Sensoren in Smartphones und Wearables: Wozu sind diese überhaupt gut?

Barometer, Accelerometer, Fingerabdrucksensor, Gyroskop und sogar GPS – in heutigen Smartphones stecken unglaublich viele, winzige Detektoren und Fühler, die Informationen sammeln. Aber wozu sind diese gut? Ein Überblick.

Ein Sensor ist zuallererst einmal nichts, was euch beängstigen sollte. Denn die in mobilen Geräten verbauten Komponenten sorgen für vielseitige Einsatzmöglichkeiten, Komfort und hilfreiche Funktionen. Die Anzahl an Sensoren, die letztlich nichts anderes tun, als in ihrem Bereich (Umwelt-)Einflüsse wahrzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln, stieg in den vergangenen Jahren kontinuierlich. Sie dienen immer nur einem Zweck: das Nutzererlebnis verbessern. Abhängig vom Smartphone finden nicht alle Detektoren Verwendung, auch weil ihr nicht alle für den Alltag benötigt. Gerade Barometer, Fingerabdrucksensor und Eye-Tracker sind nicht zwingend erforderlich, auf andere dagegen kann und will niemand verzichten. Ein paar lassen sich ohnehin nicht einmal abschalten, zum Beispiel der Beschleunigungssensor oder das Gyroskop.

Und was kann potentiell in eurem Smartphone, aber auch Tablet, tragbarer Spielkonsole, Fernbedienung, im Controller, VR-Brillen, Fitness-Armbändern etc. stecken?

Beschleunigungssensor

Vermutlich gehört der Beschleunigungssensor, der früher auch als G-Sensor bekannt war, zu den ältesten Vertretern in Mobiltelefonen. Kondensatoren stellen fest, ob sich das Smartphone in der horizontalen oder vertikalen Ansicht befindet. Daraufhin kann die Darstellung automatisch umgestellt werden. Ebenfalls ist der Beschleunigungsmesser für Spiele geeignet. Dort verwandelt sich das Handy in einen Controller, abhängig vom Neigungswinkel steuert man beispielsweise Rennwagen über Pisten.

Gyroskop

Da die Daten des Beschleunigungssensors oftmals nicht präzise genug sind, wird er mit einem Gyroskop kombiniert. Der sogenannte Rotationssensor ermöglicht eine bessere Steuerung in Spielen und hilft sogar dem digitalen Bildstabilisator dabei, dass Fotos weniger verwackeln. Die Bezeichnung bezieht sich auf die Funktionsweise: Zwei Massen werden unter Strom versetzt, die eine rotiert, die andere schwingt. Sobald die Corioliskraft wirkt (Drehbewegung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Masse), wird diese erfasst. Heutzutage sind Drei-Achsen-Gyroskope üblich, die über eine Masse für alle drei Achsen verfügen.

GPS

Sie stecken in Navigationsgeräten, Autos und längst auch in Smartphones. Bei dem Global Positioning System handelt es sich ebenfalls um einen Sensor, da die Positionssignale, die Satelliten in der Umlaufbahn der Erde aussenden, durch eine Antenenne empfangen werden. Dem jeweiligen Gerät wird mitgeteilt, wo es sich auf der Welt befindet – und dies wird vor allem bei Navigationsanwendungen (Google Maps etc.) verwendet. Gerade bei Mobiltelefonen ist das GPS-Signal relativ (!) ungenau und anfällig für Störungen wie Wolken oder Gebäude. Daher erhält GPS meist Unterstützung von WLAN-Daten oder gar dem Beschleunigungssensor, der zumindest die Position grob „festhalten“ kann.

Ohne GPS läuft hier nichts. (Foto: TomTom)

Ohne GPS läuft hier nichts. (Foto: TomTom)

Etliche Smartphones, zum Beispiel die von Samsung, setzen zusätzlich auf GLONASS, das russische GPS-Gegenstück mit ähnlicher Funktionalität. In jedem Fall ist GPS ein großer Helfer, auch für Technologien wie Augmented- und Virtual- Reality. Denn genaue Positionsbestimmungen sind abseits von Kartendiensten künftig von größter Relevanz. Man denke auch an selbstfahrene Automobile.

Magnetometer

Sinnvoll für Karten, aber auch für VR und AR bedeutsam: Der Magnetometer bzw. Magnetfeldsensor entspricht einem digitalen Kompass. Im Gegensatz zu einem analogen Vertreter kann das Stück Technik die Ausrichtung des magnetischen Feldes in einem dreidimensionalen Raum wahrnehmen. Ein praktisches Anwendungsbeispiel ist die aktuelle Laufrichtung innerhalb der Google Maps-App auf einem Smartphone.

Kameras

Zwar sieht man die Kameras der Smartphones nicht als Sensoren an, letztlich sind es aber welche. Denn der Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) ist eben ein Bildsensor, wie er auch in Fotoapparaten Verwendung findet. Hinzu gesellen sich aktive Pixelsensoren (APS), die jeden einzelnen Pixel verstärken und dafür sorgen, dass man Bilder „schießen“ kann.

Das iPhone 5S besitzt einen Sensor, der der Nachtaufnahmen verbessert. (Foto: Apple)

Das iPhone 5S besitzt einen Sensor, der der Nachtaufnahmen verbessert. (Foto: Apple)

Ein rückwärtig beleuchteter Sensor (back-illuminated sensor) wird hier und da verbaut. Das recht spezielle und aufwändig herzustellende Objekt verbessert die Ergebnisse bei schlechten Lichtbedingungen gravierend – zum Beispiel beim iPhone 5s.

