Comprendre les capteurs de votre smartphone

Savez-vous que votre smartphone peut contenir jusqu'à près de 20 types de capteurs différents ? Dans cet article nous les passons en revue et on vous explique à quoi ils peuvent bien servir !

 

Table des matières

Les différents types d'utilisation des capteurs - La technologie MEMS - L'accéléromètre - Le gyroscope - Le capteur d'orientation - Le podomètre - Le thermomètre - Le baromètre - L'hygromètre - Le magnétomètre - Le GPS - Le LiDAR - La cellule photoélectrique - Le capteur CMOS - Le capteur de fréquence cardiaque - Le microphone - L'écran tactile - Le capteur de proximité - Le lecteur d'empreinte digitale - Les boutons

 

Les différents types d'utilisation des capteurs

 

Selon le type d'utilisation, on distingue habituellement 5 catégories de capteurs :

 

Les capteurs de mouvements permettent d'analyser le mouvement du téléphone : est-il horizontal ou vertical, bouge-t-il de droite à gauche, vibre-t-il ou est-il en chute libre. Ils sont utilisés dans les jeux ou les interactions avec le smartphone, mais aussi pour détecter des situations d'urgence comme une chute ou un tremblement de terre. On compte parmi ces capteurs l'accéléromètre et le gyroscope.

 

Les capteurs environnementaux mesurent des données sur le monde extérieur comme la température, la pression atmosphérique ou l'hygrométrie. Tous les portables ne sont pas équipés de ces capteurs. Certains sont présents mais ne sont pas utilisés pour renseigner l'utilisateur mais pour détecter des évènements dangereux pour le smartphone, comme la surchauffe. On peut également connecter les téléphone a des capteurs externes comme des détecteurs de particules fines.

 

Les capteurs de position renseignent l'utilisateur sur sa position dans l'espace. Le GPS, le magnétomètre ou le LiDAR permettent de savoir dans quel direction est orienté son smartphone, ou quelle est sa position exacte sur la carte ou son altitude. Grâce à ces capteurs il est aujourd'hui impossible de se perdre ! 

 

Les capteurs de lumière et de son détectent et enregistre les informations sur les rayons lumineux ou les ondes sonores. Ils peuvent être simples comme des cellules photoélectriques ou un microphone, ou plus complexes comme les grilles de cellules comme les capteurs photographiques qui permettent d'enregistrer une image ou une vidéo en noir et blanc ou couleur. 

 

Enfin il ne faut pas oublier les capteurs d'actions qui sont utilisés pour détecter une action directe de l'utilisateur sur le smartphone. Par exemple détecter si on approche un doigt de l'appareil, ou si l'utilisateur utilise son doigt sur l'écran. 

 

La technologie MEMS

 

Comment mettre tous ces capteurs dans un téléphone portable sans que celui-ci ait la taille d'une valise ?

 

C'est là qu'intervient la technologie des MEMS, abréviation de Micro Electro Mechanical System. Les MEMS sont de petits circuits intégrés comprenant des pièces mécaniques et électroniques intégrées. Cette technologie a été développée dans les années 1970 et ses avantages incluent un faible consommation d'énergie, leuneur petite taille, un coût abordable et une grande précision.

 

À quoi ressemble un accéléromètre MEMS ? La photo ci-jointe montre un exemple d'accéléromètre MEMS dans un iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html). 

 

On peut observer sur cette photo les ressorts qui servent à la détection de l'accélération, ainsi que la masse qui entoure l'objet. On peut également discerner les condensateurs orientés selon deux axes. Ces deux groupes de condensateurs sont disposés à angle droit pour mesurer l'accélération selon deux directions. 

 

Sans la technologie MEMS, nous n'aurions pas aujourd'hui touts ces capteurs dans les smartphones et toutes ces possibilités !

