢迎但是在不同的群体消费中，人们的购买力却不同。数码相机就不是一般大学生和低收入群体所能购买的。如果有一款手机能满足更高像素的图片和视频处理呢！高清CMOS图像传感器就是很好的研究方向。3.1.1高清CMOS图像传感器的发展在过去十年里，CMOS图像传感器技术经过连续改进和不断提高，已经使其从主要服务于低端市场转移到一些要求最苛刻的高性能应用。伴随着这种趋势，CMOS图像传感器已经开始主导图像传感器市场，并为原始设备制造商（OEM）实现差异化提供了很多机会。3.1.2高清CMOS图像传感器市场适应需求市场分析公司TSR估算，在2010年5月，CMOS图像传感器已经在高端数字单反（DSLR）和无反光镜数码相机领域占据90％以上的市场份额。同样，视频共享网站YouTube在2011年发布的数据表明，通过基于CMOS图像传感器的移动设备占据了绝大多数的视频上传，尤其是高清（HD）视频。如果从整个行业中各个细分市场的出货量总数方面考虑，CMOS无疑已经是成像的技术赢家。

相对于传统的电荷耦合器件（CCD）图像传感器，CMOS图像传感器有如下几个明显的优势，包括可制造性、低功耗、易于集成、低成本，以及最近出现的高品质图像质量。总而言之，这些内在优势已促使OEM开发更具有竞争力、能更好地服务最终用户的成像系统。3.1.3高清CMOS图像传感器应用领域CMOS图像传感器技术的发展趋势和在四个市场领域的创新，包括移动电话、汽车、监控以及数码相机（DSC）。在每一个市场领域，这些CMOS技术进步已达到或超过了该领域的市场要求，CMOS的优势已使OEM能够研究改进更高手像素机产品。在各个市场领域，CMOS图像传感器技术已经在不断改进和演变，它们远远超出了满足细分市场具体要求的目标。在每一种应用中，CMOS技术不仅具有更高的成像性能，也使OEM厂商能够开发全新功能，实现产品在市场中的适应性。随着CMOS图像传感器获取更多的成像市场份额，CMOS技术一定会有更大的发展动力和更多创新，以顺应成像市场未来的发展趋势和要求。3.1.4高清CMOS图像传感器驱动智能手机市场增长和产品差异化及成本在智能手机领域，CMOS图像传感器已经从低端手机市场走向完全的市场支配地位。CMOS图像传感器现在已经是所有具备相机功能的移动设备的当然之选，例如，智能手机和平板电脑。这些移动设备正变得无处不在，也代表了移动设备市场最重要的增长领域。今年3月，全球首要的市场分析公司IDC预计，全球智能手机市场出货量在2011年增长约49.2％，达到约4.52亿部。IDC还预测，全球智能手机市场出货量将在2015年达到9.257亿部。与上述分析类似，InfiniteResearch的研究报告显示，在2011年1月，平板电脑的销售量将以56％或更高的复合年增长率增长，根据目前的估计，出货量将从去年的约1610万部增长到2015年的1.47亿部以上。既然市场有如此大的增长潜力，人们可能会认为OEM一定有很多机会来差异化他们的产品，从而提高他们的利润。但有趣的是，事实可能并非如此。智能手机领域两个发展趋势可能使该市场出现更大程度的同质化。首先，许多新开发的智能手机将使用谷歌的Android操作系统。优秀的Android操作系统在大多数情况下都是免费的，这去掉了与开发智能手机相关的很大一部分负担。因此，那些以前由于软件开发障碍而被拒之门外的OEM将能够和世界上几乎所有的其他智能手机制造商在市场上同台竞争。总体上说，虽然这对于新兴市场和相对较小的OEM有好处，使他们更具竞争力，但也意味着消费者开始认为来自一个厂家基于智能手机与来自其他厂家的产品没有多大区别。其次，正像AreteResearch分析师RichardKramer预测，低成本的智能手机将具有更高的增长速度。这些物料成本约为40美元或更少的手机可能会进一步加剧移动产品的同质化。那些希望获得在市场上获得竞争优势，并希望使自己产品区分于竞争对手的手机OEM要实现这样的目标，不能从操作系统或者成本的角度来达到。OEM应力求为消费者提供差异化的特性和功能，如高性能500万像素到800万像素的摄像头，或者能够以相对较高的帧率捕获高清视频的能力。3.1.5高清CMOS图像传感器在智能手机上的应用更符合市场发展对于智能手机OEM来说，已经成为智能手机首选并且是最佳选择的CMOS图像传感器可能是获得更高利润和赢利的关键。有明显的例证表明，智能手机的相机对于消费者非常重要，相机性能对消费者最终从哪个商家购买产品可能有很强的影响力。例如，在2010年7月，PewResearch的一份研究报告显示，76％的受访成年人使用手机的相机。相比之下，72％的受访者发送短信，38％的受访者用手机访问互联网。同一项调查发现，34％的人使用他们的手机录制视频。最近，2011年3月的一个照相手机使用报告显示，98％的受访手机用户都以一定的频率使用他们的照相手机。在这个细分市场，照相机及其所引发的各种应用，如视频通话或实景增强等等，可能会成为区分于其他不具特色Android手机的一个关键不同点和对照。在500万像素到800万像素范围内CMOS图像传感器技术的进步，将更有助于这种差异化。从图3-1的例子可以看出，Aptina公司采用A-PIX技术，以提高量子效率，并降低在CMOS图像传感器上产生的串扰。这种像素技术采用如导光体、深光电二极管和65nm工艺等先进技术，来改善像素性能以及整体图像质量。通过使用经过验证的半导体制造工艺技术，具备A-Pix技术的CMOS图像传感器能够提供在性能和成本等方面的优势，使它们成为智能手机应用的绝佳选择。而图3-2所采用的普通200万像素图像传感器拍摄的图片和图3-1相比较而言就不太清晰。图3-1800万像素图像传感器照片图3-2200万像素图像传感器照片图3-1在30lux条件下，用Aptina公司A-Pix技术800万像素，1.4μm像素图像传感器拍摄的图片。图3-1在30lux条件下，用普通200万像素图像传感器拍摄的图片。3.2温度传感器在智能手机中的需求现在，人们对自己的身体健康状况十分关注，都希望自己有一个好的身体。体温是人体的重要生理参数之一，对它的监测十分重要。但是人们不可能在时时刻刻的拿着体温计去测量自己的体温，非常的不方便。假如在人人都用的手机中加一个温度计呢，但是把体温计放在手机中是不可能的！那么就需要有一款更好的温度传感器可以应用于智能手机中。3.2.1温度传感器的简单介绍目前国内开发的最新体温计主要有华中科技大学研制的“慧眼：HW-05”人体温度红外热图像仪。其分辨率高达0.06℃，中科院上海物理研究所研制的红外测温仪和兰州大学合华技术应用开发中心开发的LHW—I型红外线测温仪。国外产品有德国博郎集团开发的只需1秒即可测出体温的红外体温计；日本欧姆龙研制的几款非接触式红外体温计和BJ40型非接触式医用红外线体温计(精度为±tO.2℃，其主要器件是红外温度传感器。本节主要介绍GE公司的ZTP135S—R型红外温度传感器进行的体温计设计。

