State of the Art: Sensoren in mobilen Endgeräten


Seminararbeit, 2012

28 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

2 Grundlagen der Sensorik

3 Sensoren in mobilen Endgeräten
3.1 Berührungssensoren
3.1.1 Resistive Berührungssensoren
3.1.2 Kapazitive Berührungssensoren
3.2 Sensoren zur Positions- und Bewegungserfassung
3.2.1 Beschleunigungssensoren
3.2.2 Lagesensoren
3.2.3 Magnetfeldsensoren
3.2.4 Sensorfusion
3.2.5 Lokalisierungssensoren
3.3 Optische Sensoren
3.3.1 Bildsensoren
3.3.1.1 CCD-Bildsensoren
3.3.1.2 CMOS-Bildsensoren
3.3.2 Infrarot-Näherungssensoren
3.3.3 Umgebungslichtsensoren
3.4 Akustische Sensoren
3.4.1 Schallsensoren
3.4.2 Ultraschallsensoren

4 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Wirkprinzip von Sensoren.

Abbildung 3.1: Resistiver Berührungssensor.

Abbildung 3.2: Kapazitiver Berührungssensor

Abbildung 3.3: Beschleunigungssensor

Abbildung 3.4: Coriolis-Effekt

Abbildung 3.5: Bewegungssensor von Bosch®

Abbildung 3.6: CCD-Bildsensor.

Abbildung 3.7: CMOS-Bildsensor

Abbildung 3.8: Farbschichten eines Foveon X3 Bildsensors

Abbildung 3.9: Elektretmikrofon

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einführung

Sensoren spielen eine entscheidende Rolle für die Informationsgewinnung aus der Umwelt, den Prozessen und Verfahren in der Medizin, der Roboter- und Fahrzeugtechnik, der Haushalt- und Bürotechnik. Kein Bereich der Mess-, Steuer-, Regelungs- und Automatisierungstechnik kann ohne Sensoren verwirklicht werden (Hauptmann 1990, Vorwort).

Dank moderner Mikroelektronik und Miniaturisierung werden die Sensoren immer kleiner und leistungsfähiger. So werden sie auch zunehmend in den mobilen Endgeräten eingesetzt und unterstützen die Entwicklung neuer Funktionen und Features. Neue sensorbasierte Interaktionsformen für mobile Endgeräte werden entwickelt, die neben den etablierten Tastatur und Touchscreen verwendet werden können. So können z. B. einige Anwendungen durch die Eigenbewegungen des Gerätes, wie z. B. Nicken, Schütteln oder Drehen, oder durch die Handbewegungen in der Nähe des Gerätes gesteuert werden. Andere Anwendungen „verstehen“ die Sprachkommandos des Nutzers.

Die Auswertung der physikalischen Größe „Bewegung“ spielt insbesondere für die modernen Spielkonsolen eine zunehmende Rolle. Sie dient zur Bestimmung der Bildorientierung, zur Bildstabilisierung und stellt eine Eingabeschnittstelle dar. Außerdem werden die bewegungsgesteuerten Funktionen verstärkt in medizinischen mobilen und portablen Endgeräten zum Patienten-Monitoring oder zur Rehabilitationsüberwachung eingesetzt. Digitale Kameras enthalten Positions- und Lagesensoren, um Fotos und Videos mit Angaben zum Aufnahmeort zu versehen und die genaue Richtung der Kamera zu dokumentieren. Lagesensoren werden auch in TV-Fernsteuerungen eingesetzt, um eine ergonomische Menüführung auf dem Bildschirm zu ermöglichen (Scantec 2010).