Helligkeitssensor & Annäherungssensor

Wer sein Telefon bei schlechten Lichtverhältnissen verwendet, wird den Helligkeitssensor kennen: Ist es in der Umgebung dunkel, passt sich das Display selbständig an, um nicht zu blenden. Verantwortlich dafür ist der Helligkeitssensor, der die Intensität des Lichtes wahrnimmt.

Um den Bildschirm des Telefons während eines Gesprächs zu deaktivieren (wenn man das Gerät ans Ohr hält), wird der Annäherungssensor gebraucht. Technisch basiert dieses Element meist auf einer Leuchtdiode, die Infrarot-Signale aussendet. Sobald diese vom Ohr des Nutzers reflektiert werden, wird dies von der Diode – meist dem Helligkeitssensor – erkannt. Das Handy reagiert auf diese Information und stellt das Display ab.

Luftfeuchtigkeitssensor

Der Luftfeuchtigkeitssensor wird eher sporadisch genutzt, unter anderem in ausgewählten Samsung-Smartphones oder Outdoor-Geräten. Durch das Messen der elektrischen Kapazität eines Elements kann analysiert werden, wie hoch die Luftfeuchtigkeit wirklich ausfällt. Zwischen zwei leitenden Platten wird ein Polymer platziert, das Wasser aufnimmt und abgibt.

Pulsmesser

Ein Sensor, der gerade im mobilen Sektor etwas zu kurz kam, aber in einigen aktuellen Smartphones wie dem Samsung Galaxy S6 (Edge) verbaut wird. Eine LED durchleuchtet den Finger, durch eine Fotodiode werden Farbveränderungen erkannt, wenn Blut durch die Adern fließt. Das hat eine Pulsmessung zur Folge, abgefragt wird diese in entsprechenden Fitness-Apps. Ähnlich funktionieren ähnliche Elemente in Wearables, oftmals wird auch der Stresspegel so dargestellt.

Neben der Kamera befindet sich der Pulsmesser. (Foto: Samsung)

Neben der Kamera befindet sich der Pulsmesser. (Foto: Samsung)

Fingerabdrucksensor

Ein biometrischer Sensor tastet den Finger ab, er erkennt Strukturen und erzeugt ein digitales Abbild. Bei Smartphones dient der Fingerabdrucksensor meist der Sicherheit und wird in der Home-Taste verbaut. Auch ist unter anderem das Entsperren des Telefons auf diese Weise möglich, kann aber im schlimmsten Fall etwas anstrengend werden – gerade wenn man Handschuhe trägt, die Papillarlinien des Fingers nicht ausgeprägt sind oder der biometrische Sensor nicht präzise genug ist.

Thermometer

Interne Thermometer helfen dabei, dass Smartphones nicht überhitzen. Davon bekommt man in der Regel nichts mit. Aber auch für den Normalgebrauch kann ein Thermometer sinnvoll sein: Sensoren im Akku messen die Eigenwärme des Telefons, separate Fühler stellen die Umgebungstemperatur fest. Mit diesen Werten wird die reale Temperatur berechnet – unabhängig davon, ob sich das Handy womöglich gerade in der Hosentasche befindet. Das muss freilich nicht überaus präzise sein.

Barometer

Das Barometer wird unterstützend für den Beschleunigungssensor verbaut und kann somit auch für die Genauigkeit von GPS hilfreich sein. Das Ermitteln des Luftdruckes ist der eine Aspekt, der andere ist das präzise Zählen zurückgelegter Schritte. Damit verbunden ist das Berechnen verbrauchter Kalorien. Das Barometer kommt daher bei Fitnessarmbändern zum Einsatz – sichtlich nicht ohne Grund.

Im Fitness-Tracker stecken auch Sensoren. (Foto: Baurer)

Im Fitness-Tracker stecken auch Sensoren. (Foto: Baurer)

Und noch mehr?

Viele Hersteller geben altbekannten Sensoren neue Namen, erweitern die Grundfunktionalität oder fügen mehrere Sensoren zu einem neuen Detektor zusammen. Samsungs RGB-Sensor beispielsweise ist eine erweiterte Form des Helligkeitssensors, der Hall Sensor von der Grundfunktionalität dem Annäherungssensor sehr ähnlich. Eye-Tracker und Gestensensor sind Ergänzungen des Bildsensors.

Alles in allem ist eine große Anzahl an Sensoren in einem mobilen Begleiter nicht negativ, gerade weil sich dadurch der Mehrwert erhöht. Unternehmen wie Apple oder Samsung führen die Sensordaten für Fitness-Anwendungen zusammen, Wearables wie Armbänder oder Smartwatches erhöhen die Genauigkeit und verbessern für (Hobby-)Sportler die Ergebnisse. Und wer glaubt, das alles nicht zu brauchen, würde sich schon wundern, gäbe es GPS, Beschleunigungssensor oder gar die Kameras im Mobiltelefon nicht (mehr).

Wir hoffen, einen kleinen Überblick verschafft zu haben. Was vergessen? Fragen? Immer ab damit in den Kommentarbereich.

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