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Smartphone-Sensoren: So funktionieren Fingerabdruckscanner, Gyroskop, Kompass & Co.

Christopher Gabbert 05.11.2017 - 15:00 | 10
Smartphone-Sensoren: So funktionieren Fingerabdruckscanner, Gyroskop, Kompass & Co.

In modernen Smartphones ist eine Vielzahl von Sensoren verbaut. Wie Pulsmesser, Gyroskop, Fingerabdrucksensor & Co. funktionieren und wozu sie dienen, erläutern wir in einem Hintergrundartikel.

Fingerabdrucksensor

Viele aktuelle Smartphones, selbst im Einsteigerbereich, sind mittlerweile mit einem Fingerabdrucksensor ausgestattet. Der hoch komplexe Sensor, der zum Beispiel in die Home-Taste integriert oder auf der Rückseite zu finden ist, besteht aus vielen einzelnen Zellen, die jeweils kleiner sind als eine Fingerrille. Beim Auflegen des Fingers auf den Sensor ändert sich die Kapazität der Sensorzellen abhängig davon, ob die Papillarleiste, also die Erhöhung der Haut, die beim manuellen Fingerabdruck abgebildet wird, oder eine Fingerrille aufliegt. Je nachdem, wie sich die Kapazität der einzelnen Zelle ändert, wird ein Abdruck errechnet und zusammengesetzt.

Mit dem Fingerabdrucksensor ist es möglich, den Abdruck anstelle der Eingabe eines Passwortes oder einer PIN zum Entsperren des Smartphones zu nutzen. Teilweise können damit auch App-Käufe und andere Bezahlvorgänge bewilligt werden. Bei den meisten Smartphones wird der Fingerabdruck in einem unabhängigen System als verschlüsselter Datensatz gespeichert. So soll das Auslesen durch Fremde verhindert werden. 

Fingerabdrucksensor von Qualcomm und Vivo | (c) Vivo
Erste Smartphones mit Fingerabdrucksensor unter im Displayglas werden 2018 erwartet | (c) Vivo

In der Vergangenheit war es trotz aller Sicherheitsmaßnahmen immer möglich, den Fingerabdrucksensor zu überlisten - stellenweise mit erheblichem Aufwand, indem beispielsweise eine Kopie des Abdrucks angefertigt wurde. Absolute Sicherheit bietet also auch der unveränderliche Fingerabdruck des Nutzers nicht. Er macht aber das Entsperren des Smartphones einfacher.

Umgebungslichtsensor

Der Umgebungslichtsensor im Smartphone hat die Aufgabe, das Umgebungslicht zu messen und die Messwerte dem System zu übergeben. Der Sensor besteht aus einer Fotodiode mit einem Farbfilter. Dieser misst die Intensität sowie die Farbtemperatur von Lichtquellen. Entsprechend der Messergebnisse passt das System dann die Bildschirmhelligkeit, Kontraste und Farbsättigung an. Vereinzelt nutzen einige Hersteller zur Anpassung der Displayhelligkeit auch einen Sensor, der die Funktionalität von Umgebungslicht- und Näherungssensor kombiniert. Dieser erfasst allerdings lediglich Lichtveränderungen und passt dann die Helligkeit des Bildschirms an oder schaltet beispielsweise das Display beim Telefonieren ab. Bei diesem Sensor ist eine Anpassung von Kontrast und Farbsättigung durch das Fehlen des Farbfilters nicht möglich.

Näherungssensor

Der Näherungssensor nutzt einen Infrarotstrahl, um zu überprüfen, ob sich etwas dem Smartphone-Display nähert. Je nach Smartphone kann dieser eine Reichweite von bis zu sechs Zentimetern haben. Der Chip sitzt in der Regel oberhalb des Smartphone-Displays neben der Kamera oder Hörmuschel und ist nur einen halben Millimeter dünn sowie zwei mal zwei Millimeter groß. Wird das Smartphone beispielsweise beim Annehmen eines Telefonats zum Ohr geführt, registriert der Sensor die Reflexion der Infrarotstrahlen durch die Wange und die Software schaltet das Display ab. So wird vermieden, dass der Nutzer eine durch eine Berührung versehentlich eine Eingabe macht. 