 

L'accéléromètre

 

L'accélération est la variation de la vitesse sur de petits intervalles de temps. Il est souvent impossible de mesurer la vitesse du smartphone avec suffisamment de précision, on utilise donc une autre méthode pour mesurer l'accélération : mesurer la force sui s'exercice sur une partie du smartphone et en déduire l'accélération par le principe fondamentale de la dynamique. 

L'accéléromètre ne mesure pas directement l'accélération du portable, maisl'accélération à laquelle est soumise une petite masse située à l'intérieur du portable et connectée au cadre du smartphone par un ressort. 

 

Quand le portable est mis en mouvement, cette petite masse va se déplacer et c'est en mesurant son déplacement grâce à un circuit électronique que l'on mesure l'accélération. Si vous souhaitez en savoir plus sur les équations mathématiques qui entrent en jeux, suivez ce lien

 

Une des particularité du calcul de l'accélération par la technologie décrite est qu'elle inclue l'accélération de la pesanteur terrestre. En effet, si l'on met le smartphone à la verticale, on voit que le ressort va avoir une tension égale au poids de la masse. L'accélération qui est mesurée par les smartphone est ce que l'on appelle l'accélération absolue ou aussi accélération ave g.

 

Il y a un autre type d'"accélération, appelée accélération linéaire ou accélération sans g. C'est l'accélération due uniquement au mouvement de l'utilisateur. Pour la calculer il faut utiliser un autre capteur, le magnétomètre qui va permettre de déduire l'accélération de la pesanteur du vecteur accélération absolue.

 

Les accéléromètre des smartphones sont très précis, à environ 0.01 m/s2, et donnent des mesures à une fréquence de 150 hertz, soit 150 mesures par secondes, un atout pour faire des mesures de qualité !

 

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Le gyroscope

 

Un gyroscope est une instrument qui mesure la vitesse de rotation d'un objet. Ils sont essentiels pour la navigation des avions ou des satellites et leur permet de détecter si ils pointent vers le haut, le bas ou le côté. 

 

Habituellement, un gyroscope est constitué d'une roue ou d'un disque qui tourne autour d'un autre disque ou un axe. Ce dispositif garde son orientation à cause de l'effet gyroscopique, et il est facile de mesurer la nouvelle orientation par rapport à cette référence.

 

Dans les mobile, le composant MEMS fonctionne d'une manière similaire à celui de l'accéléromètre mais avec des composants qui mesurent la rotation plutôt que le déplacement. 

 

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Le capteur d'orientation

 

Si l'on combine les données fournies par l'accéléromètre et le gyroscope on est capable de connaître la position du smartphone à tout moment. En effet, à partir de la position initiale du smartphone au repos, et en appliquant à cette position tous les mouvements linéaires et rotatifs auxquels est soumis le portable, on est capable de déterminer quelle est sa nouvelle position à tout moment.

 

Dans les smartphones cette fonction est assurée par un circuit spécialisé ou une fonction spécialisée de système d'exploitation, qui s'appelle le capteur d'orientation, qui prend les données du gyroscope et de l'accéléromètre, plus éventuellement celui du magnétomètre, pour calculer l'orientation dans l'espace du smartphone.

 

C'est également ce circuit qui calcule des mesures spécifiques comme l'accélération linéaire.

 

Pour en savoir plus sur le capteur d'orientation et comprendre comment il détermine l'orientation du smartphone, on peut suivre ce lien.

 

Le podomètre 

 

On mentionne souvent le podomètre comme un capteur mais en fait le podomètre n'est pas un capteur à proprement parler. Il s'agit d'un petit circuit électronique qui détecte les variations importantes et régulières de l'accélération qui indique que l'utilisateur est en train de marcher. 

 

Quand le mouvement se reproduit plusieurs fois, l'appareil se met à compter ce qui explique qu'il y ait toujours un retard quand on utilise un podomètre.

