Mächtige Sensoren – Seite 1

Mobiltelefone sind machtvolle Geräte. Sie sind Computer mit enormer Rechenfähigkeit, vor allem aber besitzen sie inzwischen einen ausgefeilten Spürsinn, haben scharfe Augen, empfindliche Ohren und einen hervorragenden Gleichgewichtssinn.

Smartphones stecken voller Sensoren, die unentwegt Daten sammeln. Entsprechende Programme können damit sehen, hören und fühlen, was in der Umgebung des Gerätes geschieht. Das macht sie so nützlich. Doch jeder, der diese Daten auszulesen weiß, kann die Hosentaschenrechner auch zu Spionagestationen umfunktionieren und so alles über ihre Besitzer erfahren. Hier ein Überblick der wichtigsten Sensoren – und ein Blick in die nahe Zukunft.

Das gibt es bereits:

Barometer
Mobiltelefone sind Wetterstationen. Neuere Geräte können den Luftdruck messen. Das übernimmt eine ungefähr zehn Mikrometer dünne Siliziummembran, in die sogenannte piezoresistive Dehnungsstreifen eingelassen sind. Diese ändern ihren Widerstand, wenn sie verformt werden. Die Membran bewegt sich bei Druckänderungen, wodurch sich der Wert der Widerstände ändert. Das ganze Modul ist nur zwei mal zweineinhalb Millimeter groß. Die relative Genauigkeit des derzeit häufig verbauten Sensors BMP280 gibt Hersteller Bosch mit etwa 0.12 Hektopascal an. Das entspricht einem Höhenunterschied von nur einem Meter. Schon Treppensteigen wird also von ihm registriert.

Beschleunigungssensor
Wird das Handy gedreht, ändert sich die Richtung, aus der die Schwerkraft auf das Gerät wirkt. Diese Kräfteverschiebung misst ein sogenanntes Akzelerometer auf drei Achsen: links/rechts (X-Achse), oben/unten (Y) und hinten/vorne (Z). Der Sensor ist nur drei mal drei mal einen Millimeter groß. Er besteht aus einem sogenannten mikro-elektro-mechanischem System. Ein wenige Mikrometer breiter Siliziumstab dient als Feder. Bewegt sich das Gerät, wird der Stab durch seine Massenträgheit ausgelenkt und verändert seine Position gegenüber einer festen Elektrode. Dadurch ändert sich die elektrische Kapazität. Diese Änderung wird genutzt, um auf die Höhe der Beschleunigung zu schließen. Für jede der drei Ebenen gibt es einen solchen Siliziumstab, zusammen ergeben sie für jede Richtung Beschleunigungswerte.

Bluetooth
Kein Sensor im eigentlichen Sinn, sondern eine Antenne zur Übertragung von Daten über kurze Strecken. Damit kann eine Freisprechanlage betrieben werden. Doch kann das Bluetooth-Protokoll auch als Schlüssel dienen, um eben wie ein Sensor ein bestimmtes Türschloss in der Nähe zu erkennen und zu öffnen. Oder als Fernbedienung für die Heimelektronik.

Elektromagnetischer Sensor
Auch Hall-Geber genannt. Er registriert, ob eine Schutzhülle mit magnetischem Schloss um Handy oder Tablet geöffnet oder geschlossen ist. Wird die Hülle geöffnet, aktiviert der Sensor den Bildschirm, wird sie geschlossen, schaltet er ihn aus.

Fingerabdrucksensor
Der Fingerabdrucksensor im iPhone 5S ist keine Kamera, die den Finger fotografiert. Der Sensor besteht aus vielen winzigen Zellen, jede davon kleiner als eine Fingerrille. Wird ein Finger auf die Oberfläche gelegt, ändert sich deren Kapazität. Wie hoch die Änderung ist, hängt davon ab, welcher Teil der Fingerkuppe auf der Sensorzelle liegt – Fingerrille oder Papillarleiste. Aus der Art der Änderungen aller Zellen wird ein Bild des Abdrucks errechnet und zusammengesetzt.

