Акселерометр в телефоне: что это такое? Акселерометр: что это и как он работает в современной технике

Сейчас трудно представить нашу жизнь без смартфонов и планшетов. А из года в год они становятся все совершеннее. Увеличивается объем оперативной памяти, прибавляется количество ядер у процессора (и повышается их таковая частота), устанавливаются графические процессоры для обработки графики (в том числе и 3D), камеры становятся двойными, что позволяет делать четкие фотографии в большом разрешении, совершеннее становятся экраны и многое другое. Причем надо заметить, все эти совершенства комплектуются в довольно тонкий корпус в несколько миллиметров. Но есть две маленькие детальки, без которых не обходится ни один смартфон или планшет – это датчики акселерометр и гироскоп. Впрочем, они устанавливаются и в другие электронные устройства, например, в квадрокоптеры. Они устанавливаются даже в некоторые жесткие диски. Рассмотрим что такое акселерометр в телефоне, как он устроен и для чего применяется.

Применение датчика акселероментра в телефоне

Акселерометр в телефоне это, что позволяет измерять кажущееся ускорение (т. е. разницу между истинным и гравитационным ускорением устройства). Он дает возможность программному обеспечению «чувствовать» перемещение сматрфона в пространстве, а также управлять устройством с помощью поворота, потряхивания или даже постукивания. Например, смена ориентации экрана при повороте смартфона осуществляется за счет встроенного датчика акселерометра. С его помощью осуществляется управление в некоторых играх, например, таких как Doodle Jump. В ней главный герой прыгает вверх по платформам, а ваша задача управлять им, поворачивая телефон влево или вправо.

Итак, датчик акселерометра в телефоне в основном используется для следующих задач:

• Автоповорот экрана;
• Управление в некоторых играх путем наклона устройства;
• Отслеживание физической активности (например, для подсчета шагов во время прогулки или тренировки);
• Управление смартфоном (или некоторыми приложениями) с помощью специально предусмотренных жестов, таких как встряхивание, поворот и т. д.

Устройство и принцип работы акселерометра

Внешне акселерометр представляет собой очень крошечный датчик, размером примерно со спичечную головку.

Устройство датчика довольно простое. Он состоит из:

• Пружины (которая крепится к неподвижной части);
• Массы;
• Демпфера.

Демпфер необходим для того, чтобы погасить собственные колебания грузика (массы). При изменении положения устройства или его поворота происходит деформация пружины. Все это фиксируется и преобразовывается в электрический сигнал, а после обрабатывается с помощью программ.

Но так работает только одна ось. Чтобы телефон мог ориентироваться в трехмерном пространстве, добавляются еще две оси (всего их три). В итоге получается своеобразный гироскоп.

Выше мы рассмотрели по каким принципам работает акселерометр, из каких деталей он состоит. Понятное дело, что такую конструкцию в тонкий смартфон не засунешь. Поэтому инженеры разработали специальный миниатюрный вариант. Устроен он следующим образом:

Если кратко, то работает он так: специальная перегородка с отведенными в сторону контактами крепится к неподвижному корпусу (сам корпус на упругих приставках). Сами же отводы размещены между контактами, которые снимают показания изменения напряженности поля. Производство таких датчиков производится на специальном оборудовании.

Наверняка вы не раз слышали о том, что многие смартфоны оснащены акселерометром. Рассказываем неопытным пользователям, что это такое и зачем нужно.

Выражаясь понятным языком, акселерометр (еще его называют G-сенсор) - это датчик, определяющий угол наклона смартфона или планшета относительно земной поверхности. Он измеряет ускорение, сопоставляя три пространственные оси координат: X (ширина), Y (длина) и Z (высота).

Программное обеспечение гаджета на основе данных акселерометра меняет ориентацию экрана телефона. Если вы повернете устройство со встроенным G-сенсором на 90 градусов, дисплей перевернет изображение автоматически.

В смартфоне акселерометр установлен в виде небольшого чипа или датчика, размером в несколько раз меньше 10-копеечной монеты. Несмотря на это, он обеспечивает множество функций современных Android-устройств.

Зачем нужен G-сенсор?

Любители спорта могут использовать акселерометр для определения количества пройденных шагов с помощью специальных приложений-шагомеров. Они могут быть встроены в смартфон, либо их придется скачать из Google Play.

Для фанатов игровых приложений на смартфонах G-сенсор - просто находка. Он позволит управлять процессом игры поворотами смартфона. Так как акселерометр реагирует на малейшие изменения угла наклона, приложение мгновенно будет отвечать на любое ваше действие. Это применимо к играм различных жанров, особенно гонкам.