 

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Le thermomètre

 

Présent dans tous les portables, le thermomètre permet de mesurer la température ambiante à l'intérieur du smartphone. Le problème avec cette mesure est qu'au fur et à mesure que l'appareil chauffe, le thermomètre ne mesure plus simplement la températuire ambiante, mais également le réchauffement du smartphone, et donc la mesure est fausse. Pour cette raison, très peu de smartphones permettent l'accès à la température externe, et ce capteur est utilisé principalement pour détecter des surchauffes de l'appareil.

 

Le baromètre

 

Le baromètre permet de mesurer la pression atmosphérique et est une mesure importante pour prédire la météo, pour mesurer l'altitude ou la profondeur d'une plongée. Tous les iPhones récents intègrent une puce barométrique, et certain portables Android également.

 

Les capteurs de pression barométrique utilise une cellule anéroïde qui se dilate ou se contracte lorsque la pression atmosphérique change. Un petit système MEMS détectent les variations du diaphragme de la cellule pour en déduire la pression. Plus le diaphragme se déforme, plus la pression est élevée.

 

L'hygromètre

 

L'hygromètre ou détecteur d'humidité mesurent la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air ambiant. Les capteurs d'humidité sont utilisés dans plusieurs industries pour protéger les équipements et garantir des environnements sûrs et confortables. Certains portables Android comme les Galaxy S4 et S5 ont été équipés de capteurs d'humidité mais il semble que ce capteur n'ait pas été jugé suffisamment utile pour être intégré dans les nouveaux smartphones.

 

En règle générale, les capteurs d'humidité contiennent un élément de détection d'humidité et une thermistance, qui est utilisée pour mesurer la température. En effet, comme chacun le sait maintenant depuis la crise énergétique, la température influe sur les mesures qui ont besoin d'être corrigées : l'air sec est plus facile à réchauffer que l'air humide !

 

Il existe trois principaux types de capteurs d'humidité, mais pour les smartphones ou les microcontrolleurs on utilise principalement la méthode capacitive : on mesure la capacité électrique d'une petite bande d'oxyde métallique est située entre deux électrodes, qui change avec le niveau d'humidité dans l'air.

 

De manière générale les capteurs d'environnements sont plus utiles comme capteurs externes que comme capteurs à l'intérieur du smartphone. Ces capteurs externes peuvent être déportés à l'extérieur ou à l'endroit où les mesures doivent être faites .

 

Le magnétomètre

 

Le magnétomètre permet de calculer le champ magnétique auquel est soumis notre portable. En l’absence de tout autre champ magnétique (comme un aimant ou un objet fero-magnétique), le magnétomètre donne les coordonnées du champ magnétique terrestre, ce qui permet de connaître le nord par exemple. 

 

L'avantage d'un magnétomètre MEMS est qu'il consomme très peu d'énergie, et donc peut remplacer l'accéléromètre et le gyroscope pour calculer la position d'un smartphone dans l'espace. Avec un désavantage : si un objet aimanté ou fer-magnétique est proche du capteur, sa mesure sera affectée et le référentiel sera faux.

 

Les magnétomètres des smartphones utilisent en général l'effet Hall ou l'effet magnéto résistif. Dans l'effet Hall, un champ magnétique dévie le flux d'un courant électrique dans une plaque. Les électrons seraient déviés d'un côté de la plaque et les pôles positifs de l'autre côté de la plaque. Si on mesure la différence de potentiel entre les ôdeux ctés de la plaque on obtient une mesure du champ magnétique. 

 

D'autres capteurs utilisent l'effet magnéto-résistif. Ces capteurs utilisent des matériaux sensibles au champ magnétique, généralement composés de Fer (Fe) et de Nickel (Ne). Lorsque ces matériaux sont exposés à un champ magnétique, leur résistance change.

 

Le GPS

 

Le GPS ou Global Positioning System est probablement l'outil qui a le plus révolutionné le développement d'applications mobiles. un nombre incalculable de nouvelles applications ont été possible grâce à l'ouverture par les américains du sytème GPS au grand public en 1995 et la création de puce GPS suffisamment petites pour tenir dans un smartphone. 

