Comprender los sensores de su teléfono inteligente

¿Sabes que tu smartphone puede contener hasta casi 20 tipos de sensores diferentes? ¡En este artículo los repasamos y explicamos para qué se pueden utilizar!

 

Indice

Los diferentes tipos de uso de los sensores - Tecnología MEMS - El acelerómetro - El giroscopio - El sensor de orientación - El podómetro - El termómetro - El barómetro - El higrómetro - El magnetómetro - GPS - LIDAR - La fotocélula - El sensor CMOS - El sensor de frecuencia cardiaca - El micrófono - la pantalla táctil -  El sensor de proximidad - El lector de huellas dactilares - Los botones

 

Los diferentes tipos de uso de los sensores.

 

Según el tipo de uso, solemos distinguir 5 categorías de sensores:

 

Los sensores de movimiento pueden analizar el movimiento del teléfono: es horizontal o vertical, se mueve de derecha a izquierda, vibra o está en caída libre. Se utilizan en juegos o interacciones con el smartphone, pero también para detectar situaciones de emergencia como una caída o un terremoto. Estos sensores incluyen el acelerómetro y el giroscopio.

 

Los sensores ambientales miden datos sobre el mundo exterior, como la temperatura, la presión atmosférica o la humedad. No todas las computadoras portátiles están equipadas con estos sensores. Algunos están presentes pero no se utilizan para informar al usuario sino para detectar eventos que son peligrosos para el smartphone, como el sobrecalentamiento. También puede conectar el teléfono a sensores externos, como detectores de partículas finas.

 

Los sensores de posición informan al usuario sobre su posición en el espacio. El GPS, el magnetómetro o el LiDAR te permiten saber en qué dirección mira tu smartphone, cuál es su posición exacta en el mapa o su altitud. ¡Gracias a estos sensores ahora es imposible perderse! 

 

Los sensores de luz y sonido detectan y registran información sobre rayos de luz u ondas de sonido. Pueden ser simples como celdas fotoeléctricas o un micrófono, o más complejos como grillas de celdas como sensores fotográficos que pueden grabar una imagen o video en blanco y negro o color. 

 

Finalmente, no debemos olvidar los sensores de acción que se utilizan para detectar una acción directa del usuario en el teléfono inteligente. Por ejemplo, detectar si un dedo se acerca al dispositivo o si el usuario está usando su dedo en la pantalla. 

 

Tecnología MEMS

 

¿Cómo poner todos estos sensores en un móvil sin que sea del tamaño de una maleta?

 

Aquí es donde entra en juego la tecnología MEMS, abreviatura de Micro Electro Mechanical System. Los MEMS son pequeños circuitos integrados que comprenden partes mecánicas y electrónicas integradas. Esta tecnología se desarrolló en la década de 1970 y sus ventajas incluyen bajo consumo de energía, tamaño pequeño, costo asequible y alta precisión.

 

¿Qué aspecto tiene un acelerómetro MEMS? La foto adjunta muestra un ejemplo de un acelerómetro MEMS en un iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/detección-de-movimiento-en-el-iphone-4-mems-acelerómetro.html). 

 

En esta foto se pueden observar los resortes que se utilizan para la detección de la aceleración, así como la masa que rodea al objeto. También se pueden discernir los condensadores orientados a lo largo de dos ejes. Estos dos grupos de condensadores están dispuestos en ángulo recto para medir la aceleración en dos direcciones. 

 

¡Sin la tecnología MEMS, hoy no tendríamos todos estos sensores en los teléfonos inteligentes y todas estas posibilidades!

 

El acelerómetro

 

La aceleración es el cambio de velocidad en pequeños intervalos de tiempo. Muchas veces es imposible medir la velocidad del smartphone con suficiente precisión, por lo que utilizamos otro método para medir la aceleración: medir la fuerza ejercida sobre una parte del smartphone y deducir la aceleración por el principio fundamental de la dinámica._cc781905-5cde- 3194-bb3b-136bad5cf58d_

El acelerómetro no mide directamente la aceleración del portátil, sino la aceleración a la que está sometida una pequeña masa situada en el interior del portátil y unida a la carcasa del smartphone mediante un muelle. 

 

Cuando la computadora portátil se pone en movimiento, esta pequeña masa se moverá y es midiendo su desplazamiento mediante un circuito electrónico que medimos la aceleración. Si quieres saber más sobre las ecuaciones matemáticas que entran en juego,  siga este enlace

 

Una de las peculiaridades del cálculo de la aceleración por el método descrito es que incluye la aceleración de la gravedad terrestre. Efectivamente, si ponemos el smartphone en vertical, vemos que el resorte tendrá una tensión igual al peso de la masa. La aceleración que miden los smartphones es la llamada aceleración absoluta o también aceleración con g.