GPS
Das Global Positioning System, kurz GPS, ist ein Ring von Satelliten, der um die Erde fliegt und Positionssignale sendet. Im Smartphone werden diese von einer Antenne empfangen, um damit die eigene Position zu bestimmen. Somit ist das Modul auch ein Sensor, da es dazu beiträgt, dem Gerät seine Umgebung "bewusst" zu machen. Allerdings dauert das mehrere Minuten und kann durch Wolken, Gebäude und andere Hindernisse schnell gestört werden. Deswegen nutzen Smartphones zur Positionsbestimmung auch WLAN-Daten und die Standorte der Mobilfunktürme.

Gyroskop
Die Idee hatte 1817 der deutsche Physiker Johann Bohnenberger: Ein sich drehender Kreisel will die Richtung der Drehachse erhalten. Heute ist das Instrument so klein, dass es auf einen Chip passt: ungefähr vier mal vier Millimeter groß. Das Handy stellt damit fest, ob es hoch oder quer gehalten wird. Der Sensor nutzt die Corioliskraft und das sogenannte Stimmgabelprinzip, um die Lage zu bestimmen. Metallelemente werden durch Strom in Schwingung versetzt. Wird das Gerät bewegt, verändert sich die Schwingung der Metallelemente. Rund um sie herum angeordnete Kondensatoren registrieren das. Hier eine elektronenmikroskopische Aufnahmen des Gyroskops im iPhone 4.

Wie oft die Daten abgerufen werden und wie genau sie sind, variiert von Gerät zu Gerät. Das Gyroskop erzeugt sie nicht automatisch, sondern eine App installiert dazu einen motion sensor event listener, eine Datenanforderung. Android und iOS lassen drei Genauigkeitsgrade zu. Ein HTC Evo 4G kann die Daten auf der höchsten Genauigkeitsstufe alle 30 Millisekunden bereitstellen, ein Motorola Droid dagegen nur alle 110 Millisekunden.

Helligkeitssensor
Je heller Bildschirme strahlen, desto schneller ist der Akku leer. Deshalb misst der Helligkeitssensor das Licht in der Umgebung, anschließend wird die Helligkeit des Bildschirms angepasst. Der RGB-Sensor besteht aus einer Fotodiode mit einem Farbfilter und misst die Intensität, aber auch die Farbtemperatur von Lichtquellen. Was dazu führt, dass der Bildschirm mehr Kontrast, aber auch eine bessere Farbsättigung bieten kann.

Der Touchscreen für den scharfen Fingernagel

Luftfeuchtigkeit
Die Feuchte der Luft wird vom Temperatursensor mitgemessen – zumindest beim Samsung-Smartphone Galaxy S4, wo beide Funktionen in einem Chip von drei mal drei Millimetern Größe integriert sind. Ermittelt wird sie über die elektrische Kapazität eines Elementes, das wie ein Kondensator aufgebaut ist. Zwischen den beiden leitenden Platten befindet sich ein Polymer. Es kann Wasser aufnehmen und abgeben, wobei sich die Kapazität der stromführenden Schicht ändert und gemessen wird. Aus ihr wird die Luftfeuchte errechnet.

Magnetometer
Ein ungefähr vier mal vier Millimeter großer Chip misst in X-, Y- und Z-Achse die Stärke und Richtung des Erdmagnetfeldes. Der im iPhone und anderen Smartphones verbaute Chip nutzt dazu den Hall-Effekt. Dabei wird eine Platte im sogenannten Hall-Sensor von einem Strom durchflossen. Ein senkrecht zur Flussrichtung verlaufendes Magnetfeld ändert die Ausgangsspannung des Sensors. Die Höhe der Ausgangsspannung wird genutzt, um auf Richtung und Flussdichte des Magnetfeldes zu schließen. Das Erdmagnetfeld hat je nach Ort auf dem Planeten eine Flussdichte von 30 bis 60 Mikrotesla. Der Sensor im iPhone 4 kann Veränderungen von 0,3 Mikrotesla registrieren. Das genügt, um Stromleitungen in einer Wand zu finden. Starke magnetische Quellen bringen den Magnetometer durcheinander und sorgen dafür, dass der Kompass keine korrekten Daten mehr erhält. Erst nach Tagen hat sich das Gerät wieder auf das Erdmagnetfeld rekalibriert.

