Entendendo os sensores do seu smartphone

Você sabia que seu smartphone pode conter até quase 20 tipos diferentes de sensores? Neste artigo, nós os revisamos e explicamos para que eles podem ser usados!

 

Conteúdo

Os diferentes tipos de uso de sensores - Tecnologia MEMS - O acelerômetro - O giroscópio - O sensor de orientação - O pedômetro - O termômetro - O barômetro - O higrômetro - O magnetômetro - GPS - LiDAR - a fotocélula - O sensor CMOS - O sensor de frequência cardíaca - O microfone - A tela sensível ao toque -  O sensor de proximidade - O leitor de impressão digital - Botões

 

Os diferentes tipos de uso de sensores

 

Dependendo do tipo de uso, costumamos distinguir 5 categorias de sensores:

 

Os sensores de movimento podem analisar o movimento do telefone: é horizontal ou vertical, se move da direita para a esquerda, vibra ou está em queda livre. São utilizados em jogos ou interações com o smartphone, mas também para detetar situações de emergência como uma queda ou um terramoto. Esses sensores incluem o acelerômetro e o giroscópio.

 

Os sensores ambientais medem dados sobre o mundo externo, como temperatura, pressão atmosférica ou umidade. Nem todos os laptops estão equipados com esses sensores. Alguns estão presentes, mas não são usados para informar o usuário, mas para detectar eventos perigosos para o smartphone, como superaquecimento. Você também pode conectar o telefone a sensores externos, como detectores de partículas finas.

 

Sensores de posição informam o usuário sobre sua posição no espaço. GPS, magnetômetro ou LiDAR permitem que você saiba em que direção seu smartphone está voltado, ou qual é sua posição exata no mapa ou sua altitude. Graças a esses sensores agora é impossível se perder! 

 

Sensores de luz e som detectam e registram informações sobre raios de luz ou ondas sonoras. Podem ser simples como células fotoelétricas ou um microfone, ou mais complexos como grades de células como sensores fotográficos que podem gravar uma imagem ou vídeo em preto e branco ou colorido. 

 

Finalmente, não devemos esquecer os sensores de ação que são usados para detectar uma ação direta do usuário no smartphone. Por exemplo, detectando se um dedo está se aproximando do dispositivo ou se o usuário está usando o dedo na tela. 

 

Tecnologia MEMS

 

Como colocar todos esses sensores em um celular sem que ele fique do tamanho de uma mala?

 

É aqui que entra a tecnologia MEMS, abreviação de Micro Electro Mechanical System. MEMS são pequenos circuitos integrados que compreendem partes mecânicas e eletrônicas integradas. Essa tecnologia foi desenvolvida na década de 1970 e suas vantagens incluem baixo consumo de energia, tamanho pequeno, custo acessível e alta precisão.

 

Como é um acelerômetro MEMS? A foto anexa mostra um exemplo de acelerômetro MEMS em um iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html). 

 

Pode-se observar nesta foto as molas que são utilizadas para a detecção da aceleração, bem como a massa que envolve o objeto. Pode-se também discernir os capacitores orientados ao longo de dois eixos. Esses dois grupos de capacitores são dispostos em ângulos retos para medir a aceleração em duas direções. 

 

Sem a tecnologia MEMS, hoje não teríamos todos esses sensores em smartphones e todas essas possibilidades!

 

O acelerômetro

 

A aceleração é a variação da velocidade em pequenos intervalos de tempo. Muitas vezes é impossível medir a velocidade do smartphone com precisão suficiente, então outro método é usado para medir a aceleração: medir a força exercida em uma parte do smartphone e deduzir a aceleração pelo princípio fundamental da dinâmica._cc781905-5cde- 3194-bb3b-136bad5cf58d_

O acelerômetro não mede diretamente a aceleração do laptop, mas a aceleração a que está sujeita uma pequena massa localizada dentro do laptop e conectada à estrutura do smartphone por uma mola. 

 

Quando o laptop é colocado em movimento, essa pequena massa se moverá e é medindo seu deslocamento por meio de um circuito eletrônico que medimos a aceleração. Se você quiser saber mais sobre as equações matemáticas que entram em jogo,  Siga este link

 

Uma das peculiaridades do cálculo da aceleração pelo método descrito é que inclui a aceleração da gravidade terrestre. Com efeito, se colocarmos o smartphone na vertical, vemos que a mola terá uma tensão igual ao peso da massa. A aceleração medida pelos smartphones é a chamada aceleração absoluta ou também aceleração com g.

