Sensores en celulares

Presentación sobre los diferentes sensores que pueden encontrarse en los smartphones y una breve explicación del funcionamiento de cada uno. Act: nov 2015

1. CÓMO INFLUYE EN LA EXPERIENCIA
DE USUARIO LA MEDICIÓN
DE VARIABLES FÍSICAS
Los sensores de los celulares
Maestría en Física Contemporánea –UNLP
Materia: Física multidisciplinaria, a cargo del profDr. Sciutto
Trabajo de la Ing. Juana Gallego

2. Terminología
Transductor: es un dispositivo que convierte una
forma de energía a otra.
Sensor: es un transductor que convierte un
fenómeno físico en una señal eléctrica. Es una
interfaz entre el mundo físico y el informático
Actuador: es un transductor que convierte una señal
eléctrica en un fenómeno físico.

3. Tipos de sensores
La acción del ambiente sobre un sensor causa que este
genere una señal:
Eléctrica, que se mide directamente:
Tensión eléctrica (voltaje) (V)
Corriente (I) o carga (Q)
En un parámetro eléctrico que podemos medir:
Cambios de resistencia: V ~ I
Cambios de capacitancia: V ~ ∫I dt, I ~ dV/dt
Cambios de inductancia: V ~ dI/dt, I ~ ∫V dt

4. Los sensores de los celulares
Los celulares poseen una variedad de sensores para
interactuar con no sólo con el usuario sino con el
medio en que se encuentran.
Esto es transparente a la mayoría de sus propietarios.
¿Cuáles son esos sensores?
Tecnología MEMS:
ASIC (application-specific
integratedcircuit) + Sensor

5. Micrófono
Empecemos por el más antiguo: Los micrófonos, que
nos permiten tener una conversación telefónica.

6. Micrófono
Los celulares usan micrófonos MEMS
Tienen dos membranas conductoras, una encima de
la otra que actúan como capacitores.
Las vibraciones producidas (diferencias de presión)
producidas por los sonidos hacen que la capacidad
cambie

7. Pantalla táctil
Los smartphonesse caracterizan por sus pantallas
táctiles: el sensor que indica dónde está apoyado
nuestro dedo, que permite acceder a los comandos
de todas las aplicaciones actuales.

8. Pantalla táctil
Resistiva Capacitiva
(ya no se usa)

9. Acelerómetro
Eselencargadodeconocerlaorientacióndel
dispositivo.

10. Acelerómetro
Emula pequeños tubos con muelles y bolas de forma
que cuando movemos el dispositivo, las bolas
comprimen o expanden los muelles para definir la
posición.

11. Acelerómetro
El componente de fabricación principal es el silicio.

12. Giroscopio
Se basa en el principio de conservación de momento
angular
Lo que mide es la variación la velocidad angular o de
rotación del dispositivo móvil.

13. Giroscopio
Cuando el usuario rota el celular, la masa de prueba se
desplaza en las direcciones X, Y yZ debido a fuerzas de
Coriolis(marco de referencia no inercial).
Luego un procesador ASIC mide indirectamente el
desplazamiento de la masa de prueba a través de la
variación de la capacidad de una red de capacitores.

14. Giroscopio
Así se ven las partes microscópicas dentro del celular:

17. Acelerómetro vs. Giroscopio
Acelerómetro:
Mide aceleraciones lineales
No reconoce la diferencia entre gravedad y otra aceleración
Giroscopio:
Mide aceleraciones rotacionales
No reconoce movimientos lineales
A + G: Se complementan para caracterizar el
movimiento del celular

18. Magnetómetro
Estesensorescapazdedetectar
camposmagnéticos.
Hayalgunasaplicacionesquelousan
paradetectarmetales.
Tambiénesutilizadoparabloquearel
celularantecamposmagnéticos
importantesquepuedanafectarsu
funcionamiento.