Beim Telefonieren geht das Display aus | (c) Jeshoots
Beim Telefonieren schaltet der Näherungssensor das Display aus | (c) Jeshoots

Wird das Smartphone wieder vom Ohr entfernt, aktiviert die Software den Touchscreen wieder, da der Strahl nicht mehr reflektiert wird. Dann kann der Nutzer beispielsweise den Lautsprecher aktivieren oder eine Taste drücken. Weil Sonnenlicht aus dem eingehenden Signal herausgefiltert wird, funktioniert das auch bei Tageslicht. Mit dem Näherungssensor kann nicht nur erkannt werden, ob sich der Kopf dem Bildschirm nähert: Der ständig aktive Infrarotstrahl erkennt auch Wisch- und Wedelgesten der Hände.

Beschleunigungssensor

Damit die Software des Smartphones die derzeitige Lage des Geräts erkennen kann, muss diese auf den Beschleunigungssensor zugreifen. Mit dessen Hilfe erkennt es die Geschwindigkeitsabnahme und -zunahme in verschiedene Richtungen. Mit dem Gyroskop zusammen erkennt die Software im Smartphone so die Bewegungsänderung und kann entsprechend auf diese reagieren, indem zum Beispiel der Bildschirm gedreht oder in einem Rennspiel das Fahrzeug gelenkt wird. Auch die Richtung, in die das Smartphone beschleunigt wird, erfasst der Sensor, indem er feststellt, von wo die Schwerkraft auf das Smartphone wirkt. Die Verschiebung der Kräfte wird in der Regel auf drei Achsen gemessen: Der X-Achse (links/rechts), der Y-Achse (oben/unten) und der Z-Achse (vorne/hinten).

Dazu nutzt der Sensor ein mikro-elektro-mechanisches System. In der Mitte des nur drei mal drei Millimeter großen Sensors befinden sich drei wenige Mikrometer breite Siliziumstäbe als Feder. Wird das Smartphone gedreht, bewegen sich die drei Stäbe durch die Trägheit der eigenen Masse und die Position gegenüber der am Rand fest sitzender Elektroden verändert sich. Die Software errechnet dann die Stärke der Beschleunigung aus der sich verändernden elektrischen Kapazität.

Rotationssensor (Gyroskop)

Das Gyroskop misst die rotatorische Geschwindigkeit und somit die Drehbewegungen des Smartphones. Mit dem Beschleunigungssensor zusammen erkennt die Software im Smartphone so die Bewegungsänderung und kann entsprechend auf diese reagieren. Zur Bestimmung der Lage nutzt das Gyroskop die Corioliskraft und das sogenannte Stimmgabelprinzip. Im Sensor - der zirka vier mal vier Millimeter groß ist - werden Metallelemente durch Strom zum Schwingen gebracht. Wird das Smartphone bewegt, verändert sich die Schwingung der Metallelemente, und darum herum angeordnete Kondensatoren registrieren die Veränderung.

Ein Gyroskop ist für Augmented Reality App notwendig

Die Positionsbestimmung im Raum erfolgt dabei um drei Achsen: Der Längsachse, Querachse und Hochachse (Pitch, Yaw, Roll). Im Gegensatz zu den meisten anderen Sensoren im Smartphone übermittelt der Sensor die Daten nicht automatisch. Sie müssen von einer Anwendung abgerufen werden. Das Intervall in welchem das geschieht unterscheidet sich von Smartphone zu Smartphone und variiert zwischen alle 30 Millisekunden und 110 Millisekunden.