Mikrofon
Das winzige Mikrofon besteht aus zwei runden Platten. Die obere ist eine bewegliche Membran, die untere eine am Rand gelochte Metallplatte. Zwischen beiden befindet sich eine Luftschicht. Zusammen wirken die Platten wie ein Kondensator: Schall versetzt die bewegliche Membran in Schwingung, wodurch sich die Spaltbreite und damit die Kapazität des Kondensators ändert. Die Änderung wird gemessen und umgerechnet. Hier mikroskopische Aufnahmen der Mikrofone im iPhone 4.

Inzwischen werden mehrere Mikrofone in ein Gerät eingebaut, beim iPhone 5 sind es schon drei. Zwei an der Unterseite zum Hineinsprechen – so lässt sich messen, wo sich eine Geräuschquelle befindet, da der Schall zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Mikrofone erreicht. Ein drittes ist auf der Rückseite des Gerätes montiert. Es misst Hintergrundgeräusche und filtert diese während eines Gesprächs heraus. Allerdings kann das System damit auch wie ein Richtmikrofon genutzt werden.

Mobilfunkantennen
Handys funken auf diversen Frequenzen von GSM über 3G bis LTE, um sich mit den Mobilfunktürmen der Betreiber zu verbinden und Sprache und Daten zu übertragen. Für jede Frequenz braucht es eine eigene Antenne. Die Antennen dienen dabei auch als Sensoren. Über sie erfährt das Gerät, wo sich der nächste Funkmast befindet und wie stark er sendet. Daraus wird unter anderem die Position des Gerätes berechnet, was schneller geht als mit dem Satellitensystem GPS.

Näherungssensor
Mit Infrarotstrahlen misst ein Sensor, ob das Telefon ans Ohr gehalten wird. Werden die Strahlen reflektiert, erkennt die Technik die sich nähernde Wange – Bildschirm und Berührungssteuerung schalten sich automatisch ab. Damit das auch bei Tageslicht funktioniert, wird das Sonnenlicht aus dem eingehenden Signal ausgefiltert. Der gesamte Chip ist dabei nur einen halben Millimeter dünn und zwei mal zwei Millimeter groß. Im Nexus 4 von LG ist zum Beispiel ein Sensor verbaut, der mittels Infrarot Entfernungen von nahe Null bis zu sechs Zentimetern messen kann. Die Auflösung beträgt 0,1 Zentimeter. Damit kann nicht nur erkannt werden, ob sich der Kopf dem Bildschirm nähert. Der ständig aktive Infrarotstrahl erkennt auch Wisch- und Wedelgesten der Hände.

NFC
Wie Bluetooth ist NFC, kurz für Near Field Communication, vor allem eine Funktechnik für den Nahbereich. Eine Antenne kann über wenige Zentimeter hinweg Daten senden und empfangen. Derzeit wird es vor allem zum bargeldlosen Bezahlen genutzt, es kann aber auch als Autoschlüssel dienen, oder um digitale Visitenkarten auszutauschen.

Pulsmesser
Mit Kamera und Blitzlicht kann auch ohne einen speziellen Sensor der Puls gemessen werden. Im Galaxy S5 von Samsung ist dennoch ein eigener Pulssensor verbaut. Er nutzt eine LED, die den Finger durchleuchtet, eine Fotodiode misst die Farbveränderung, wenn das Blut durch die Adern pulst. 