 

Existe otro tipo de "aceleración", denominada aceleración lineal o aceleración sin g. Esta es la aceleración debida únicamente al movimiento del usuario. Para calcularla, debe utilizar otro sensor, el magnetómetro, que permitirá deducir la aceleración debida a la gravedad del vector aceleración absoluta.

 

Los acelerómetros de los teléfonos inteligentes son muy precisos, alrededor de 0,01 m/s2, y brindan mediciones a una frecuencia de 150 hercios, o 150 mediciones por segundo, ¡una ventaja para realizar mediciones de calidad!

 

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El giroscopio

 

Un giroscopio es un instrumento que mide la velocidad de rotación de un objeto. Son esenciales para la navegación de aeronaves o satélites y les permite detectar si apuntan hacia arriba, hacia abajo o hacia los lados. 

 

Por lo general, un giroscopio consta de una rueda o disco que gira alrededor de otro disco o eje. Este dispositivo mantiene su orientación debido al efecto giroscópico, y es fácil medir la nueva orientación con respecto a esta referencia.

 

En los móviles, el componente MEMS funciona de manera similar al acelerómetro pero con componentes que miden la rotación en lugar del desplazamiento. 

 

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El sensor de orientación

 

Si combinamos los datos que nos proporciona el acelerómetro y el giroscopio, somos capaces de saber la posición del smartphone en todo momento. Efectivamente, a partir de la posición inicial del smartphone en reposo, y aplicando a esta posición todos los movimientos lineales y rotativos a los que se somete el portátil, somos capaces de determinar cuál es su nueva posición en cada momento.

 

En los smartphones esta función la lleva a cabo un circuito especializado o una función especializada del sistema operativo, que se denomina sensor de orientación, que toma datos del giroscopio y el acelerómetro, más posiblemente los del magnetómetro, para calcular la orientación en el espacio del teléfono inteligente

 

También es este circuito el que calcula medidas específicas como la aceleración lineal.

 

Para obtener más información sobre el sensor de orientación y comprender cómo determina la orientación del teléfono inteligente, puedes seguir este enlace.

 

El podómetro 

 

El podómetro a menudo se denomina sensor, pero de hecho el podómetro no es un sensor per se. Este es un pequeño circuito electrónico que detecta grandes y regulares variaciones en la aceleración lo que indica que el usuario está caminando. 

 

Cuando el movimiento se repite varias veces, el dispositivo comienza a contar, lo que explica por qué siempre hay un retraso al usar un podómetro.

 

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El termómetro

 

Presente en todos los portátiles, el termómetro permite medir la temperatura ambiente en el interior del smartphone. El problema de esta medición es que a medida que el dispositivo se calienta, el termómetro ya no mide simplemente la temperatura ambiente, sino también el calentamiento del smartphone, por lo que la medición es falsa. Por ello, muy pocos smartphones permiten acceder a la temperatura exterior, y este sensor se utiliza principalmente para detectar sobrecalentamientos del dispositivo.

 

El barómetro

 

El barómetro se utiliza para medir la presión atmosférica y es una medida importante para predecir el clima, para medir la altitud o la profundidad de una inmersión. Todos los iPhones recientes tienen un chip barométrico y algunos teléfonos Android también.

 

Los sensores de presión barométrica utilizan una celda aneroide que se expande o contrae a medida que cambia la presión atmosférica. Un pequeño sistema MEMS detecta las variaciones del diafragma de la celda para deducir la presión. Cuanto más se deforma el diafragma, mayor es la presión.

 

El higrómetro

 

El higrómetro o detector de humedad mide la cantidad de vapor de agua presente en el aire ambiente. Los sensores de humedad se utilizan en varias industrias para proteger los equipos y garantizar entornos seguros y cómodos. Algunos teléfonos Android como el Galaxy S4 y S5 han sido equipados con sensores de humedad, pero parece que este sensor no se ha considerado lo suficientemente útil como para integrarlo en los nuevos teléfonos inteligentes.

 

Por lo general, los sensores de humedad contienen un elemento sensor de humedad y un termistor, que se utiliza para medir la temperatura. De hecho, como todos saben ahora desde la crisis energética, la temperatura influye en las mediciones que deben corregirse: ¡el aire seco es más fácil de calentar que el aire húmedo!

