In Smartphones ist in der Regel ein Beschleunigungssensor integriert. Der Sensor sorgt unter anderem dafür, dass sich das Display dreht, wenn man das Gerät zur Seite neigt. Wie funktioniert das genau?
Eigentlich ist das Prinzip denkbar einfach. Für einen eindimensionalen „B-Messer“ benötigt man kaum mehr als eine Feder und eine träge Masse. Die Feder wird sich bei jeder Bewegung senkrecht zur Erdanziehungskraft zusammenziehen und ausdehnen. Misst man diese Veränderungen, lässt dies Rückschlüsse auf die Bewegung zu. Ordnet man je einen solchen Sensor in jeder der drei Achsen des Raumes an, kann die Bewegung eines Gegenstandes in drei Dimensionen gemessen werden.
Beschleunigungssensor in Smartphones: So funktioniert es
Ein Beschleunigungssensor in einem Smartphone ist normalerweise ein MEMS (Mikroelektromechanisches System) Sensor, der Bewegungen und Neigungen erkennt. Der Hauptbestandteil dieses Sensors ist ein winziges Massenelement, das von Federn umgeben ist. Wenn das Smartphone beschleunigt wird, bewegt sich dieses Massenelement relativ zu seinem Gehäuse. Die Bewegung wird durch eine Änderung der Kapazität oder des Widerstands gemessen, was dann elektrische Signale erzeugt.
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Der am häufigsten verwendete Typ in Smartphones, der MEMS-Beschleunigungssensor, verwendet die Trägheit des Massenelements, um Änderungen der Beschleunigung zu messen. Wenn das Smartphone beschleunigt wird, versucht das Massenelement, in Ruhe zu bleiben, was eine Kraft auf die Federn ausübt. Diese Kraft wird dann in eine messbare elektrische Größe umgewandelt, die von der Elektronik im Smartphone verarbeitet wird.
Die Daten des Beschleunigungssensors werden von Anwendungen und dem Betriebssystem des Smartphones genutzt, um verschiedene Funktionen zu ermöglichen, wie zum Beispiel:
- Automatische Ausrichtung des Bildschirms (Bildschirmrotation)
- Bewegungserkennung für Spiele und Fitness-Apps.
- Sturzerkennung und automatische Notrufauslösung
- Gestensteuerung für die Bedienung des Smartphones
- Echtzeitnavigation und Schrittzähler in Fitness-Apps
Insgesamt ermöglicht der Beschleunigungssensor eine Vielzahl von Funktionen und verbessert die Benutzererfahrung von Smartphones erheblich.
Woher weiß mein Smartphone, dass ich mich bewege?
Konstrukteure bedienen sich sehr filigraner Technik. Grundsätzlich bildet auch die komplexe Silizium-Konstruktion nur das Prinzip aus träger Masse und Feder ab. In einem winzigen Chip befinden sich drei federnd gelagerte, Kamm-artige Strukturen aus Silizium. Jeder der „Zinken“ dieses Kamms bildet mit zwei weiteren Bauteilen einen Differenzialkondensator. Klingt kompliziert, bedeutet aber nur, dass bei Bewegung des „Kammes“ Strom fließt. Aus der Stärke des Stromflusses wiederum lässt sich die Bewegung errechnen.
In dem englischsprachigen YouTube-Video des „Engineerguys“ wird die Funktionsweise des Bewegungssensors bildlich erklärt:
Beim Zusammenbau machen sich die Ingenieure eine der besonderen Eigenschaften des Elementes Silizium zu Nutze. In diesen Größenordnungen wäre jedes mechanische Werkzeug überdimensioniert, also muss die Chemie helfen. Mithilfe von Kaliumhydroxid, das in Wasser zu Kalilauge gelöst wird, ätzt man sozusagen die nicht benötigten Strukturen aus einem Siliziumblock, so dass nur noch das gewünschte Bauteil übrig bleibt. Kontrollieren lässt sich der Vorgang aufgrund der besonderen Kristallstruktur des Silizium. Sie bewirkt, dass die Kalilauge „umgekehrte Pyramiden“ in das Material wäscht. Ist das Ganze einmal präzise ausgerechnet, kann die Herstellung der Sensoren sehr leicht automatisiert werden, was natürlich die Kosten enorm senkt.
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