Rückwärtig beleuchteter Sensor
Er ist eine Sonderform des Fotosensors, der die von der Kameralinse eingefangenen Bilder aufzeichnet. Bei normalen Bildsensoren trifft das einfallende Licht zuerst die Seite der Siliziumoberfläche, auf der die Halbleiterbahnen eingeätzt wurden. Durch die Leiterbahnen wird allerdings ein Teil des Lichts absorbiert, weswegen vor allem kurzwellige Strahlen die eigentlich bilderzeugende Struktur nicht mehr erreichen. Der back-illuminated sensor dreht den Chip um. Die Leiterbahnen sind dann auf der Unterseite, die fotosensible Schicht auf der Oberseite verbaut. Dadurch werden die Sensoren lichtempfindlicher. Allerdings muss dafür die Siliziumschicht sehr dünn geschliffen werden, was die Chips schwerer herzustellen und teurer macht. Daher wurde das Verfahren zuerst für astronomische und für Spionagekameras eingesetzt. Seit 2009 ist es aber auch in vielen teureren Smartphones Standard, um die Qualität der Fotos bei schlechten Lichtverhältnissen zu verbessern.

Thermometer
Mithilfe entsprechender Sensoren im Akku und einer Software wird die Eigenwärme des Smartphones gemessen. Zusätzlich dazu gibt es einen Temperaturfühler, der die Umgebungstemperatur ermittelt. Aus beiden Werten wird rechnerisch versucht, auf die tatsächliche Umgebungstemperatur zu schließen, auch wenn das Handy in der Hosentasche steckte.

Touchscreen
Der Bildschirm selbst ist ebenfalls ein Sensor. Er registriert jede Bewegung, auch schon in seiner unmittelbaren Nähe, nicht nur direkte Berührungen. Im Glas liegen quer zueinander zwei Gitter aus durchsichtigen elektrischen Leitungen. Die obere sendet stetig elektrische Signale zur unteren. Bei Berührung verändert die Feuchtigkeit des Fingers die elektrische Kapazität der isolierenden Schicht, das Signal wird lokal schwächer. Daraufhin errechnet ein Prozessor die genaue Position. Dabei wird der Ort der Berührung genauso aufgezeichnet wie die Dauer.

Beim Galaxy S4 und S5 wird diese Möglichkeit für eine zusätzliche Funktion namens Air View benutzt. Bewegt sich der Finger kurz über dem Bildschirm, ohne ihn zu berühren, wird das bereits gemessen und es werden mehr Bedienungsmöglichkeiten angeboten. Außerdem wurde die Sensitivität des Schirms verbessert. Samsung gibt an, der Bildschirm lasse sich nun auch mit Handschuhen, dem Fingernagel oder einem normalen Stift bedienen.

Kamera
Kameras in Mobiltelefonen sollten ursprünglich nur Fotos machen. Doch je besser ihre Auflösung wird, desto mehr Möglichkeiten eröffneten sich. Beispiel Gesichtserkennung: Mit Android 4.0 stellte Google eine Funktion vor, mit der das Handy ohne Eingabe einer PIN entsperrt werden kann. Die Kamera nimmt dazu das Gesicht auf, das den Bildschirm betrachtet, und vergleicht es mit zuvor vom Besitzer gespeicherten Porträts. Bei ausreichender Übereinstimmung der Bilder wird das Gerät entsperrt. Diese Sperre lässt sich mit einem Foto des Gesichtes leicht umgehen, weswegen eine Funktion aktiviert werden kann, die zusätzlich zum Gesicht ein Augenzwinkern erfordert.

Auch Augenbewegungen werden bereits registriert. Samsung bot im Galaxy S4 erstmals die Möglichkeit, allein mit den Augen zu navigieren. Dabei erkennt der Bildsensor, wenn die Augen beim Lesen einer Website nach unten wandern. Die Seite wird hochgeschoben, wenn der Leser am unteren Rand angekommen ist. Das Vorgängermodell S3 konnte bereits anhand der Augenstellung registrieren, ob der Nutzer seitlich lag oder in normaler Position auf den Schirm schaute und das Bildschirmformat entsprechend verändern. 

Wissenschaftler des MIT in Boston haben außerdem eine Möglichkeit entwickelt, winzige Bewegungen und Farbveränderungen in Videobildern zu registrieren und sichtbar zu machen. Ihre Software misst diese für das Auge nicht sichtbaren Veränderungen, verstärkt sie und spielt sie wieder in das Bild ein. Damit wird die Kamera zum berührungslosen Pulssensor. Denn die Gesichtsfarbe verändert sich, wenn der Herzschlag Blut durch die Arterien pumpt. Den Code der Software haben die Forscher im Internet veröffentlicht, jeder kann ihn nutzen.

