Если вас интересует ответ на вопрос Акселерометр в телефоне что это? Значит вы попали по адресу.
Все обладатели современных мобильных устройств наверняка знают, что такое автоповорот экрана. А те, кто любит игры на мобильных платформах ценят возможность управления ими при помощи поворотов .
А обеспечивает такую возможность небольшое устройство – акселерометр.
Именно эта небольшая деталь позволяет использовать телефон в качестве уровня, использовать приложения, наслаждаться играми, которым необходима информация о положении телефона в пространстве.
Что же собой представляет это устройство?
Акселерометр – это прибор, предназначенный для измерения кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение – это разница между гравитационным и истинным ускорениями объекта.
Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.
Пружина крепится к неподвижной поверхности, к пружине крепится масса. С другой стороны ее поддерживает демпфер, который гасит собственные вибрации груза.
Во время ускорения массы деформируется пружина. На этих деформациях и основываются показания прибора.
Три таких прибора, объединенные в одну систему и сориентированные по осям позволяют получать информацию о положении предмета в трехмерном пространстве.
Наиболее широкое применение такой тип приборов нашел в нескольких областях:
Принципиально простое устройство производится во множестве специализированных компоновок, каждая из которых предназначена для определенных целей.
В чем же особенность акселерометров в мобильных устройствах ( , и пр.)?
Первый необходимый критерий приборов для современных гаджетов – это компактность.
В корпусе толщиной, скажем, шесть миллиметров должно размещаться огромное количество электроники, которая должна занимать минимум места.
Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе, представленном выше.
Принципиальная схема такой конструкции выглядит так:
К неподвижному корпусу на упругих приставках, которые позволяют перемещение в определенных пределах, крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками.
Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания.
При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои характеристики, что и служит показателем для измерения.
Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно.
Для производства этих устройств используются различные реакции силикона с другими веществами.
Благодаря точному расчету времени нанесения и удаления реактива получается производить такие приборы на автоматизированных конвейерных линиях.
Узнайте все об акселерометре. Что он делает в вашем телефоне?
Даже не работая в оборонной промышленности, можно иметь общее представление об акселерометре: что это, как он работает и какими параметрами обладает. Ведь эти устройства применяются в современной оргтехнике: ноутбуках, планшетах и телефонах. Задумывались ли вы, почему ваш телефон легко определяет, где верх, а где низ, когда вы его крутите? Это акселерометр позволяет технике «сориентироваться» в пространстве.
Акселерометр измеряет проекцию кажущегося ускорения. Благодаря ему можно узнать разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением свободного падения.
Основная классификация акселерометров ведётся по числу задействованных осей. Соответственно, можно выделить одноосевые, двухосевые и трёхосевые приборы. Число осей также называют числом компонентов. От этого параметра зависит, по какому числу координат акселерометр сможет измерить ускорение.
Многие акселерометры совмещены с системой обработки данных, что позволяет создавать полноценные датчики. Ведь что такое акселерометр? Это измерительный прибор. Совместите его с компьютером, и вычислительная система готова!
Акселерометры активно используются при проектировании навигационных систем, наряду с гироскопами. Они являются неотъемлемым элементом конструкции современных летательных аппаратов: самолётов, вертолётов, ракет, беспилотников.
В компьютерной технике акселерометры стали элементами жёстких дисков, предотвращая вибрации и повреждения. Получив сигнал об изменении положения в пространстве, прибор отдаёт команду на парковку головок винчестера, чтобы предотвратить царапины. Здесь следует упомянуть о том, что такое G-сенсор. Во многом он похож на акселерометр и действует по тому же принципу. Однако компактный размер и функциональные особенности позволили встраивать такой сенсор в чувствительную технику: автомобильные регистраторы, планшетные компьютеры, коммуникаторы и так далее.
Сенсор «умеет» различать резкую остановку, поворот, столкновение, вращение и другие смены положения. Это используется как для защиты техники от повреждений, так и для различных программ и игр, которые задействуют положение устройства в пространстве. Несколько лет назад прототипы современных G-сенсоров уже использовались в игровых приставках. Сегодня акселерометр в планшете может использоваться как для игр, так и для серьёзных программ, а в телефоне такой сенсор позволяет определять, какой стороной развернуть экран, чтобы пользователю было удобнее работать и набирать текст.