Elektromagnetischer Sensor

Dieser Sensor wird auch Hall-Geber genannt. Er registriert, ob beispielsweise eine Schutzhülle mit einem magnetischem Schloss um das Smartphone geöffnet oder geschlossen wird. Beim Öffnen der Hülle aktiviert der elektromagnetische Sensor das Display. Wird die Hülle geschlossen, schaltet der Sensor den Bildschirm wieder aus.

Digitaler Kompass (Magnetometer)

Wie ein analoger Kompass, nutzt auch der digitale Kompass auf dem Smartphone das Magnetfeld der Erde, um die Nordrichtung zu ermitteln. Dafür befindet sich im Smartphone eine Miniatur-Variante des Fluxgate-Magnetometers. Vereinfacht besteht dieses aus hauchdünnen Plättchen mit Metalllegierung, an die eine Spannung angelegt ist. Je nach Position des Smartphones oder Tablets im Verhältnis zum elektromagnetischen Feld der Erde, ändert sich dabei der Leitungsweg der Elektroden. Dieser wird elektrisch ermittelt, vom Betriebssystem ausgelesen und zum Beispiel für die geöffnete Karten-App bereitgestellt.

In der Regel kommt in einem Smartphone aber nicht der digitale Kompass allein zur Ermittlung der Himmelrichtung zum Einsatz. Üblicherweise werden für eine größere Präzision auch die Daten des Barometer zur Höhenmessung und des Beschleunigungssensors zur Ermittlung der räumlichen Position genutzt.

Standortbestimmung über GPS, Glonass, Galileo und Co.

Selbst die günstigsten Einsteiger-Smartphones sind in der Regel in der Lage, den eigenen Standort exakt zu bestimmen. Dafür ermittelt das Smartphone, wie lange die Funksignale von den die Erde umkreisenden Satelliten bis zum Gerät brauchen, berechnet daraus die Entfernung zu den künstlicher Raumflugkörpern und interpoliert so den aktuellen Aufenthaltsort. Über die Veränderung der Entfernung zu den Satelliten kann zudem die ungefähre Geschwindigkeit ermittelt werden, mit der sich das Smartphone, bzw. die Person die es hält, bewegt.

Ein Satellit des Globalen Positionsbestimmungssystem (GPS | (c) USAF
Ein Satellit des Globalen Positionsbestimmungssystem (GPS) | (c) USAF

Dafür muss sich das Smartphone mit mindestens vier Satelliten eines der unterstützten Satelliten-Systeme verbinden. Mit GPS, dem US-amerikanische System für eine weltweite Positionsbestimmung, dem europäische System Galileo, dem russische Satelliten-Netzwerk Glonass und dem chinesische Satellitensystem Beidou, stehen dafür derzeit vier verschiedene dieser Systeme bereit.

Pulssensor/-messer

Ein Sensor zum Messen der Herzfrequenz ist bislang noch eine Seltenheit beim Smartphone. Das Samsung Galaxy S5 hat beispielsweise solch einen Pulssensor an der Rückseite. Hier leuchtet eine LED den aufliegenden Finger an. Durch das in regelmäßigen Schüben durch die Adern pumpende Blut, verändert sich im gleichen Abstand die Farbe des reflektierenden Lichts. Eine Fotodiode misst die Veränderungen der Farbe und gibt diese Informationen an das System weiter, welches daraus die Pulsfrequenz berechnet.

Touchscreen

Auch das Display des Smartphones selbst ist ein Sensor. Der Touchscreen-Sensor misst dabei, an welcher Stelle das Display mit dem Finger berührt wird. In modernen Smartphones kommen dafür fast nur kapazitive Touchscreens zum Einsatz. Im Glas des Smartphones liegen zwei quer zueinander ausgerichtete Gitter aus durchsichtigen elektrischen Leitungen. Das obere der beiden Leitungsgitter sendet stetig elektrische Signale zum unteren Gitter. Wird das Display mit dem Finger berührt, verändert sich die elektrische Kapazität der dazwischen liegenden isolierenden Schicht und das Signal wird an dieser Stelle schwächer. Ein Prozessor errechnet dann die genaue Position, an der das Signal abgefallen ist, und gibt Ort und Dauer der Berührung an die Software des Geräts weiter. Diese wiederum führt dann die entsprechende Aktion auf die Berührung aus.

