智能手机实现自身运动识别的传感器原理

智能手机实现自身运动识别的传感器原理

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摘要：随着电子技术应用的飞速发展，传感器已经由测量仪器的一部分逐渐向功能化的产品转化。在智能手机的发展历程中，传感器起到了不可忽视的作用，其中的陀螺仪、加速度传感器和重力计在手机运动识别中起着至关重要的作用，是智能手机不可或缺的传感元件。有了它们，使用者才能在横屏播放视频时启动自动旋转，使用微信“摇一摇”功能，或者身临其境地参与手机体感类游戏。本文介绍了陀螺仪和加速度传感器以及重力传感器的原理、分类，以及它们在手机中的具体应用，最后总结了这几类传感器的区别与联系。

引言

随着科学技术的进步，手机已经不再仅仅是一个简单的通信工具，而是一种具有多元化、智能化的便携式电子设备。消费者可以使用手机听音乐、看电影、拍照、看书、玩游戏、收发邮件等，手机的功能日益强大：通信、娱乐、办公，无所不能。智能手机已经成为日常生活中必不可少的工具，而让手机具备这些强大功能的，就是触摸屏、陀螺仪、加速度传感器、光线传感器、重力传感器等各式各样的传感器。

现代的智能手机一个非常大的发展就在于，为了实现人机交互的多样化与操作动作的直观性，基于手机自身运动识别的传感器开始应用于智能手机当中。摇一摇开始寻找好友、运动时记录步数、刺激的赛车游戏中把手机当作方向盘来操控，为了实现手机自身运动识别的功能，必须利用陀螺仪、加速度传感器等运动传感器，通过感知手机运动过程中的线性加速度、角加速度、运动方向、重力方向等物理量来实现。

1．陀螺仪

1.1陀螺仪的原理

陀螺仪，是一种基于角动量守恒原理，用来感测与维持方向的装置。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统，能判断物体在幸间中的相对位置、方向、角度以及水平的变化作用。最终根据用户的动作输出相对应的指令[1]。机械结构的陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。如图1.1，机械陀螺仪的主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪。

图1.1陀螺仪结构原理图

陀螺仪多用于导航、定位等系统。陀螺仪用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于其两个基本特性：一为定轴性，另一是逆动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下[2]。

定轴性。物体维持自身转动状态并对抗改变的能力称为转动惯量，其由相对于特定旋转轴的质量分布决定，对多质点物体转动惯量，概言之：质量越大、对轴距离越远，转动惯量越大。一方面陀螺转子的的对轴对称性结构使得其具备了同质量物体较大的对轴转动惯量，意味着其在同阻力扭矩情况下能够更长时间保持原始运动状态；另一方面在轴的、小摩擦与无角自由度限制的支点使得外力无法籍此产生较大且有效的阻力扭矩；因此当陀螺转子以极高速度旋转时，其转动得以维持并保持其轴指向一个相对固定的方向，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。在运转中的陀螺仪，如果外界施一力在转子上，此力对支点的力矩当可分解为顺轴方向和垂直于轴方向两个分力矩；前者使陀螺加速、减速，但不会改变转轴方向；后者的时间积分将会逐渐改变转动方向（通常是短时较小而随时间逐渐积累增大），并产生相对于原轴的章动（新的旋转轴原轴旋转，如转速降低时陀螺受重力作用时的非垂直旋转。

逆动性。在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。逆动性的大小也有三个影响的因素：外界作用力愈大，其逆动性也愈大；转子的质量惯性矩愈大，逆动性愈小；转子的角速度愈大，逆动性愈小。而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。

1.2微机电陀螺仪

在智能手机中应用的陀螺仪不是机械陀螺仪，而是微机械（MEMS）陀螺仪。微机械MEMS 是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术[3]。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺[4]。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构并不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受

到的切向力，如图1.2所示。

图1.2科里奥利力原理

如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。

相比于传统的机械陀螺,MEMS陀螺仪具有成本低、体积小、质量轻、可靠性高、温度漂移小、抗冲击力强、测量范围大等优点[5-9]。三轴MEMS陀螺仪最早由苹果iPhone 4采用，它能够分别测量X, Y, Z三个方面的加速度值，X方向值的大小代表手机水平移动，Y方向值的大小代表手机垂直移动，Z方向值的大小代表手机的空间垂直方向，然后把相关的加速度值传输给操作系统，通过判断其大小变化。如图1.3所示为意法半导体的3轴陀螺仪MEMS 芯片结构。

图1.3意法半导体的3轴陀螺仪MEMS芯片结构

陀螺仪传感器在智能手机上的应用有很多，比如，前后倾斜手机，实现通讯录条目的上下滚动;左右倾斜手机，实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小;拍照时的图像稳定，防止手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时，记录手的抖动动作，将手的抖动反馈给图像处理器，可以抓到更清晰稳定的图片。GPS的惯性导航：当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近，没有GPS讯号时，可通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移，从