Eine Reihe weiterer Sensoren ermöglichen die Realisierung neuer Funktionen und Anwendungen, die zunehmend auch in mobilen Endgeräten eingesetzt werden und die Menschen im Alltag unterstützen. Dabei umfasst der Begriff „mobiles Endgerät“ ein breites Spektrum der Geräte. Sie reichen von Mobiltelefonen und PDAs über die Diagnosetester und andere Geräte zur mobilen Datenerfassung bis zur Informationstechnik eines Fahrzeugs (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) o.J.). In dieser Seminararbeit werden nur mobile Endgeräte aus dem Unterhaltungselektronik-Bereich betrachtet, wie beispielsweise Mobiltelefone, Smartphones, Tablet-PCs oder E-Book-Reader. Ziel dieser Seminararbeit besteht darin, einen möglichst umfassenden Überblick über die in mobilen Endgeräten eingesetzten Sensoren zu vermitteln und dadurch eröffnete Anwendungsmöglichkeiten zu beleuchten. Aus dem Grund der Vielzahl der Hersteller und der rasanten Weiterentwicklung der mobilen Endgeräte kann hier kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden.

2 Grundlagen der Sensorik

Sensoren dienen als Schnittstelle zwischen dem elektronischen System und der Umwelt. Dabei erfassen sie die Kontextinformationen des Systems, die von den Elementen der Mikroelektronik ausgewertet und in ein Ausgangssignal aufbereitet werden.

Der Begriff Sensor stammt aus dem Lateinischen (sensus: Sinn) und ist begrifflich identisch mit (Mess-)Fühlern (Hering und Schönfelder 2012, S. 1; Hesse und Schnell 2011, S. 2). Dabei definieren Hesse und Schnell die Sensoren als „… ein technisches Bauteil, das aus einem Prozess zeitvariable physikalische oder auch elektrochemische Größen erfasst und in ein eindeutiges elektrisches Signal umsetzt“ (2011, S. 2).

Abbildung 2.1 zeigt den modellhaften Aufbau und das Wirkprinzip eines Sensors.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Wirkprinzip von Sensoren

Quelle: in Anlehnung an Hering und Schönfelder 2012, S. 1

Wie in Abbildung 2.1 dargestellt, besteht ein Sensor aus zwei Teilen: dem Sensor-Element und der Auswerte-Elektronik. Das Sensor-Element erfasst die zu messenden nicht-elektrischen Eingangsgrößen und wandelt diese durch naturwissenschaftliche Gesetze in ein elektrisches Ausgangssignal um. Dieses Ausgangssignal wird in der Auswerte-Elektronik durch Schaltungselektronik oder Softwareprogramme in ein Sensor-Ausgangssignal verarbeitet, das zur Steuerung der Aktoren oder Auswertung der Daten verwendet werden kann. Die eventuell entstehenden äußeren Störgrößen können dabei rechnerisch berücksichtigt werden (Hering und Schönfelder 2012, S. 1). Um Sensor-Ausgangssignal in digitaler Form zu erhalten, werden Analog-Digital-Wandler in die Auswerte-Elektronik integriert (Hering und Schönfelder 2012, S. 2).

Sensoren, bei denen mechanische und elektronische Komponenten, also Sensor-Element und Auswerte-Elektronik, als getrennte Einheiten realisiert sind, werden als Konventionelle Sensoren bezeichnet. Im Gegensatz dazu sind bei den so genannten smartsensoren das Sensor-Element und die Auswerte-Elektronik zu einem System zusammengefasst. Smartsensoren haben zum Vorteil, dass sie „…die in einem Sensor steckende (statische und dynamische) Genauigkeit mit den Mitteln der (meist auch digitalen) Mikroelektronik bis zu einem weit höheren Maße [ausnutzen] als konventionelle Sensoren“ (Reif 2010, S. 11).

Es wird zwischen den aktiven und passiven Sensoren unterschieden. Aktive Sensoren wandeln die Messgröße in eine elektrische Größe, ohne äußere Hilfsspannung zu benötigen (z. B. bei Thermoelementen oder piezoelektrischen Sensoren[1] ). Passive Sensoren hingegen müssen mit einer äußeren Hilfsenergie versorgt werden, um diese Umwandlung durchzuführen (z. B. bei der Abstandsmessung durch Ultraschallsensoren) (Hering und Schönfelder 2012, S. 2). Aktive Sensoren können oft nur eine geringe Genauigkeit aufweisen, bei den passiven Sensoren sind hohe Genauigkeiten erreichbar (Hesse und Schnell 2011, S. 2-3).