Как нетрудно догадаться, в условиях невесомости акселерометр или G-сенсор работать не смогут, поэтому они окажутся совершенно бесполезны и никак не повлияют на устройство, в которое встроены.
Основные характеристики, которыми обладают акселерометры, влияют на их функциональность и, соответственно, на область их применения. Ключевые параметры – это:
Следует учитывать все эти параметры при выборе любого акселерометра, а также по возможности интересоваться ими при покупке техники, которая содержит G-сенсор. Вопреки стереотипу, это не будет излишней дотошностью. Вы сможете выбрать устройство, которое не будет «глючить» от случайных толчков и которое всегда будет верно определять своё положение в пространстве. Особенно актуально это для акселерометра в телефоне, ведь телефонам приходится быстро и чётко определять своё положение.
Автоматический поворот экрана, реализованный в современных смартфонах и планшетах, - полезная для многих пользователей функция. Особенно это актуально для геймеров, играющих в развлекательные приложения на мобильных устройствах. При наличии акселерометра очень удобно управлять игрой.
Этот прибор дает возможность использовать смартфон в качестве ватерпаса, устанавливать приложения и проходить в комфортном режиме игры, которые используют данные о положении устройства в пространстве.
По конструкции измерительное устройство может быть однокомпонентным, двухкомпонентным, трехкомпонентным. Например, два устройства, соединенные в одной системе (двухкомпонентный тип), измеряют положение объекта в двухмерном пространстве.
Применяются эти измерительные устройства в четырех областях:
В чипе все элементы прибора микроскопичны, поэтому физически их обработать нереально. Производятся акселерометры на конвейерах с автоматическим принципом работы и при их изготовлении применяются реакции полиорганосилоксанов с определенными веществами.
Важная информация! При поломке акселерометра обращайтесь только в специализированный сервис-центр.
Некоторые служебные программы также используют возможности акселерометра. Например, есть программы, передающие информацию путем столкновения устройств.
Популярность смартфонов на сегодняшний день просто зашкаливает: очень удобно всегда иметь под рукой микрокомпьютер со множеством полезных функций, не так ли? Гораздо удобнее, чем носить с собой ноутбук – в карман последний не положишь и незаметно под партой не достанешь, если урок окажется слишком скучным… Однако у всех телефонов есть один и тот же недостаток – слишком маленький экран, если сравнивать с компьютером или даже планшетом и нетбуком. Бродить по сайтам, пользоваться «читалкой» и некоторыми приложениями из-за этого не так уж удобно… было бы, если бы современные смартфоны не оснащали акселерометрами.
Акселерометр – это встроенное устройство, автоматически меняющее ориентацию экрана с книжной на альбомную и наоборот, при повороте или встряхивании устройства. Стоит пояснить на примере. Вы стояли и читали что-то с дисплея. Устали, решили отдохнуть и легли на диван. Так как лежать на боку полезнее, чем на спине, вы принимаете позу эмбриона – и обнаруживаете, что содержимое экрана «легло на бок» вместе с вами. В каком бы положении вы не держали телефон, строчки на дисплее будут параллельны земле.
Так как архитектура большинства интернет-сайтов рассчитана на просмотр с мониторов компьютеров, читать их с телефона удобнее именно в горизонтальной ориентации
– строка получается шире. Чтобы на экран помещалась вся колонка, не нужно делать крошечный шрифт. Удобнее и набирать сообщения: кнопки клавиатуры становятся больше. А когда вам понадобится воспользоваться своим смартфоном как обычным телефоном, то есть кому-то позвонить – просто переверните его вертикально, а акселерометр выровняет объекты экрана под вертикальную ориентацию. Да здравствует автоматика – она позволяет нам экономить время, не производя лишних действий вручную!
Что такое акселерометр в планшете, долго и пространно объяснять не стоит, так как от телефонного аналога он мало чем отличается . Так как данный девайс придуман для просмотра интернет-сайтов, фотоальбомов и кинофильмов, а также для убийства времени видеоиграми, автоматически разворачивать изображение на его экране поворотом корпуса просто необходимо. Удобство этой функции оценил каждый, кому посчастливилось пользоваться сначала старым планшетом, потом новым. Практически все новые модели оснащены акселерометрами: их наличие либо отсутствие на конечную цену устройства мало влияют, потому планшеты без акселерометров попросту стали невостребованными.
Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.
Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет - в 1974 году - компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.
MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.
