Heutigen Smartphones ist sehr viel mehr über ihre Umgebung bekannt als noch ihren Vorgänger vor einigen Jahren. Ein Smartphone weiß beispielsweise, wo es sich gerade befindet. Wie hell die Deckenbeleuchtung oder die Sonne ist. Ob Sie das Smartphone momentan ans Ohr drücken. Ob Sie es senkrecht oder waagerecht, schief oder gerade, ruhig oder zittrig halten.

All diese Informationen ermöglichen es dem Smartphone, besser auf die gegenwärtige Situation und auf die Bedürfnisse des Benutzers einzugehen. Wenn Sie also zum Beispiel das Smartphone ans Ohr halten, dann schaltet sich der Bildschirm aus – und nimmt auch keine Eingaben mehr entgegen. Wenn Sie von drinnen nach draußen gehen, dann wird automatisch der Bildschirm heller, um sich besser gegen das Sonnenlicht durchsetzen zu können. Wenn Sie sich in der Nähe von Freunden oder von Geschäften mit Sonderangeboten befinden, dann macht das Smartphone Sie darauf aufmerksam. Und nicht zuletzt können Sie durch Neigen des Smartphones eine Vielzahl von Spielen wesentlich intuitiver und bequemer steuern, als wenn Sie dazu auf den Bildschirm tippen müssten.

Die Daten, die Grundlage bilden für diese tatsächlich smarten Reaktionen, erhält das Smartphone von etlichen Sensoren. Bei diesen Sensoren handelt es sich in der Regel um MEMS, also um mikroelektromechanische Systeme – auf Deutsch auch oft einfach Mikrosysteme genannt.

Solche Systeme sind nur wenige Millimeter groß. Ihr Chip besteht meist mindestens aus einem Prozessor und einem Sensor. Der Sensor misst eine bestimmte Umweltbedingung (beispielsweise die Beschleunigung oder die Temperatur). Der Prozessor verarbeitet die gemessenen Daten, so dass der Chip sie an das Gerät weitergeben kann, in das er eingebaut ist.

Oft enthält ein derartiger Chip mehrere verschiedene Sensoren. Beschleunigungsmesser und Gyroskope beispielsweise werden häufig miteinander kombiniert.

Dieser Sensor-Chip kombiniert einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und ein Magnetometer.

Ortung

per GPS, Mobilfunk und WLAN

Dass Ihr Smartphone weiß, wo Sie sich gerade aufhalten, liegt natürlich hauptsächlich an seinem eingebauten GPS-Empfänger. Das vom US-Militär entwickelte „Global Positioning System“ verwendet mindestens 24 Satelliten, die in einer Höhe von etwa 20.200 Kilometern um die Erde kreisen.

Diese Satelliten senden Funksignale, in denen Informationen über ihre gegenwärtige Position und die genaue Uhrzeit enthalten sind. Empfängt ein Smartphone (oder ein anderes GPS-fähiges Gerät) die Signale von mindestens vier solcher Satelliten, so kann es anhand dieser Daten sowohl seine Position auf der Erde als auch seine Geschwindigkeit ermitteln. Prinzipiell funktioniert dies, indem das Smartphone feststellt, wie lange die Satellitensignale gebraucht haben, um es zu erreichen – und aus diesem Wert dann seine Entfernung zu den Satelliten berechnet.

Der Navigation Technology Satellite-2 war 1977 der erste Satellit, der GPS-Signale aussandte.

Etliche Smartphones unterstützen bereits neben GPS auch das russische Satellitennavigationssystem GLONASS. Der Vorteil für den Anwender besteht darin, dass in schwierigen Empfangssituationen das Smartphone die GLONASS-Daten ergänzend zu den GPS-Daten verwenden kann, um die Genauigkeit (und die Geschwindigkeit) der Positionserkennung zu erhöhen.

Nicht zu vergessen: Smartphones benützen für das Feststellen des Aufenthaltsorts nicht nur GPS-Daten, sondern berechnen die Position auch anhand der Mobilfunksender und WLAN-Access-Points, in deren Empfangsbereich sie sich befinden.

Die 24 GPS-Satelliten umkreisen die Erde in Vierergruppen auf sechs Bahnebenen.