Bezüglich der zu messenden Signale werden die Sensoren in zwei Gruppen unterteilt. Externe Sensoren nehmen die Messsignale aus der Umwelt auf. Das sind beispielsweise Lichtsensoren, Schall- und Ultraschallsensoren, Kamera usw. Interne Sensoren erfassen die inneren Zustände des Systems, wie z. B. Position und Orientierung, Geschwindigkeiten oder Batteriestand. Beispiele sind u. a. Beschleunigungssensoren, Lagesensoren und Magnetfeldsensoren (Hesse und Schnell 2011, S. 3).

Zur Herstellung der Sensoren werden verschiedene Techniken verwendet, die unterschiedliche Effekte zur Erfassung der Messwerte ausnutzen, wie z. B. piezoelektrischen Effekt, resistive und piezoresistive Effekte, magnetoresistive und magnetostriktive Effekte, Effekte der Induktion, Effekte der Kapazität, thermoelektrischen Effekt, photoelektrischen Effekt u. v. m. Diese und andere Effekte sind z. B. in (Hering und Schönfelder 2012, S. 3-125) ausführlich dargestellt.

3 Sensoren in mobilen Endgeräten

In diesem Kapitel wird ein Überblick über die in mobilen Endgeräten eingesetzten Sensoren vermittelt. Dabei wird insbesondere auf die technische Realisierung des jeweiligen Sensors eingegangen und dadurch eröffnete Anwendungsmöglichkeiten werden erläutert.

3.1 Berührungssensoren

Fast alle mobilen Endgeräte werden heute mit einem Touchscreen bzw. Touchpad ausgestattet. Diese feinfühligen Oberflächen ersetzen die Computermaus und die Tastatur und bieten dem Nutzer eine einfachere Interaktionsform. Für deren Realisierung in mobilen Endgeräten können resistive oder kapazitive Berührungssensoren verwendet werden.

3.1.1 Resistive Berührungssensoren

Resistive Berührungssensoren erfassen den Druck, der auf die Oberfläche ausgeübt wird und nutzen dabei den resistiven Effekt aus. „Der resistive Effekt beschreibt die Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Wiederstandes […] eines Leiters von der mechanischen Spannung […]“ (Hering und Schönfelder 2012, S. 6).

Die berührungsempfindliche Oberfläche eines resistiven Berührungssensors besteht aus zwei halbleitenden Schichten, die durch kleine Abstandshalter voneinander getrennt sind (Abbildung 3.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Resistiver Berührungssensor

Quelle: Geyssel 2011

An beide Schichten wird eine Gleichspannung angelegt. Die Spannungen verlaufen senkrecht zueinander und nehmen von einem Rand zum gegenüberliegenden gleichmäßig ab. Die untere Schicht ist auf einer Grundfläche befestigt. Die obere Schicht ist lediglich mit dem Polyester überzogen. Sie biegt sich bei jedem Berühren nach innen und drückt somit auf die untere Schicht. Dabei ändert sich die Spannung an der Druckstelle. Anhand der Spannungsänderung[2] kann die Position der Druckstelle berechnet werden (Geyssel 2011).

Resistive Berührungssensoren sind nicht multitouch-fähig, d. h. wenn man mit zwei oder mehr Fingern die Oberfläche berührt, wird lediglich die Kontaktfläche der beiden Schichten vergrößert. Die Druckstellen können nicht einzeln erfasst werden. Der weitere Nachteil der resisitiven Berührungssensoren besteht in deren Lebensdauer. Durch ständiges Dehnen und Biegen entstehen in den Schichten die Mikrorisse, die die elektrischen Eigenschaften der Schichten stark beeinträchtigen. Zu den Vorteilen gehört relativ kostengünstige Herstellung der Sensoren. Außerdem lassen sie sich mit beliebigen Gegenständen bedienen (Geyssel 2011).

