Werde Teil der Community - Registriere dich jetzt kostenlos! | Login
Anzeige
 

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

Smartphone-Sensoren: So funktionieren Fingerabdruckscanner, Pulsmesser, Gyroskop & 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

Immer mehr Smartphones wie zum Beispiel das Samsung Galaxy S6 oder das iPhone 6s sind mit einem Fingerabdrucksensor ausgestattet. Der hoch komplexe Sensor, der in die Home-Taste integriert 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. 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.

Pulssensor

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.

Samsung Galaxy S5 Hands-on Areamobile-Redaktion | (c) Areamobile
Der Pulssensor des Samsung Galaxy S5

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. 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.

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.

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.

Touchscreen des Smartphones

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 | (c) Areamobile
Touchscreen-Bedienung

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.

Kommentar schreiben

Die Kommentarfunktion ist hier leider nur für angemeldete Benutzer freigegeben.

Du bist nicht dabei?
Werde Teil der Community
Registriere Dich jetzt kostenlos! | Login
Sichere Dir Deinen Usernamen, damit Deine Beiträge und Bewertungen nicht verloren gehen.
 
Kommentare
  1. 06.11.15 16:36 Whiskas (Advanced Member)

    Schöner, mal sehr erklärender Bericht. Gern mehr von solchen Artikeln.

  2. 05.11.15 20:12 Christopher Gabbert (areamobile.de)

    @hnad
    Nein, ich denke nicht. Da muss der Bildschirm so reflektiert haben, dass ich es nicht sehen konnte. ;)

  3. 05.11.15 18:00 hnad (Youngster)

    Ist das zu extremes Klugscheißen, wenn ich sage, dass es Reflexion und nicht Reflektion heißt?

antworten
Anzeige
Aktuelle Geräte im Test
Anzeige