MEMS-сенсор
В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.
В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен - он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.
Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.
Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung - литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.
Результат, полученный с помощью объемной обработки
Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.
В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).
DLP-проектор BenQ использует актуаторы
Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.
Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх - они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.
Nokia 5500 - первый телефон с акселерометром
Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.
Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры - устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.
Акселерометр InvenSense MPU-6500
По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.
В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control - и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.
Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией
Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D"Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D"Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.
Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.
Акселерометр, основанный на конденсаторном принципе. На фото изображены обкладки конденсатора (capacitor plates), неподвижная часть (proof mass), пружина (spring)
Самым распространенным типом акселерометров являются пьезоэлектрические системы. Так же как и в конденсаторных акселерометрах, в их основе лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Под давлением он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение, зная параметры всей системы.
Существует и еще один тип акселерометров, который в корне отличается от конденсаторного и пьезоэлектрического. Такие акселерометры называются термальными. Их архитектура предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, и это фиксируется датчиками. Зная, на сколько сместился пузырек при движении, можно рассчитать величину ускорения.
Еще одним интересным датчиком, часто используемым вместе с акселерометром, является гироскоп. Его основное предназначение заключается в измерении угловых скоростей относительно одной или нескольких осей. Собственно, комбинация акселерометра и гироскопа позволяет отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.
Первым из мобильных устройств, обладающих гироскопом, стал Apple iPhone 4, после чего наличие этой МЭМС стало чуть ли не обязательным требованиям для любого смартфона. Функциональность гироскопа пользователи смогли оценивать во многих мобильных играх, где вместо одного из двух виртуальных джойстиков появилась кнопка выстрела. Ну а целиться уже приходилось путем позиционирования смартфона в пространстве, что стало возможно как раз благодаря наличию гироскопа.
Гироскоп, используемый в Apple iPhone 4
Кроме мобильных устройств, гироскопы присутствуют в контроллерах для игровых приставок PlayStation, Xbox и Wii, где они функционируют вместе с акселерометрами. Также эти системы используются в камерах в целях оптической стабилизации для получения качественных снимков.
Архитектура гироскопов во многом схожа с таковой у акселерометров. Многие из этих устройств имеют конденсаторную структуру. Такой дизайн, например, использует в своих продуктах компания STMicroelectronics. В основе их гироскопа лежит механический элемент, работающий по принципу камертона и использующий эффект Кориолиса для преобразования угловой скорости в перемещение чувствительной структуры. Немного поясним этот процесс.
Две подвижные массы находятся в постоянном движении, причем в противоположных направлениях, которые обозначены на рисунке синим цветом. При изменении угловой скорости начинает действовать сила Кориолиса, обозначенная желтым цветом. При этом направление силы Кориолиса перпендикулярно направлению движения масс. Сила Кориолиса вызывает смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Поскольку система имеет конденсаторную структуру, то любое смещение вызывает изменение электрической емкости. И таким образом угловая скорость преобразуется в электрический параметр. Тут же стоит отметить, что благодаря использованию специальных камертонов гироскопы STMicroelectronics нечувствительны к случайной вибрации. При таком нежелательном воздействии на подвижные массы они обе будут смещаться в одном направлении, тем самым не изменяя емкости конденсатора.
Так выглядит чип гироскопа производства STMicroelectronics
Еще одной интересной микроэлектромеханической системой является магнитометр. Он, как и обычный магнитный компас, отслеживает ориентацию устройства в пространстве относительно магнитных полюсов Земли. Полученная же информация используется в основном в картографических и навигационных приложениях.
В дополнение к магнитометру часто используется МЭМС-барометр. Впервые барометр появился в устройстве Samsung Galaxy Nexus, вышедшем в 2011 году. Опять же, его функциональность ничем не отличается от традиционного - он измеряет атмосферное давление в текущем местоположении устройства. При этом барометр уменьшает время подключения к системе GPS. Сама же суть работы сенсора заключается в сравнении внешнего атмосферного давления по отношению к вакуумной камере внутри самого датчика. Это позволяет определять местоположение пользователя с точностью до 50 см по высоте и значительно расширяет возможности навигации пользователя, поскольку также позволяет определить местоположение по вертикали. К примеру, мобильный телефон с барометром поможет определить ваш маршрут на любом этаже торгового центра, с чем не справляется система GPS, указывая лишь местоположение на плоскости.