3.1.2 Kapazitive Berührungssensoren

Ein kapazitiver Berührungssensor benötigt keinen Druck und detektiert Berührungspunkte an der mit Glass geschützten Oberfläche, indem er die Kapazitätsänderungen misst. Eine Kapazität „…gibt an, wie groß die Ladungsmenge […] ist, die bei einer [bestimmten] Spannung […] auf den Kondensatoroberflächen gespeichert werden kann“ (Hering und Schönfelder 2012, S. 32). Kondensatoren sind hierbei „…zwei gegeneinander isolierte, entgegengesetzt geladene Leiteroberflächen beliebiger Geometrie, zwischen denen eine Spannung […] herrscht“ (Hering und Schönfelder 2012, S. 32).

Abbildung 3.2 zeigt den modellhaften Aufbau eines Kondensators, der in Verbindung mit einem Mikrokontroller einen kapazitiven Berührungssensor darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Kapazitiver Berührungssensor

Quelle: Geyssel 2011

So werden die Leiteroberflächen in einem zweischichtigen Gitternetz aufgebaut. Zwischen den Leiteroberflächen befindet sich ein isolierendes Material. An der unteren Seite befindet sich ein Schaltkreis, der ständig die Kapazität an den Kreuzungspunkten des Gitters misst und die Messwerte an den Mikrokontroller weitergibt. Von der oberen Seite ist das Gitternetz durch eine Glasschicht gegen mechanische Störungen geschützt (Geyssel 2011). Somit sind die kapazitiven Berührungssensoren wesentlich robuster, als die resistiven.

Da ein Finger elektrisch leitend ist, fließen die Ladungen an ihm ab, sobald er den Touchscreen berührt. Dadurch ändert sich das elektrische Feld zwischen den Leiteroberflächen und führt zu einer Kapazitätsänderung, die gemessen werden kann. Bewegt sich der Finger über die Oberfläche, so ändert sich Kapazität an mehreren Kreuzungspunkten. Dadurch dass die Kapazität im gesamten Gitternetz (also an allen Kreuzungspunkten) ständig gemessen wird, können die gleichzeitigen Eingaben von mehreren Fingern detektiert werden. Somit ist ein kapazitiver Berührungssensor multitouch-fähig (Geyssel 2011).

Der Nachteil der kapazitiven Berührungssensoren besteht darin, dass sie nur Berührungen von leitenden Gegenständen (nackten Fingern) erfassen können.

3.2 Sensoren zur Positions- und Bewegungserfassung

Neben den Tastatur- und Touchscreen-Eingaben gewinnt auch Bewegungserkennung als eine Interaktionsform immer mehr an Bedeutung. In mobilen Endgeräten werden zur Bewegungserfassung Beschleunigungssensoren, Lagesensoren und/oder Magnetfeldsensoren eingesetzt, die sich gegenseitig ergänzen können, um maximal mögliche Genauigkeit zu erreichen. Außerdem kann die Bewegungserfassung den Lokalisierungssensor bei der Navigation unterstützen.

[...]


[1] Bestimmte Materialien werden durch Einwirkung von äußeren Kräften verformt. Der positive und der negative Ladungsschwerpunkte werden dadurch verschoben und fallen nicht mehr zusammen. An der Oberfläche der Materialien sammeln sich Ladungen. So entsteht eine elektrische Spannung (Hering und Schönfelder 2012, S. 3).

[2] Dadurch dass die Spannungen an beiden Schichten von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand gleichmäßig abnehmen, entsteht bei dem Druck auf unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche Spannungsänderung.

Ende der Leseprobe aus 28 Seiten

Details

Titel
State of the Art: Sensoren in mobilen Endgeräten
Hochschule
Universität Duisburg-Essen
Note
2,0
Autor
Jahr
2012
Seiten
28
Katalognummer
V202648
ISBN (eBook)
9783656289760
ISBN (Buch)
9783656290810
Dateigröße
751 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
sensoren, mobile endgeräte, beschleunigungssensor, bewegungssensor, lagesensor, magnetfeldsensor, accelerometer, gyroskop, kompassensor, bildsensor, schallsensor, sensorik
Arbeit zitieren
Maria Astafjeva (Autor), 2012, State of the Art: Sensoren in mobilen Endgeräten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/202648

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