Touchscreen-Bedienung auf dem iPad | (c) PB
Touchscreen-Bedienung auf dem iPad | (c) PB

Vor mehreren Jahren erschienene Smartphones bieten zum Teil einen resistiven Touchscreen. Diese Art des Touchscreen besteht aus einer Schicht aus Polyester und einer darunter liegenden Schicht aus Glas. Eine der beiden Schichten, zum Beispiel die untere Glasschicht, wird unter Gleichspannung gesetzt. Wird auf das Display getippt, werden beide Schichten zusammengedrückt, die Spannung an der oberen Polyesterfolie gemessen und daraus die Position der Druckstelle ermittelt.

Gesichtserkennung

Die Gesichtserkennung dient auf Smartphones wie dem Samsung Galaxy Note 8 oder auch iPhone X als Alternative oder gar einzige Möglichkeit, das Smartphone zu entsperren. Jeder Hersteller benutzt dabei unterschiedliche Arten, das Gesicht des Nutzers zu analysieren und später auszulesen.

Face ID auf dem iPhone X | (c) Apple/AM
Face ID auf dem iPhone X | (c) Apple/AM

Auf dem iPhone X kommen dafür ein Punktprojektor, eine Infrarotkamera sowie ein Infrarotbeleuchter zum Einsatz, um eine dreidimensionale Gesichtserkennung zu ermöglichen. Wie das Face ID genannte Feature funktioniert, haben wir bereits an dieser Stelle im Detail erklärt.

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Kommentare
  1. 06.11.17 10:22 IchBinNichtAreamobile.de (Advanced Handy Master)

    @nohtz: Da zeigen sich schon die Limitierungen von FaceID. Besonders präzise ist es nicht und kann es auch gar nicht sein, wenn der Komfort noch gewährleistet werden soll. Am Ende hat man also weniger Komfort und weniger Sicherheit also ein Win-Win ... oh warte

  2. 05.11.17 21:24 nohtz (Professional Handy Master)

    es können sich 2 menschen dieselbe face-id teilen, die nicht eineiige zwillinge sind.
    autsch

    http://de.engadget.com/2017/11/05/eigenwilliger-face-id-bug/

  3. 05.11.17 17:01 foetor (Expert Handy Profi)

    @Antiappler
    :P

    Es gehen auch noch andere Körperteile bei einem Fingerscanner :D ob man alles testen will wage ich aber zu bezweifel :P
    https://www.android-user.de/penis-statt-fingerabdruck-galaxy-s7-laesst-sich-auch-so-und-anders-entsperren/

    Edit: ich denke bei Face ID wird bei gewissen Leuten auch ein „Arsch“ reichen um das Handy zu entsperren :P

  4. 05.11.17 16:32 Antiappler (Handy Profi)

    @foetor

    "@Antiappler
    Naja sie funktioniert nur mit meiner :D bei meiner Freundin entsperrt es sich nicht :P"

    Ha ha ha. Sehr gute Antwort. So etwas nenne ich mal eine wirkliche Innovation. :-D

  5. 05.11.17 15:50 foetor (Expert Handy Profi)

    @Antiappler
    Naja sie funktioniert nur mit meiner :D bei meiner Freundin entsperrt es sich nicht :P

  6. 05.11.17 15:43 Antiappler (Handy Profi)

    @foetor

    "Mein Touch ID funktioniert sogar mit meiner Nase :D"

    Ist so etwas nicht ein ganz großer Bug?

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