Beschleunigungsmesser MEMS-Integration treibt Sensor-Anwendungen

Mit Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser im Smartphones kommen die Sensoren zum Einsatz
Mit Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser im Smartphones kommen die Sensoren zum Einsatz

Im Jahr 2007 baute Apple einen Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser in sein erstes iPhone ein. Alles, was er zu dieser Zeit tat, war die Erkennung von Hoch- oder Querformat, um das Bild für den Benutzer -automatisch zu drehen. In neusten Smartphones kommen Sensoren zum Einsatz, die neun Achsen oder mehr abdecken und damit ganz neue Funktionen ermöglichen.

Wie bei vielen anderen Innovationen war Apple auch hinsichtlich der Beschleunigungsmesser nicht der Erste, da einige Handys auf asiatischen Märkten bereits vor dem ersten iPhone Motion-Sensing-MEMS-Chips verwendet hatten. Erst der iPhone-Beschleunigungsmesser machte Motion Sensing jedoch im Mobilgeräte-Markt allgegenwärtig.

Im Jahr 2013 bekam das von LG gefertigte Google Nexus 5 ein Sechs-Achsen-Gyroskop MPU-6515 von InvenSense, einen elektronischen Drei-Achsen-Kompass AK8363 von Asahi Kasei Microdevices (AKM) und ein Zwei-Achsen-Gyroskop IDG-2020 von Inven­Sense für die optische Bildstabilisierung spendiert. Ein Sechs-Achsen-Gyroskop kann die Lage bezüglich Längs-, Quer- und Hochachse sowie eine Bewegung entlang dieser Achsen erkennen (Bild 1). Sensor-Hersteller integrieren ein Drei-Achsen-Magnetometer (Kompass) und ein Sechs-Achsen-Gyroskop in ein einziges Package, wodurch Neun-Achsen-Produkte entstehen.

MEMS (mikroelektromechanische Systeme) gibt es in elektronischen Geräten schon seit Jahren, aber ihre Verwendung in Smart­phones, Tablets und Wearables steht für neue Anwendungen und neue Nutzungsmodelle. MEMS-Sensoren liefern eine Reihe von Funktionen, beginnend mit Beschleunigungsmesser, Kreisel und Kompass, die in High-End-Mobilgeräten immer gemeinsam verbaut werden. Druck- und Feuchtigkeitssensoren finden sich ebenso, um eine bessere Positionsbestimmung und Fitness Tracking zu ermöglichen. Designer integrieren eine Vielzahl von Bewegungsmeldern, indem sie Trägheitssensoren, Beschleunigungsmesser, Kreisel und Vibrationsmessung in einem einzigen Package kombinieren (Vibrationssensoren sind separate Beschleunigungsmesser – in der Regel piezoelektrisch – mit Firmware, die hochfrequente Bewegungen, die außerhalb der normalen Beschleunigungsdaten liegen, detektieren).

Package-Größe und Leistungsaufnahme sinken stetig, so dass Always-on-Funktionen ermöglicht werden. Zum Beispiel nimmt die aktuelle Generation von Boschs Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser BMA355 typischerweise 130 µA im Normalbetrieb auf, während das Bosch SMB360 aus dem Jahr 2005 noch 600 µA zog. Sensor-Hubs inte­grieren Low-Power-Mikrocontroller, die Daten von verschiedenen Sensoren zusammenführen, ohne die Haupt-CPU aufzuwecken. Geräte-Entwickler kombinieren sogar Mikrocontroller und Sensoren in kleinen Packages, die relativ wenig Energie benötigen und so für Wearables geeignet sind.

Ein Smartphone kann mehrere Sensoren enthalten. Ähnliche Chips können unterschiedliche Funktionen erfüllen. Zum Beispiel könnte ein Smart­phone zwei unterschiedliche Gyroskope haben: eines für Bewegungssteuerung und Positionsbestimmung und eines für die optische Bildstabilisierung zur Unterstützung des Kamera-Sensors. Der Bandbreitenbedarf und unterschiedliche Größenordnungen bei den Daten verhindern, dass ein Gyroskop beide Funktionen erfüllen kann.