 

Le GPS utilise la différence de temps de réception de signaux venant de différents satellites et calcule la position sur terre par triangulation. Pour avoir une position précise, il faut donc pouvoir recevoir les informations de plusieurs satellites (au moins 4), ce qui exclu les applications à l'intérieur de bâtiments ou en sous-sol.

 

Les puces GPS permettent de déduire de nombreuses informations de l'analyse de signaux : la position (latitude et longitude), la vitesse, l'altitude. elles donnent aussi une horloge universelle ainsi qu'une estimation de la précision des mesures. Avec le bon nombre de satellites on peu avoir une précision inférieure à 1 mètre, avec une fréquence de 1 hertz. 

 

Le LiDAR

 

Le LiDAR (Light Detection and Ranging) est un scanner utilisé pour mesurer la distance entre un objet et soi. Il est utilisé dans les smartphones pour reconnaître les visages lors de la connexion, pour mesurer les distances pour la prise de photo et ajuster la profondeur de champ, ou pour calculer la distance a des objets et leur forme.

 

Il émet un faisceau de lumière laser pulsée et calcule le temps nécessaire pour que cette lumière rebondisse sur l'objet et soit captée à nouveau par le capteur. Contrairement au radar, qui utilise des ondes radio, le LiDAR peut collecter des informations à 360°, générant ainsi un ensemble de points pour recréer en 3D avec une grande précision l'espace qui entoure les capteurs.

 

Ce système est utilisé depuis longtemps dans l'industrie, la sécurité avancée, l'aviation pour cartographier la surface terrestre et même l'archéologie pour découvrir des ruines enfouies. Il est utilisé essentiellement dans les appareils Apple récents et dans certains Android haut de gamme.

 

La cellule photo-électrique

 

La cellule photo-électrique des smartphones est un petit composant en général présent sur le devant de l'appareil à côté de la caméra et qui permet de mesurer la lumière ambiante. Cette mesure à plusieurs fonctions comme d'ajuster la luminosité de l'écran, de détecter la nuit, ou d'ajuster la sensibilité de la caméra lors de photos et vidéos.

 

Certains capteurs de lumière ambiante permettent également de détecter la luminosité pour différentes longuers d'ondes, bleu rouge et vert, amis aussi les UV et les infrarouges.

 

Les détecteurs sont des photo-diodes ou photo-transitors qui utilisent l'effet photo-électrique. Lorsque la lumière frappe la couche de déplétion avec une énergie suffisante, elle ionise les atomes de la structure cristalline et génère des paires électron-trou. Le champ électrique existant, dû à la polarisation, entraîne le déplacement des électrons vers la cathode et des trous vers l'anode, donnant lieu à un photocourant. Plus l'intensité lumineuse est élevée, plus le photocourant est important.

 

La caméra a de multiples utilisations pour l'expérimentation scientifique. Elle permet de mesurer la luminosité, d'analyser les couleurs, mais également avec conduire des analyses cinématiques sur des vidéos ou des chronophotographies.

 

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Le capteur photographique 

 

Si on réuni des milliers de cellules photo électriques dans une matrice on obtient un capteur CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), et si on place une lentille devant ce capteur, on obtient alors un appareil photographique. La capture de photographie et de films est aujourd'hui l'une des principales utilisation des smartphones, au point qu'ils ont remplacé les appareils photos pour les non professionnels. Ces images digitales peuvent alors âtre partagées grâce à la technologie mobile.

 

Si les capteur photographiques digitaux ont été inventé en 1969, ce n'est que progressivement qu'ils sont devenus des moyens incontournables de prendre des photos, quand la résolution a atteint 5 mega-pixels. Dans les smartphones, c'est surtout avec l'arrivée de l'iPhone et d'un capteur de qualité que le smartphone est devenu outil photographique et bien sûr, outil de création de vidéo.