 

Existe um outro tipo de "aceleração, chamada aceleração linear ou aceleração sem g. Esta é a aceleração devido unicamente ao movimento do usuário. Para calculá-la, você deve usar outro sensor, o magnetômetro, que permitirá deduzir a aceleração devido ao gravidade do vetor aceleração absoluta.

 

Os acelerômetros de smartphones são muito precisos, em torno de 0,01 m/s2, e fornecem medições na frequência de 150 hertz, ou 150 medições por segundo, um trunfo para medições de qualidade!

 

Descubra quais experimentos científicos fazer com um acelerômetro?

 

O giroscópio

 

Um giroscópio é um instrumento que mede a velocidade de rotação de um objeto. Eles são essenciais para a navegação de aeronaves ou satélites e permitem detectar se estão apontando para cima, para baixo ou para os lados. 

 

Normalmente, um giroscópio consiste em uma roda ou disco que gira em torno de outro disco ou eixo. Este dispositivo mantém sua orientação por causa do efeito giroscópico, e é fácil medir a nova orientação em relação a esta referência.

 

Em celulares, o componente MEMS funciona de maneira semelhante ao acelerômetro, mas com componentes que medem rotação em vez de deslocamento. 

 

Descubra quais experimentos científicos fazer com um giroscópio?

 

O sensor de orientação

 

Se combinarmos os dados fornecidos pelo acelerômetro e o giroscópio, podemos saber a posição do smartphone o tempo todo. Com efeito, a partir da posição inicial do smartphone em repouso, e aplicando a esta posição todos os movimentos lineares e rotativos a que o portátil está sujeito, podemos determinar qual é a sua nova posição a qualquer momento.

 

Nos smartphones, essa função é realizada por um circuito especializado ou por uma função especializada do sistema operacional, chamada de sensor de orientação, que recebe dados do giroscópio e do acelerômetro, além possivelmente do magnetômetro, para calcular a orientação no espaço do Smartphone.

 

É também este circuito que calcula medidas específicas, como aceleração linear.

 

Para saber mais sobre o sensor de orientação e entender como ele determina a orientação do smartphone, você pode seguir este link.

 

O pedômetro 

 

O pedômetro é frequentemente referido como um sensor, mas na verdade o pedômetro não é um sensor em si. Trata-se de um pequeno circuito eletrônico que detecta grandes e regulares variações de aceleração que indicam que o usuário está caminhando. 

 

Quando o movimento é repetido várias vezes, o dispositivo inicia a contagem, o que explica porque sempre há um atraso ao usar um pedômetro.

 

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O termômetro

 

Presente em todos os notebooks, o termômetro permite medir a temperatura ambiente dentro do smartphone. O problema dessa medição é que, à medida que o aparelho esquenta, o termômetro não mede mais apenas a temperatura ambiente, mas também o aquecimento do smartphone e, portanto, a medição é falsa. Por esse motivo, pouquíssimos smartphones permitem o acesso à temperatura externa, sendo esse sensor utilizado principalmente para detectar o superaquecimento do aparelho.

 

O barômetro

 

O barômetro é usado para medir a pressão atmosférica e é uma medida importante para prever o tempo, para medir a altitude ou a profundidade de um mergulho. Todos os iPhones recentes têm um chip barométrico e alguns telefones Android também.

 

Os sensores de pressão barométrica usam uma célula aneróide que se expande ou contrai conforme a pressão atmosférica muda. Um pequeno sistema MEMS detecta as variações do diafragma da célula para deduzir a pressão. Quanto mais o diafragma se deforma, maior a pressão.

 

O higrômetro

 

O higrômetro ou detector de umidade mede a quantidade de vapor de água presente no ar ambiente. Sensores de umidade são utilizados em diversas indústrias para proteger equipamentos e garantir ambientes seguros e confortáveis. Alguns telefones Android como o Galaxy S4 e S5 foram equipados com sensores de umidade, mas parece que esse sensor não foi considerado útil o suficiente para ser integrado a novos smartphones.

 

Normalmente, os sensores de umidade contêm um elemento sensor de umidade e um termistor, que é usado para medir a temperatura. De fato, como todos sabem desde a crise energética, a temperatura influencia nas medições que precisam ser corrigidas: o ar seco é mais fácil de aquecer do que o ar úmido!