3.2.2ZTP135S—R红外传感器如图3-4所示为GE公司生产的ZTP135S—R型红外温度传感器是一种专门用于非接触式测量体温的器件。是通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。所以非常适合应用在智能手机中更方便地、更健康地去关心我们的身体。

其主要参数如下：图3-4ZIP135S—R红外传感器芯片尺寸大小：1．8mmxl．8mm；光孔大小：1．4mmx1．4mm；作用面积：O．7mmx0．7ram；电偶数：60对；内阻：60kn±30％；价钱：30—70元；针对这种新兴的市场需求，GE公司推出最新的TZTP135S-S型红外温度传感器，相比于上一代产品的突出特点是自身功耗减小97%，而体积减小75%，肉眼几乎看不见。ZTPl35S—R型传感器很好地满足了要求，测量温度成线性变化，并且．本装置所用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，不会对人体产生辐射伤害，更适应现在的智能手机的市场。“对我们的客户来说，非常容易使用，容易获得数据，容易集成到他们的系统。”当然，此传感器不仅会用于智能手机，包括平板电脑和超薄笔记本电脑都非常适用。现在在市场上的ZTP135S—R红外传感器价格也不是很贵，所以ZTP135S—R型红外温度传感器是一款非常适用于智能手机的温度传感器，他能更好、更精确、更方便地检测人们的体温的。3.3小结本章重点论述了高清CMOS图像传感器、和ZTP135S—R红外传感器在智能手机中的应用研究。从提出问题：“更高像素传感器在智能手机中的应用”、“红外传感器在智能手机中测量体温的发展”到假设性的论证俩种图像传感器在智能手机中的应用是否符合人们在日常需求，以及人们是否需要这样的需求。另为又从传感器的的价格等方面进行了考察和论证，传感器用在智能手机中它的价格是否符合大众消费群体。是否由于传感器的加入手机更加智能化等方面都一一进行了初步论证。由于条件限制，本章只作了一部分研究，仍存在一些问题需要今后去研究解决。另为还有很多的传感器可以应用在智能手机中。如磁性传感器就是一个很好的研究方向，它将进入越来越多的具备GPS导航功能的手机之中，为人们出行带来更大的方便。还有防辐射传感器，如果它应用到智能手机中能很好的避免手机用户接触辐射物质或者来减小辐射。相信还有很多的传感器可以应用在智能手机中，这里就不作讨论了。随着科技的发展，相信在不久会有更多多功能的传感器出现，去应用在智能手机中或其他方面。总结本论文介绍了各种各样的传感器在智能手机中的作用，并讨论了传感器在智能手机中的发展趋势，以及研究更高清传图像感器和温度传感器在智能手机中的应用。如指纹识别传感器在安全方面、光电传感器在亮度调节、重力传感器在重力感应和加速度传感器在具体应用方面和实现玩游戏更具人性化、还有图像传感器应用等方面。通过分析了各种传感器具有的功能，从而使传感器在现今快速发展的年代给家庭带来更多的便利。并提出和设想了更多更好的传感器在智能手机中的应用来满足人们的各个方面的需求。传感器不管在智能手机或者是在工业、医疗、航天等方面都有其优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛。各种传感器在智能手机中功能需求的设计是一个相当大的难题，由于时间和条件限制，论文只作了其中一部分研究，仍存在一些问题需要今后去研究解决。随着技术工作者的不断努力，不久就会有更趋完善的方案的出现。致谢经过二个多月的时间，我顺利的完成了这次毕业设计。从总体上来说，我对自己的成果还是比较满意的，也基本上达到了老师的要求。这段时间我翻阅了许多的书籍，从对传感器和的生疏，到了解，再到深入研究，和市场考察完成了这篇论文。不过由于自己经历、阅历、实际能力有限。难免存在一些不近人意的地方，请各位老师指点。通过本次设计，不仅丰富了我的专业知识，还让我深深体会到了认识事物的过程。从拿到题目，再查阅资料，对题目进行设计、论证、修改到设计的完成。体现了理论联系实际的重要性。更重要的