 

Dans sa version originale, le CMOS est un détecteur noir et blanc. Pour détecter la couleur on lui adjoint un filtre Rouge, Vert, Bleu, qui filtre les différentes longueurs d'ondes. Ce filtre, appelé filtre de Bayer, permet d'enregistrer simultanément trois images silmultanées, chacun dans un spectre différent, et qui seront rassemblée pour afficher l'image. 

 

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Le capteur de fréquence cardiaque

 

Le capteur de fréquence cardiaque est un dispositif quasi-médical qui permet de surveiller la fréquence cardiaque des patients, mais aussi leur taux oxygène dans le sang.

 

Ce capteur repose sur le principe de la photopléthysmographie, mis en évidence en 1937 par Hertzman et Spealman (5). Ces deux scientifiques ont constaté qu'ils pouvaient mesurer à l'aide d'une cellule photoélectrique des variations de transmittance de la lumière à travers le doigt et que ces variations permettaient d'estimer précisément le rythme cardiaque. 

 

A chaque battement cardiaque, le sang est propulsé dans les vaisseaux sanguins pendant la phase de systole. Cette action entraîne une augmentation rapide du volume sanguin dans les vaisseaux capillaires, ce qui provoque une légère augmentation de l'épaisseur et de la rougeur des tissus, en raison de la présence d'hémoglobine dans le sang. Lors de la phase de diastole, le flux sanguin dans les tissus diminue, ce qui les rend moins opaques. En examinant les variations d'opacité ou de couleur des tissus suffisamment transparents, comme ceux d'un doigt ou d'un lobe d'oreille, il est possible de déterminer les phases de systole et de diastole, et de calculer le rythme cardiaque.

 

On remarque que les capteurs émettent une lumière verte. L’hémoglobine sous sa forme oxygénée absorbe les rayonnements verts. Durant les phases de systole, les rayonnements verts émis par la source lumineuse seront plus largement absorbés que durant la phase de diastole, durant lequel le sang est moins oxygéné. L'utilisation de la lumière verte permet de magnifier l'effet de photopléthysmographie.

 

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Le microphone

 

On a souvent tendance a oublier le microphone parmi les capteurs de smartphone. Probablement car il s'agit d'une vieille technologie à laquelle on est habitué, comparée à celles des MEMS. 

 

Inventé en 1876 par Graham Bell, le microphone n'est pas nouveau, et pourtant c'est une élément essentiel des capteurs du smartphone, tant pour l'échange oral, la dictée, mais aussi pour les analyses du son que nous utilisons avec FizziQ.

 

Dans les téléphones portables, on utilise de minuscules condensateurs appelés micro électret. Ces micros nécessitent très peu d'énergie pour fonctionner et s'intègrent également parfaitement dans les circuits d'un téléphone portable typique.

 

Un microphone à électret est un type de microphone à condensateur doté d'une capsule polarisée en permanence. Par conséquent, il ne requiert donc pas d’alimentation externe. On couple ce micro à un préampli puis à un convertisseur analogue - digital qui permet de convertir le son en signaux numériques.

 

Les microphones sont capables de capturer les variations de pression de l'onde sonore à une fréquence très élevée, environ 44 000 hertz, soit 44 000 données par seconde, avec une résolution de 16 bits, c'est à dire avec une précision de 0,003% !

 

A partir des sons du microphone on peut calculer la fréquence d'un signal sonore, son intensité, son spectre de fréquences ou même monter la courbe de l'onde sonore comme avec un oscilloscope.

 

Découvrez nos activités scientifiques sur le son et les ondes sonores 

 

L'écran tactile 

 

Un autre capteur auquel on ne pense pas souvent et qui a été un progrès phénoménal pour les outils digitaux est l'écran tactile. Sur les vieux Blackberry il y avait un clavier mécanique, qui je dois le dire permettait de taper assez vite. La technologie des écrans capacitifs a permis de créer directement sur l'écran des claviers tout à fait agréables et de gagner la place du clavier numérique pour faire des trans plus grands. 