 

Existem três tipos principais de sensores de umidade, mas para smartphones ou microcontroladores usamos principalmente o método capacitivo: medimos a capacitância elétrica de uma pequena banda de óxido metálico localizada entre dois eletrodos, que muda com o nível de umidade no ar.

 

Em geral, os sensores ambientais são mais úteis como sensores externos do que como sensores dentro do smartphone. Esses sensores externos podem ser movidos para fora ou para o local onde as medições devem ser feitas.

 

O magnetômetro

 

O magnetômetro permite calcular o campo magnético ao qual nosso laptop está sujeito. Na ausência de qualquer outro campo magnético (como um ímã ou um objeto feromagnético), o magnetômetro fornece as coordenadas do campo magnético da Terra, o que permite conhecer o norte, por exemplo._cc781905-5cde-3194-bb3b -136bad5cf58d_

 

A vantagem de um magnetômetro MEMS é que ele consome muito pouca energia e, portanto, pode substituir o acelerômetro e o giroscópio para calcular a posição de um smartphone no espaço. Com uma desvantagem: se um objeto magnetizado ou ferromagnético estiver próximo ao sensor, sua medição será afetada e o referencial estará errado.

 

Magnetômetros de smartphones geralmente usam o efeito Hall ou o efeito magneto-resistivo. No efeito Hall, um campo magnético desvia o fluxo de uma corrente elétrica através de uma placa. Os elétrons seriam desviados para um lado da placa e os polos positivos para o outro lado da placa. Se medirmos a diferença de potencial entre os dois lados da placa, obtemos uma medição do campo magnético. 

 

Outros sensores usam o efeito magnetoresistivo. Esses sensores utilizam materiais sensíveis ao campo magnético, geralmente compostos de Ferro (Fe) e Níquel (Ne). Quando esses materiais são expostos a um campo magnético, sua resistência muda.

 

GPS

 

O GPS ou Sistema de Posicionamento Global é provavelmente a ferramenta que mais revolucionou o desenvolvimento de aplicações móveis. um número incalculável de novas aplicações foi possível graças à abertura pelos americanos do sistema GPS ao público em geral em 1995 e à criação de chips GPS pequenos o suficiente para caber em um smartphone. 

 

O GPS usa a diferença de tempo de recepção de sinais de diferentes satélites e calcula a posição na Terra por triangulação. Para ter uma posição precisa, portanto, é necessário poder receber informações de vários satélites (pelo menos 4), o que exclui aplicações dentro de edifícios ou no porão.

 

Os chips GPS permitem deduzir muitas informações da análise do sinal: posição (latitude e longitude), velocidade, altitude. eles também fornecem um relógio universal, bem como uma estimativa da precisão das medições. Com o número certo de satélites podemos ter uma precisão de menos de 1 metro, com frequência de 1 hertz. 

 

LiDAR

 

LiDAR (Light Detection and Ranging) é um scanner usado para medir a distância entre um objeto e você mesmo. É usado em smartphones para reconhecer rostos durante a conexão, para medir distâncias para tirar fotos e ajustar a profundidade de campo ou para calcular a distância de objetos e sua forma.

 

Ele emite um feixe de luz laser pulsado e calcula o tempo que essa luz leva para rebater no objeto e ser captada novamente pelo sensor. Ao contrário do radar, que utiliza ondas de rádio, o LiDAR pode coletar informações em 360°, gerando assim um conjunto de pontos para recriar em 3D com grande precisão o espaço ao redor dos sensores.

 

Este sistema tem sido usado há muito tempo na indústria, segurança avançada, aviação para mapear a superfície da Terra e até mesmo arqueologia para descobrir ruínas enterradas. É usado principalmente em dispositivos Apple recentes e em alguns Androids de última geração.

 

A célula fotoelétrica

 

A célula fotoelétrica dos smartphones é um pequeno componente normalmente presente na parte frontal do aparelho ao lado da câmera e que mede a luz ambiente. Essa medição tem várias funções como ajustar o brilho da tela, detectar a noite ou ajustar a sensibilidade da câmera durante fotos e vídeos.

 

Alguns sensores de luz ambiente também podem detectar luminosidade para diferentes comprimentos de onda, azul, vermelho e verde, bem como UV e infravermelho.