 

Hay tres tipos principales de sensores de humedad, pero para teléfonos inteligentes o microcontroladores usamos principalmente el método capacitivo: medimos la capacitancia eléctrica de una pequeña banda de óxido de metal ubicada entre dos electrodos, que cambia con el nivel de humedad en el aire.

 

En general, los sensores ambientales son más útiles como sensores externos que como sensores dentro del teléfono inteligente. Estos sensores externos se pueden mover al exterior o al lugar donde se deben realizar las mediciones.

 

El magnetómetro

 

El magnetómetro permite calcular el campo magnético al que está sometido nuestro portátil. En ausencia de cualquier otro campo magnético (como un imán o un objeto fereromagnético), el magnetómetro da las coordenadas del campo magnético terrestre, lo que permite conocer el norte por ejemplo._cc781905-5cde-3194-bb3b -136bad5cf58d_

 

La ventaja de un magnetómetro MEMS es que consume muy poca energía y, por lo tanto, puede reemplazar al acelerómetro y al giroscopio para calcular la posición de un teléfono inteligente en el espacio. Con una desventaja: si un objeto magnetizado o magnético de hierro está cerca del sensor, su medición se verá afectada y el marco de referencia será incorrecto.

 

Los magnetómetros de los teléfonos inteligentes generalmente usan el efecto Hall o el efecto magnetorresistivo. En el efecto Hall, un campo magnético desvía el flujo de una corriente eléctrica a través de una placa. Los electrones se desviarían hacia un lado de la placa y los polos positivos hacia el otro lado de la placa. Si medimos la diferencia de potencial entre las dos caras de la placa, obtenemos una medida del campo magnético. 

 

Otros sensores utilizan el efecto magnetorresistivo. Estos sensores utilizan materiales sensibles al campo magnético, generalmente compuestos de Hierro (Fe) y Níquel (Ne). Cuando estos materiales se exponen a un campo magnético, su resistencia cambia.

 

GPS

 

El GPS o Sistema de Posicionamiento Global es probablemente la herramienta que más ha revolucionado el desarrollo de aplicaciones móviles. un número incalculable de nuevas aplicaciones han sido posibles gracias a la apertura por parte de los estadounidenses del sistema GPS al público en general en 1995 y la creación de chips GPS lo suficientemente pequeños como para caber en un teléfono inteligente. 

 

El GPS utiliza la diferencia en el tiempo de recepción de señales de diferentes satélites y calcula la posición en la tierra por triangulación. Por lo tanto, para tener una posición precisa, es necesario poder recibir información de varios satélites (al menos 4), lo que excluye aplicaciones dentro de edificios o en el sótano.

 

Los chips GPS permiten deducir mucha información del análisis de la señal: posición (latitud y longitud), velocidad, altitud. también dan un reloj universal así como una estimación de la precisión de las medidas. Con el número adecuado de satélites podemos tener una precisión de menos de 1 metro, con una frecuencia de 1 hercio. 

 

LIDAR

 

LiDAR (Light Detection and Ranging) es un escáner utilizado para medir la distancia entre un objeto y uno mismo. Se utiliza en los smartphones para reconocer rostros al conectarse, para medir distancias para tomar fotografías y ajustar la profundidad de campo, o para calcular la distancia a los objetos y su forma.

 

Emite un haz de luz láser pulsada y calcula el tiempo que tarda esta luz en rebotar en el objeto y ser captada de nuevo por el sensor. A diferencia del radar, que utiliza ondas de radio, LiDAR puede recopilar información en 360°, generando así un conjunto de puntos para recrear en 3D con gran precisión el espacio que rodea a los sensores.

 

Este sistema se ha utilizado durante mucho tiempo en la industria, la seguridad avanzada, la aviación para cartografiar la superficie terrestre e incluso la arqueología para descubrir ruinas enterradas. Se utiliza principalmente en dispositivos Apple recientes y en algunos Android de gama alta.

 

La celula fotoelectrica

 

La célula fotoeléctrica de los smartphones es un pequeño componente que suele estar presente en la parte frontal del dispositivo junto a la cámara y que mide la luz ambiental. Esta medida tiene varias funciones como ajustar el brillo de la pantalla, detectar la noche o ajustar la sensibilidad de la cámara durante las fotos y vídeos.

 

Algunos sensores de luz ambiental también pueden detectar la luminosidad para diferentes longitudes de onda, azul, rojo y verde, así como UV e infrarrojos.