19. Magnetómetro
Utiliza el efecto Hall (*) para detectar el campo magnético de la
Tierra en los tres ejes (X, Y yZ).
El sensor de Efecto Hall produce una tensión que es proporcional a
la magnitud y polaridad del campo magnético a lo largo del eje en
donde cada sensor se direcciona.
La tensión es convertida a señal digital representando la intensidad
del campo magnético
Otras tecnologías incluyen dispositivos resistivos que cambian su
resistencia según los cambios en el campo magnético.
(*)SeconocecomoefectoHallalaaparicióndeuncampoeléctricopor
separacióndecargasenelinteriordeunconductorporelquecirculauna
corriente,enpresenciadeuncampomagnéticoperpendicularalmovimiento
delascargas.Estecampoeléctricoquetambiénesperpendicularal
movimientodelascargasyalcampomagnéticoaplicadoyse
denominacampoHall.

20. Sensor de proximidad
Este sensor puedemedir la distancia que existe entre
el equipo y algún otro objeto, como por ejemplo
nuestro cuerpo.
Cuando acercamos el equipo a nuestra oreja para contestar
una llamada, el dispositivo apaga la luz de la pantalla para
ahorrar batería y para no tocar comandos de pantalla por
accidente.
Sensor de
proximidad

21. Sensor de proximidad
Estos sensores de proximidad se basan en unLED
infrarrojoy también en unreceptor IR.

22. Sensor de luz
Su función esdetectar la intensidad de la luzdel
ambiente paraajustar el brillo de la pantalla. Cuando sea
utilizado en un área muy iluminada, la pantalla aumentará su
brillo, por el contrario, opacará la pantalla cuando sea
utilizada en áreas más oscuras. Debido a su diseño, los
cambios de brillo se realizan de modo gradual a fin de evitar el
parpadeo y es posible que no los advierta fácilmente.
Esta función es muy importante para el ahorro de batería de
los celulares
En algunos modelos, el sensor es RGB, es decir quedetecta
varios colores(en concreto detecta el rojo, elazul, el verde y
el blanco)en la luz paraajustar el brilloen pantalla de
forma eficaz ymejorar la nitidez.

23. Sensores de luz UV e IR
Sensor ultravioleta: Fue una de las grandes
novedades del Samsung Galaxy Note 4 y permite
conocer en todo momento el riesgo que sufre nuestra
piel expuesta a los rayos solares. Solo bastan unos
segundos y el sensor “mirando” al sol para conocer si
debemos echarnos crema o alejarnos de la luz.
Sensor infrarrojo: Presente en bastantes
dispositivos de nueva generación, este sensor
permite controlar ciertos dispositivos del hogar como
televisores o máquinas de aire acondicionado,
actuando como control remoto.

24. Barómetro
Los últimos smartphonesde gama alta también son
capaces de medir lapresión atmosféricaa través
de este sensor. Los datos que mide el dispositivo
sirven para determinar en qué nivel por encima del
mar se encuentra el teléfono, lo que se traduce en
lamejora de la precisión del GPS. Los primeros
smartphonesen utilizarlo fueron el Motorola XOOM
y el Samsung Galaxy Nexus.

25. Barómetro
Usamostransductoresqueconviertenlapresiónentensión
mediantediversosmétodos:
Medidoresdedeformación(StrainGauges):basadosenla
variaciónderesistenciadeunconductorosemiconductor
cuandosufredeformacionesmec.
Diafragmascapacitivos:actúancomolosplatosdeun
capacitor.Ladeformacióncambiaelespacioentreplatos.
Piezo-resistivo:Sondiafragmas
microscópicos de silicona con strain
gauges piezo-resistivos entre ellos

26. Termómetro
Este sensor suele estar presente en todos los
dispositivos móviles, incluso algunos cuentan con
varios. Una de sus principales funciones es la de
controlar la temperatura interior del
dispositivo y la batería para evitar daños.
Mide el cambio en un parámetro que es proporcional
a la temperatura. Por ejemplo un cambio en un
potencial o en una corriente
Puede ser por contacto o sin contacto

27. Sensor de humedad del aire
Mide la cantidad de agua que hay en el ambiente.
Se utiliza, por ejemplo, en la aplicación S Healthde
Samsung para saber si el usuario está o no en su
'zona de confort', es decir, si hay latemperatura
óptima de aire y humedad.
Los sensores de humedad pueden ser capacitivos o
resistivos.
Pueden medir humedad relativa, absoluta o punto de
rocío.