 

Os detectores são fotodiodos ou fototransitores que utilizam o efeito fotoelétrico. Quando a luz atinge a camada de depleção com energia suficiente, ela ioniza os átomos na estrutura cristalina e gera pares elétron-buraco. O campo elétrico existente, devido à polarização, faz com que os elétrons se desloquem em direção ao cátodo e os buracos em direção ao ânodo, dando origem a uma fotocorrente. Quanto maior a intensidade da luz, maior a fotocorrente.

 

A câmera tem múltiplos usos para experimentação científica. Permite medir a luminosidade, analisar as cores, mas também realizar análises cinemáticas em vídeos ou cronofotografias.

 

Descubra experimentos científicos relacionados a uma célula fotoelétrica

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O sensor fotográfico 

 

Se juntarmos milhares de células fotoelétricas em uma matriz obtemos um sensor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), e se colocarmos uma lente na frente desse sensor, obtemos uma câmera. Capturar fotos e filmes é um dos principais usos dos smartphones hoje, a ponto de substituírem as câmeras por não profissionais. Essas imagens digitais podem então ser compartilhadas usando a tecnologia móvel.

 

Se os sensores fotográficos digitais foram inventados em 1969, foi aos poucos que eles se tornaram meios essenciais para tirar fotos, quando a resolução chegou a 5 megapixels. Nos smartphones, é sobretudo com a chegada do iPhone e de um sensor de qualidade que o smartphone se tornou uma ferramenta fotográfica e claro, uma ferramenta de criação de vídeo.

 

Em sua versão original, o CMOS é um detector preto e branco. Para detectar a cor, um filtro Vermelho, Verde, Azul é adicionado a ela, que filtra os diferentes comprimentos de onda. Este filtro, chamado de filtro Bayer, permite gravar simultaneamente três imagens simultâneas, cada uma em um espectro diferente, que serão combinadas para exibir a imagem. 

 

Descubra experimentos científicos a serem realizados com gravação de vídeo

 

O sensor de frequência cardíaca

 

O sensor de frequência cardíaca é um dispositivo quase médico que monitora a frequência cardíaca dos pacientes, mas também o nível de oxigênio no sangue.

 

Este sensor é baseado no princípio da fotopletismografia, demonstrado em 1937 por Hertzman e Spealman (5). Esses dois cientistas descobriram que podiam medir variações na transmitância da luz através do dedo usando uma célula fotoelétrica e que essas variações tornavam possível estimar com precisão a frequência cardíaca. _cc781905-5cde-3194-bb3b -136bad5cf58d_

 

A cada batimento cardíaco, o sangue é bombeado pelos vasos sanguíneos durante a fase de sístole. Essa ação leva a um rápido aumento do volume sanguíneo nos vasos capilares, o que causa um leve aumento da espessura e vermelhidão do tecido, devido à presença de hemoglobina no sangue. Durante a fase diastólica, o fluxo sanguíneo nos tecidos diminui, o que os torna menos opacos. Examinando as variações de opacidade ou cor de tecidos suficientemente transparentes, como o dedo ou o lóbulo da orelha, é possível determinar as fases da sístole e da diástole e calcular a frequência cardíaca.

 

Observe que os sensores emitem uma luz verde. A hemoglobina em sua forma oxigenada absorve a radiação verde. Durante as fases da sístole, a radiação verde emitida pela fonte de luz será mais amplamente absorvida do que durante a fase da diástole, durante a qual o sangue é menos oxigenado. O uso da luz verde permite ampliar o efeito da fotopletismografia.

 

Torne-se um especialista em fotopletismografia fazendo esta experiência!

 

O microfone

 

Muitas vezes tendemos a esquecer o microfone entre os sensores do smartphone. Provavelmente porque é uma tecnologia antiga a que estamos acostumados, comparada com as de MEMS. 

 

Inventado em 1876 por Graham Bell, o microfone não é novidade, e mesmo assim é um elemento essencial dos sensores dos smartphones, tanto para troca oral, ditado, mas também para análise de som que utilizamos com o FizziQ. .

 

Os telefones celulares usam capacitores minúsculos chamados microfones de eletreto. Esses microfones requerem muito pouca energia para operar e também se encaixam perfeitamente no circuito de um telefone celular típico.

 

Um microfone de eletreto é um tipo de microfone condensador com uma cápsula permanentemente polarizada. Portanto, não requer uma fonte de alimentação externa. Este microfone é acoplado a um pré-amplificador e depois a um conversor analógico-digital que converte o som em sinais digitais.