Wachsende Sensor-Anwendungen

Die ersten Smartphones mit Sensoren – typischerweise Beschleunigungsmesser – ermöglichten Anwendungen, die etwas abstrus erschienen, wie z.B. Samsungs Versuch, eine Sprachausgabe mittels Schwenken des Telefons durch die Luft zu erreichen. Im Gegensatz dazu war die Auto-Rotations-Funktion des ersten iPhone fast schon langweilig, aber sie war wenigstens wirklich nützlich. Mehr praktische Anwendungen sind seit jenen frühen Anwendungsfälle entstanden: Das Zählen von Schritten für Fitness-Apps ist sowohl in Smart­phones als auch Armbändern Standard. Apps, die Smart­phones als Wasserwaagen nutzen, gibt es ebenfalls zahlreich. Neue Anwendungen werden mit neuen Sensor-Typen kommen.

Eine Anwendung, die ihren Weg in Handheld-Geräte finden wird, ist eine optische Bildstabilisierung (OIS) für Kamera-Sensoren. OIS wurde in Handheld-Konsum-Kameras und professionellen Digitalkameras populär und kommt jetzt in die Smart­phones. Lenovos Android-basiertes Handy Vibe Z2 Pro und LGs G3 bieten diese Funktion, die bessere Bilder bei schlechten Lichtverhältnissen verspricht. OIS verwendet typischerweise ein Zwei-Achsen-MEMS-Gyroskop, das Daten zu einem dedizierten OIS-Con­troller liefert, der wiederum Aktoren steuert, um den Sensor physisch zu bewegen und dadurch die Benutzerhandbewegung zu kompensieren.

Indoor-Navigation ist eine weitere Anwendung, die kurz vor dem Durchbruch steht. Eine genaue Indoor-Navigation ist in großen Strukturen wie Einkaufszentren, Bürogebäuden, Stadien und Flughäfen nützlich. Sie erfordert Eingaben von mehreren Sensoren einschließlich Bewegungssensoren, Kompass und Drucksensoren. Drucksensoren können Höhenunterschiede detektieren, die in die derzeitige Etage des Benutzers im Gebäude übersetzt werden. Während die Funktion für Reisende und Käufer „nur“ den Komfort erhöht, können diese Daten für Einsatzkräfte wie Feuerwehrleute erfolgskritisch sein.

Das kontextabhängige Arbeiten ermöglicht eine Reihe von Möglichkeiten. Eingebaute Beschleunigungsmesser und Kreisel können erkennen, ob ein Telefon in eine Tasche oder Geldbörse gesteckt wurde, und schalten es automatisch in einen Deep-Sleep-Modus bei weiterhin aktivem Schrittzähler. Der Kreisel kann erkennen, ob das Telefon auf einer ebenen Fläche wie einem Schreibtisch liegt, was eine Deaktivierung von GPS möglich macht.

Digitale Kompasse, GPS und Bewegungserkennungssensoren ermöglichen Augmented-Reality- (AR) Funktionen. Zum Beispiel ermöglicht es AR, Interaktionen in einer virtuellen Umgebung mit denen in der realen Welt zu verbinden. Spiele sind ein gutes Beispiel, z.B. Rollenspiele, die in der realen Welt stattfinden. Darüber hinaus kann AR berühmte Wahrzeichen mit Informationen überlagern, die detaillierte Geschichten darüber erzählen. Fitness-Enthusiasten mit am Kopf getragenen AR-Geräten könnten laufen oder Fahrrad fahren und dabei auf ihren Displays Echtzeit-Daten über die Steilheit des Hanges und andere Gelände-Details einblenden lassen. IR-Sensoren sind für die Abstandserkennung nützlich. Zum Beispiel können sie genau den Abstand des Telefons vom Ohr bestimmen und automatisch den LCD-Bildschirm abschalten, wenn der Benutzer einen Anruf tätigt.