 

Los detectores son fotodiodos o fototransidores que utilizan el efecto fotoeléctrico. Cuando la luz golpea la capa de agotamiento con suficiente energía, ioniza los átomos en la estructura cristalina y genera pares de huecos de electrones. El campo eléctrico existente, debido a la polarización, hace que los electrones se desplacen hacia el cátodo y los huecos hacia el ánodo, dando lugar a una fotocorriente. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz, mayor será la fotocorriente.

 

La cámara tiene múltiples usos para la experimentación científica. Permite medir la luminosidad, analizar los colores, pero también realizar análisis cinemáticos en videos o cronofotografías.

 

Descubre experimentos científicos para hacer con una célula fotoeléctrica

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El sensor fotográfico 

 

Si reunimos miles de células fotoeléctricas en una matriz obtenemos un sensor CMOS (Semiconductor de Óxido de Metal Complementario), y si colocamos una lente frente a este sensor, obtenemos una cámara. Capturar fotografías y películas es uno de los principales usos de los teléfonos inteligentes en la actualidad, hasta el punto de que han reemplazado las cámaras para los no profesionales. Estas imágenes digitales luego se pueden compartir usando tecnología móvil.

 

Si los sensores fotográficos digitales se inventaron en 1969, solo gradualmente se convirtieron en medios esenciales para tomar fotos, cuando la resolución alcanzó los 5 megapíxeles. En los teléfonos inteligentes, es especialmente con la llegada del iPhone y un sensor de calidad que el teléfono inteligente se ha convertido en una herramienta fotográfica y, por supuesto, en una herramienta de creación de videos.

 

En su versión original, el CMOS es un detector en blanco y negro. Para detectar el color, se le agrega un filtro Rojo, Verde, Azul, que filtra las diferentes longitudes de onda. Este filtro, llamado filtro Bayer, permite grabar simultáneamente tres imágenes simultáneas, cada una en un espectro diferente, que se combinarán para mostrar la imagen. 

 

Descubre experimentos científicos a realizar con grabación de vídeo

 

El sensor de frecuencia cardiaca

 

El sensor de frecuencia cardíaca es un dispositivo casi médico que monitorea la frecuencia cardíaca de los pacientes, pero también su nivel de oxígeno en la sangre.

 

Este sensor se basa en el principio de la fotopletismografía, demostrado en 1937 por Hertzman y Spealman (5). Estos dos científicos descubrieron que podían medir las variaciones en la transmisión de la luz a través del dedo usando una celda fotoeléctrica y que estas variaciones permitían estimar con precisión la frecuencia cardíaca._cc781905-5cde-3194-bb3b -136bad5cf58d_

 

Con cada latido del corazón, la sangre se bombea a través de los vasos sanguíneos durante la fase de sístole. Esta acción conduce a un rápido aumento del volumen sanguíneo en los vasos capilares, lo que provoca un ligero aumento del grosor y enrojecimiento de los tejidos, debido a la presencia de hemoglobina en la sangre. Durante la fase diastólica, el flujo de sangre en los tejidos disminuye, lo que los hace menos opacos. Examinando las variaciones de opacidad o color de tejidos suficientemente transparentes, como los de un dedo o el lóbulo de una oreja, es posible determinar las fases de sístole y diástole, y calcular la frecuencia cardíaca.

 

Tenga en cuenta que los sensores emiten una luz verde. La hemoglobina en su forma oxigenada absorbe la radiación verde. Durante las fases de sístole, la radiación verde emitida por la fuente de luz será más absorbida que durante la fase de diástole, durante la cual la sangre está menos oxigenada. El uso de la luz verde permite ampliar el efecto de la fotopletismografía.

 

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El micrófono

 

A menudo tendemos a olvidar el micrófono entre los sensores de los teléfonos inteligentes. Probablemente porque es una tecnología antigua a la que estamos acostumbrados, comparada con las de MEMS. 

 

Inventado en 1876 por Graham Bell, el micrófono no es nuevo y, sin embargo, es un elemento esencial de los sensores de los teléfonos inteligentes, tanto para el intercambio oral, el dictado, como para el análisis de sonido que usamos con FizziQ. .

 

Los teléfonos móviles utilizan pequeños condensadores llamados micrófonos electret. Estos micrófonos requieren muy poca energía para funcionar y también encajan perfectamente en el circuito de un teléfono celular típico.

 

Un micrófono electret es un tipo de micrófono de condensador con una cápsula permanentemente polarizada. Por lo tanto, no requiere una fuente de alimentación externa. Este micrófono se acopla a un preamplificador y luego a un conversor analógico - digital que convierte el sonido en señales digitales.