28. Podómetro
Siguiendo con el tema de la salud, este sensor es el
encargado demedir con precisión los pasos
que da el usuario. El Nexus5 de Google es uno de
los pocos teléfonos que tiene un verdadero
podómetro incorporado, ya que normalmente se
encuentra en los 'wearables', como las pulseras
cuantificadoras o los 'smartwatches'.

29. Pulsómetro
Sirveparamedirlaspulsaciones.ElGalaxyS5,lo
incorporaensupartetraseraparamedirelritmo
cardiacodelusuarioatravésdelosvasossanguíneos
delosdedos.
Elfuncionamientodeunsensorderitmocardiacose
basaenloscambiosdecolorcuandoeldedo
estáiluminadoporelflashLED.Esdecir,
cuandotenemosunapulsación,hayunmomentoen
elquenuestrodedooscureceyesecambio,lodetecta
laaplicación.

30. Sensor de huellas digitales
Setratadeunadelasúltimascaracterísticasincorporadas
paratemasdeseguridadmóvil.
EliPhone5SyelSamsungGalaxyS5cuentanconunsensor
dehuellasdactilaresquepermitedarlemuchosusos,como
eldesbloqueodepantalla
o para pagar con el móvil.
El usuario desliza o apoya
su dedo en el smartphoney
este reconoce su huella.

31. Sensor de huellas digitales
Estesensorseencargadeescanearnuestra
huelladactilarpropiayúnicadecadapersonayla
usacomométododedesbloqueodeldispositivo.Nos
olvidaríamosdepatrones,PINocontraseñasy
usaríamosunacontraseñaúnica,nuestrahuella.
Estaseriededetectoresdehuellassebasan
ensensorescapacitivos,quereconocenlaslíneas
denuestrahuellaylasrecopilaenunaimagendigital
quealmacenaránparacompararlaconcadadedo
queintentedesbloquearnuestrodispositivo.

32. Android y los sensores
Tipo
CONSTANTE
Utilidad dim.
desde
API
acelerómetro
TYPE_ACCELEROMETER
medir aceleraciones por grave-dad y cambios de
movimiento
3 3
campo magnético
TYPE_MAGNETIC_FIELD
brújula, detectar campor magnéticos 3 3
giroscopio
TYPE_GYROSCOPE
detectar giros 3 3
orientación
TYPE_ORIENTATION
indicar dirección a la que apunta el dispositivo3 3
luz ambiental
TYPE_LIGHT
ajustar iluminación pantalla 1 3
proximidad
TYPE_PROXIMITY
si hay un objeto a menos de 5 cm (al hablar por
teléfono)
bool
eano
3
Android permite acceder a los sensores internos del dispositivo a través de las
clasesSensor,SensorEvent,SensorManager, y la interfazSensorEventListener,
del paqueteandroid.hardware.
La clase Sensor acepta ocho tipos de sensores. Los sensores disponibles varían
en función del dispositivo utilizado:

33. Android y los sensores
presión atmosférica
TYPE_PRESSURE
altímetro, barómetro 1 3
temperatura interna
TYPE_TEMPERATURE
evitar sobrecalentamientos
(obsoleto desde API14)
1 3
gravedad
TYPE_GRAVITY
medir la aceleración debida a la
gravedad
3 9
acelerómetro lineal
TYPE_LINEAR_ACCELERATION
medir aceleraciones descontando la
gravedad
3 9
vector de rotación
TYPE_ROTATION_VECTOR
detectar giros 3 9
temperatura ambiental
TYPE_AMBIENT_TEMPERATURE
medir la temperatura del aire 1 14
humedad relativa
TYPE_RELATIVE_HUMIDITY
medir el punto de rocío, humedad
absoluta y relativa.
1 14

34. Constante evolución
La tecnología avanza todos los días, y aunque no todos
los desarrollos llegan al mercado y a nuestras manos,
es fascinante explorar el rico mundo de los celulares,
una herramienta poderosa.
Para testear qué sensores tiene tu celular, recomiendo
bajar esta aplicación:
Sensor box
(para Android)

35. Los sensores de los celulares
La información recopilada en esta presentación se
encuentra actualizada a noviembre de 2015.
Diversas fuentes en internet fueron consultadas, desde
publicaciones de divulgación a manuales de celulares.
¡Gracias por tu atención!
Ing. Juana I. Gallego
[email protected]