 

Os microfones são capazes de captar as variações de pressão da onda sonora em altíssima frequência, aproximadamente 44.000 hertz, ou 44.000 dados por segundo, com resolução de 16 bits, ou seja, com precisão de 0,003%!

 

A partir dos sons do microfone podemos calcular a frequência de um sinal sonoro, a sua intensidade, o seu espectro de frequência ou até mesmo ajustar a curva de onda sonora como com um osciloscópio.

 

Conheça nossas atividades científicas sobre som e ondas sonoras 

 

A tela sensível ao toque 

 

Outro sensor que muitas vezes não é pensado e que tem sido um avanço fenomenal para ferramentas digitais é a tela sensível ao toque. Nos antigos Blackberrys havia um teclado mecânico, que devo dizer que permitia digitar rapidamente. A tecnologia de tela capacitiva tornou possível criar teclados muito agradáveis diretamente na tela e salvar o lugar do teclado numérico para fazer trans. 

 

Existem duas tecnologias para telas sensíveis ao toque: 

• telas resistivas que usam duas camadas condutoras que entram em contato quando pressionadas. A vantagem é operar com o dedo nu, mas também com luva, por exemplo durante uma intervenção na área médica. As telas sensíveis ao toque consomem pouca corrente elétrica e são baratas, mas têm apenas durabilidade média e a superfície externa é vulnerável a arranhões

• telas capacitivas que detectam o toque de um dedo. Isso modifica a tensão do campo elétrico que é aplicado a uma camada condutora acima da placa de vidro. A vantagem das telas de toque capacitivas é sua longa vida útil, bem como rápido tempo de reação ao toque, alta resolução (precisão), alta clareza óptica e alta resistência a poeira, água e arranhões. Por outro lado, o manuseio só é possível com o dedo nu ou com uma caneta, e o custo dessas telas é maior.

Hoje quase todos os smartphones estão equipados com telas de toque capacitivas, mas alguns equipamentos médicos continuam a usar tecnologia resistiva, que pode ser usada com luvas.

 

O sensor de proximidade

 

O sensor de proximidade detecta quando um objeto está se aproximando do smartphone. Por exemplo, reduz o brilho da tela quando você telefona. 

 

Existem muitas tecnologias para esses sensores, mas em smartphones geralmente usamos uma combinação de um emissor de luz infravermelha e um receptor infravermelho. Se não houver obstáculo, a luz infravermelha não será refletida e o sensor não receberá nada, se houver um objeto, a luz infravermelha será refletida e será detectada pelo receptor. A distância de detecção é baixa, menos de 5 cm em geral.

 

Eles estão disponíveis em quase todos os smartphones na parte superior da tela. A luz infravermelha passa por este sensor. Quando um objeto físico entra em contato com essa luz, ele a sente e reage a ela. Por exemplo, quando você fala ao telefone e o coloca no ouvido, a luz infravermelha detecta um objeto físico, ou seja, seu ouvido. Ao detectar isso, a luz da tela será desligada automaticamente. Isso economiza bateria e evita contato acidental com a tela.

 

O leitor de impressão digital

 

Muitos telefones têm um sensor de impressão digital para ajudá-lo a fazer login rapidamente. 

 

Existem três tipos principais de leitor digital: óptico (varredura com luz), capacitivo ou CMOS (varredura com capacitores eletrônicos) e ultrassônico (varredura com ondas sonoras). Embora a melhor tecnologia pareça ser o ultrassom, todos os sensores biométricos podem ser enganados de uma forma ou de outra, mas geralmente são mais seguros e muito mais convenientes do que usar um PIN ou um diagrama na tela.

 

As tecnologias mais recentes usam o reconhecimento facial acoplado a um Lidar, o que o torna mais seguro do que a tecnologia de reconhecimento facial por câmera.

 

Botões

 

Finalmente, devemos mencionar os botões! São sensores à parte, certamente muito simples, porque dão apenas informações sim/não, mas quando quebram é um smartphone que pode ser jogado no lixo. Uma vez que as teclas de energia e volume são as mais usadas, o teste de clique do botão vê cada botão pressionado 100.000 vezes e a chave de impressão digital pressionada 1 milhão de vezes para garantir que as teclas sejam confortáveis ao toque, funcionais e intactas.

 

Finalmente é provavelmente o botão de ignição que é o sensor mais importante do seu smartphone!