 

Los micrófonos son capaces de captar las variaciones de presión de la onda sonora a una frecuencia muy alta, aproximadamente 44 000 hercios, o 44 000 datos por segundo, con una resolución de 16 bits, es decir, ¡con una precisión del 0,003 %!

 

A partir de los sonidos del micrófono podemos calcular la frecuencia de una señal sonora, su intensidad, su espectro de frecuencias ou incluso ajustar la curva de onda de sonido como con un osciloscopio.

 

Descubre nuestras actividades científicas sobre el sonido y las ondas sonoras 

 

La pantalla táctil 

 

Otro sensor en el que no se suele pensar y que ha supuesto un avance fenomenal para las herramientas digitales es la pantalla táctil. En los viejos Blackberry había un teclado mecánico, que debo decir te permitía escribir con bastante rapidez. La tecnología de pantalla capacitiva ha permitido crear teclados muy agradables directamente en la pantalla y salvar el lugar del teclado numérico para hacer más grande trans. 

 

Existen dos tecnologías para pantallas táctiles: 

• pantallas resistivas que utilizan dos capas conductoras que entran en contacto cuando se presionan. La ventaja es operar con el dedo desnudo, pero también con un guante, por ejemplo durante una intervención en el campo médico. Las pantallas táctiles resistivas consumen poca corriente eléctrica y tienen un precio bajo, pero tienen una durabilidad media y la superficie exterior es vulnerable a los arañazos.

• pantallas capacitivas que detectan el toque de un dedo. Esto modifica el voltaje del campo eléctrico que se aplica a una capa conductora sobre la placa de vidrio. La ventaja de las pantallas táctiles capacitivas es su larga vida útil, así como su rápido tiempo de reacción táctil, alta resolución (precisión), alta claridad óptica y alta resistencia al polvo, al agua ya los arañazos. Por otro lado, el manejo solo es posible con el dedo desnudo o con un lápiz, y el costo de estas pantallas es mayor.

Hoy en día, casi todos los teléfonos inteligentes están equipados con pantallas táctiles capacitivas, pero algunos equipos médicos continúan utilizando tecnología resistiva, que se puede usar con guantes.

 

El sensor de proximidad

 

El sensor de proximidad detecta cuando un objeto se acerca al teléfono inteligente. Por ejemplo, reduce el brillo de la pantalla cuando llamas. 

 

Existen muchas tecnologías para estos sensores, pero en los teléfonos inteligentes generalmente usamos una combinación de un emisor de luz infrarroja y un receptor de luz infrarroja. Si no hay ningún obstáculo, la luz infrarroja no se reflejará y el sensor no recibirá nada, si hay un objeto, la luz infrarroja se reflejará y será detectada por el receptor. La distancia de detección es baja, menos de 5 cm en general.

 

Están disponibles en casi todos los smartphones en la parte superior de la pantalla. La luz infrarroja pasa a través de este sensor. Cuando un objeto físico entra en contacto con esta luz, la detecta y reacciona ante ella. Por ejemplo, cuando habla por teléfono y se lo acerca a la oreja, la luz infrarroja detecta un objeto físico, es decir, su oreja. Al detectar esto, la luz de la pantalla se apagará automáticamente. Esto ahorra batería y evita el contacto accidental con la pantalla.

 

El lector de huellas dactilares

 

Muchos teléfonos tienen un sensor de huellas digitales para ayudarlo a iniciar sesión rápidamente. 

 

Hay tres tipos principales de lectores digitales: ópticos (escaneo con luz), capacitivos o CMOS (escaneo con condensadores electrónicos) y ultrasónicos (escaneo con ondas de sonido). Aunque la mejor tecnología parece ser el ultrasonido, todos los sensores biométricos pueden ser engañados de una forma u otra, pero generalmente son más seguros y mucho más convenientes que usar un PIN o un diagrama en la pantalla.

 

Las últimas tecnologías utilizan el reconocimiento facial junto con un Lidar, lo que lo hace más seguro que la tecnología de reconocimiento facial por cámara.

 

Los botones

 

¡Por último debemos mencionar los botones! Estos son sensores por derecho propio, ciertamente muy simples, porque solo dan información de sí/no, pero cuando se rompen, es un teléfono inteligente que se puede tirar a la basura. Dado que las teclas de encendido y volumen son las que se usan con más frecuencia, la prueba de clic de botón ve cada botón presionado 100 000 veces, y la tecla de huella digital presionada 1 millón de veces para garantizar que las teclas sean cómodas al tacto, funcionales e intactas.

 

¡Finalmente, es probablemente el botón de encendido el sensor más importante de su teléfono inteligente!