 

Il existe deux technologies pour les écrans tactiles : 

• les écrans résistifs qui utilisent deux couches conductrices qui entrent en contact quand on appuie. L’avantage est e fonctionner avec le doigt nu, mais aussi avec un gant, par exemple lors d'une intervention dans le domaine médical. Les écrans tactiles résistifs consomment peu de courant électrique et sont à bas prix mais ont qu’une durabilité moyenne et la surface extérieure est vulnérable aux éraflures

• les écrans capacitifs qui détectent l’effleurement du doigt. Celui-ci modifie la tension du champ électrique qui est appliqué sur une couche conductrice au-dessus de la plaque de verre. L’avantage des écrans tactiles capacitifs est leur longue durée de vie ainsi qu'un temps rapide de réaction à l’effleurement, une résolution élevée (précision), une clarté optique élevée et une résistance élevée à la poussière, à l'eau et aux éraflures. Par contre, le maniement n'est possible qu'avec le doigt nu ou avec un stylet, de plus le coût de ces écrans est plus élevé.

Aujourd'hui pratiquement tous les smartphones sont équipés d'écrans tactiles capacitifs, mais certain équipement médicaux continuent d'utiliser la technologie résistive, utilisable avec des gants.

 

Le capteur de proximité

 

Le capteur de proximité permet de détecter quand on approche un objet du smartphone. Par exemple il entraine la réduction de la luminosité de l'écran quand on téléphone. 

 

Il existe de nombreuse technologies pour ces capteurs mais dans les smartphones on utilise en général une combinaison d'un émetteur de lumière infrarouge et un récepteur infrarouge. Si il n'y a pas d'obstacle, la lumière infrarouge ne sera pas réfléchie et le capteur ne recevra rien, si il y a un objet, la lumière infrarouge sera réfléchie et sera détectée par le récepteur. La distance de détection est faible, moins de 5 cm en général.

 

Ils sont disponibles dans presque tous les smartphones en haut de l'écran. La lumière infrarouge traverse ce capteur. Lorsqu'un objet physique entre en contact avec cette lumière, il la détecte et y réagit. Par exemple, lorsque vous parlez sur votre téléphone et placez votre téléphone sur votre oreille, la lumière infrarouge détecte un objet physique, c'est-à-dire votre oreille. En détectant cela, la lumière de l'écran s'éteint automatiquement. Cela permet à la fois d'économiser la batterie et d'éviter les contacts accidentels avec l'écran.

 

Le lecteur d'empreintes digitale

 

De nombreux téléphones sont équipés d'un capteur d'empreintes digitales pour vous aider à se connecter rapidement. 

 

Il en existe trois types principaux de lecteur digitaux : optique (balayage avec lumière), capacitif ou CMOS (balayage avec condensateurs électroniques) et ultrasonique (balayage avec ondes sonores). Bien que la meilleure technologie semble être celle des ultrasons, tous les capteurs biométriques peuvent être trompés d'une manière ou d'une autre mais ils sont généralement plus sûrs et beaucoup plus pratiques que l'utilisation d'un code PIN ou d'un schéma à l'écran.

 

Les dernières technologies utilisent la reconnaissance faciale couplée à un Lidar, qui permet d'être plus sûr que la technologie de reconnaissance faciale par caméra.

 

Les boutons

 

Enfin il faut citer les boutons ! Ce sont des capteurs à part entière, certes très simples, car ils donnent juste une information oui/non mais quand ils sont cassés c'est un smartphone qu'on peut mettre à la poubelle. Étant donné que les touches d'alimentation et de volume sont les plus fréquemment utilisées, le test de clic de bouton voit chaque bouton tapé 100 000 fois, et la touche d'empreinte digitale tapée 1 million de fois pour s'assurer que les touches sont confortables au toucher, fonctionnelles et intactes.

 

Finalement c'est probablement le bouton d'allumage qui est le capteur le plus important de votre smartphone !