Также автоповорот экрана добавит удобства при просмотре фильмов и фотографий, а также чтении электронных книг.

Если вы часто ходите в лес за грибами или по другим причинам, знайте, что у вас в кармане наверняка есть компас. Как правило, это предустановленное приложение, которое работает с помощью G-сенсора.

Установив приложение «уровень», можно забыть о громоздком строительном приспособлении. И здесь все суть в акселерометре - он позволит определить ровность стены или точный угол ее наклона.

Конечно, если вы всем этим не пользуетесь, акселерометр будет вам даже немного мешать постоянной сменой ориентации экрана. Но его всегда можно отключить, зайдя в настройки экрана.

Заключение

Несмотря на свои скромные размеры, акселерометр добавляет смартфонам много разнообразных возможностей. По этой причине производители оснащают G-сенсором в большинство современных устройств.

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.

История и архитектура

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.

Акселерометры

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.

Гироскопы

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

Магнитометры и барометры

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.

Термин «акселерометр» произошел от латинского accelero, что в переводе означает «ускоряю». Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. Другими словами, он призван помочь программному обеспечению смартфона определить положение, а также расстояние перемещения мобильного устройства в пространстве.

Часто этот датчик путают с гироскопом. Однако, это разные датчики, хотя взаимодополняют друг друга, и даже могут выполнять одни и те же функции. Их отличие заключается в принципе работы, а также в эффективности выполнении конкретных задач. Могут использоваться совместно, для достижения наиболее точных результатов.

Датчик значительно расширяет возможности смартфона. Ниже перечислены основные функции, за которые он отвечает.

• Автоматическая смена ориентации экрана при повороте девайса.
• Управление игровым процессом при помощи наклонов.
• Реагирование устройства на определенные жесты, и выполнение соответствующих действий (смена музыкального трека, отключение будильника или отклонение звонка). Примеры жестов: постукивание по корпусу или его встряхивание, переворот смартфона экраном вниз.
• Определение и визуальная демонстрация изменений положения человека в пространстве через навигационные приложения (Google Карты и др.).
• Возможность отслеживания физической активности. Классический пример – подсчет пройденной дистанции при помощи шагометра.

Как работает акселерометр, принцип его строения

На картинке ниже изображена схематическая конструкция самого простого акселерометра.

Он состоит из инертной массы (в данном примере ее роль выполняет грузик), который прикреплен к подвижному, упругому элементу (например, к пружине). Пружина, в свою очередь, фиксируется на неподвижной детали. Для подавления колебаний грузика используется демпфер. Когда происходит встряска, наклон или поворот объекта, в который встроен акселерометр, инертная масса реагирует на силу инерции. С увеличением интенсивности и силы наклона, поворота или сотрясения увеличивается радиус деформации пружины.

Затем грузик принимает свою прежнюю позицию, благодаря пружине. Специальный датчик фиксирует уровень смещения инертной массы от ее положения в состоянии «покоя». Затем эти данные преобразуются в электрический сигнал, и передаются на обработку электроникой, и программным обеспечением. Благодаря полученным данным программа может «вычислить» изменения в физических изменениях расположения объекта.

Еще есть такое понятие, как ось чувствительности прибора. Если ось только одна, датчик сможет передать данные об изменении положения объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Чтобы увеличить чувствительность датчика, и получить точные данные о силе и направлении наклона объекта, необходимо две, а еще лучше три оси. Объединив в один прибор сразу три оси, можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.

Акселерометр в смартфонах

По техническим и иным причинам описанная выше конструкция датчика неприменима в мобильных устройствах. Она заменяется миниатюрным чипом, внутри которого находится инертная масса.

Принцип действия чипа схож с классическим датчиком: инертная масса меняет свою позицию во время ускорения. Благодаря этому смартфон и получает данные о положении в пространстве. Но между классическими приборами и чипами существует огромная разница не только в конструкции, но и в методе производства.

Изготовление подобных датчиков – полностью автоматизированный процесс. Чтобы получить рабочий экземпляр, используется химическая реакция между силиконом и другими элементами. Процесс требует высочайшей точности в расчетах и пропорциях. Вручную, при помощи физического воздействия на материалы сделать это фактически невозможно.

Вывод

Акселерометр в мобильном устройстве, представляющий собой лишь крохотный чип, имеет существенное влияние на взаимодействие между человеком и смартфоном. С его помощью управление аппаратом переходит на новый, более комфортный уровень. А игры и приложения получают множество дополнительных возможностей, которые можно реализовать при помощи акселерометра.