WLAN
Die WLAN-Antenne ist vor allem zum Senden und Empfangen von Daten gedacht. Gleichzeitig aber wird sie genutzt, um die Qualität und den Standort von WLAN-Punkten in der Nähe des Gerätes zu ermitteln, fungiert also auch als Sensor.

Gibt es bald auch "Nacktscanner" im Telefon?

Das könnte die Zukunft bringen:

Stimmerkennung
Die Smartphones verbauten Mikrofone werden ständig empfindlicher. Gleichzeitig zeigen wir über die Stimme ziemlich deutlich, wie es uns geht. Software, die anhand der Stimmlage Stress erkennt, gibt es längst. Callcenter setzen sie ein, um genervte Kunden am Telefon zu identifizieren, damit die Mitarbeiter deeskalierend reagieren können. So etwas geht auch in Mobiltelefonen. Die nutzen die Stimme ohnehin längst mit Programmen wie Siri und S-Voice als Steuerung.

Chemisches Spektrometer
Sensoren, um bestimmte Chemikalien in der Luft zu erkennen, werden ebenfalls immer kleiner und könnten bald winzig genug sein, um in Smartphones verbaut zu werden. Mit ihnen könnte die Luftqualität überwacht und der Nutzer vor gefährlichen Verschmutzungen oder Sauerstoffmangel gewarnt werden, beispielsweise wenn in einer Tiefgarage Motoren laufen und Kohlenmonoxid verbreiten.

Elektrokardiogramm
Gut möglich auch, dass mit Smartphones bald ein EKG aufgezeichnet werden kann, also die elektrischen Impulse, die von den Herzmuskeln ausgesendet werden, wenn sie kontrahieren. Es gibt schon eine spezielle Hülle für das Telefon, mit der das möglich ist. Doch kann der Bildschirm selbst ebenfalls sehr geringe Spannungsunterschiede registrieren. Vielleicht braucht es die Zusatzsensoren also gar nicht, um ein EKG aufzunehmen und direkt an einen Arzt zu senden.

Terahertz-Scanner
Brillen, die einem den Gegenüber ohne Kleidung zeigen, sind eine alte Science-Fiction-Vision. Supermans Röntgenblick könnte bald Wirklichkeit werden. Wellen im Terahertzbereich durchdringen Kleidung, werden aber von Metall und vom Wasser in unseren Körpern aufgehalten. In sogenannten Nacktscannern an Flughäfen nutzen Polizisten diese Technik schon. Die entsprechenden Systeme sind bereits sehr klein. Auf einem wenige Millimeter großen Chip können sogenannte Schottky-Barrier-Dioden Terahertzwellen registrieren und mithilfe eines Bildchips in Bilder umwandeln. Forscher der Universitäten Cornell und Texas haben das schon versucht und damit Fotos von Gegenständen gemacht, die in einem Umschlag verborgen waren. Solche Chips könnten auch in Mobiltelefonen verwendet werden. 

Sensoren testen
Wer wissen möchte, was die Sensoren in seinem Smartphone jetzt schon wissen und können, kann ihre Rohdaten auslesen. Es gibt diverse Apps, mit denen man die Sensoren im eigenen Gerät testen und ihre Daten anzeigen lassen kann, darunter Sensor Box, Sensor Readout (beide Android) oder Sensor Monitor (iOS).

Wer noch genauer wissen will, welche Daten das Handy sammelt, kann bei Android ein verborgenes Testmenü aufrufen. Auf dem Tastenfeld, das sonst genutzt wird, um Telefonnummern für einen Anruf einzutippen, gibt man den Code *#*#4636#*#* ein. Anschließend öffnet sich ein Menü. Dort lässt sich beispielsweise unter "Telefoninformationen" der Standort in Form von Koordinaten sehen. Angegeben werden die Werte in LAC, dem Local Area Code und CID, der Cell ID. Unter "Akkuinfo" finden sich auch die Temperatur der Batterie und ihre genaue Spannung.