Möglichst genaue Positionsangaben sind nützlich für viele Zwecke: Für die meisten Anwender wohl an erster Stelle steht die Möglichkeit, sich in Stadtplan- und Navigationsprogrammen jederzeit die gegenwärtige eigene Position anzeigen zu lassen. Das erhöht den praktischen Nutzen solcher Programme gewaltig. Standortbezogene Dienste benötigen natürlich ebenfalls Informationen über den gegenwärtigen Aufenthaltsort, um sinnvoll funktionieren zu können. Zu diesen Diensten gehören beispielsweise solche, die Informationen liefern über Sehenswürdigkeiten, Restaurants, Geschäfte, Sonderangebote und Freunde, die sich in Ihrer Nähe befinden. Auch Anwendungsprogramme oder Spiele, die das Prinzip der erweiterten Realität (Augmented Reality) umsetzen, brauchen verlässliche Ortsangaben. Und nicht zuletzt ist beim Versenden von Notruf-SMS-Nachrichten eine Positionsangabe extrem hilfreich.

Magnetometer

Norden, Süden, Osten, Westen

Ein Magnetometer misst die magnetische Flussdichte, oder etwas einfacher ausgedrückt, die Stärke des Magnetfelds der Erde. Anhand dieser Daten kann ein Kompass bzw. Smartphone herausfinden, wo sich der magnetische Norden befindet – in welche Richtung Sie das Smartphone also halten. Aber halt, das stimmt so nicht ganz: Die Informationen über das Magnetfeld reichen nicht tatsächlich aus, um die Richtung zu bestimmen. Zusätzlich muss das Smartphone wissen, in welche Richtung die Schwerkraft wirkt.
Das erfährt es vom Beschleunigungssensor.

Wie funktioniert ein Magnetometer im Detail? Eine metallische Platte im Inneren des Sensors wird unter Strom gesetzt. Auf diese Platte wirkt dann die sogenannte Lorentzkraft, deren Stärke abhängig ist von der Stärke des vorhandenen magnetischen Feldes. Die Platte wird also geringfügig verschoben. Wie weit, das misst das Magnetometer entweder elektrisch oder optisch. Wichtig ist die Information über die Himmelsrichtung vor allem bei Stadtplan-Apps: Es ist ungemein praktisch, beim Blick auf einen Stadtplan nicht nur die eigene Position angezeigt zu bekommen, sondern auch die gegenwärtige Blickrichtung. Das erspart es dem Anwender, sich erst anhand von markanten Details in der Umgebung orientieren zu müssen.

Einige preiswerte Smartphones verfügen nicht über einen digitalen Kompass. Er erweist sich vor allem bei Stadtplan-Apps jedoch als sehr praktisch.

Auch standortbezogene Dienste und Erweiterte-Realität-Apps sind auf Informationen über die Himmelsrichtungen angewiesen. Der digitale Kompass eines Smartphones ist allerdings ein sehr empfindliches Gerätchen. Sehr oft lässt er sich durch Umwelteinflüsse wie metallische Gegenstände verwirren. In diesem Fall müssen Sie ihn mit einer App wie „GPS Status & Toolbox“ kalibrieren.

Dieses für Smartphones und Navigationsgeräte gedachte Magnetometer ist lediglich 2 mal 2 mal 1 Millimeter groß.

Rotationssensor

Alles dreht sich …

Um die Bewegungen, die Sie mit dem Smartphone ausführen, genau zu messen, reicht ein Beschleunigungsmesser alleine nicht aus. Daher kommt unter anderem beim Steuern von Spielen ergänzend ein Rotationssensor (auch Gyroskop genannt) zum Einsatz, der Drehungen des Smartphones um seine Achsen registriert. Auch für die Bildstabilisierung beim Fotografieren oder beim Aufnehmen von Videos sind solche Sensoren notwendig.

Die meisten Gyroskope, die in elektronischen Geräten eingesetzt werden, verwenden das Stimmgabelprinzip: Zwei Massen werden durch Strom in Schwingungen versetzt. Dreht sich nun diese Miniaturstimmgabel um ihre Längsachse, so werden ihre beiden Zinken durch die Corioliskraft voneinander fortbewegt – wodurch sich die Kapazität zwischen den Zinken verändert. Und aus dieser Veränderung lässt sich die Drehrate berechnen. Um Drehungen in jeder Richtung erkennen zu können, kommen meist Drei-Achsen-Gyroskope zum Einsatz.

Gyroskope messen die Drehungen eines Smartphones um seine drei Achsen – und sind damit eine wichtige Ergänzung zu Beschleunigungsmessern.

Findet eine Drehung statt, dann verändert sich in einem Gyroskop durch die Corioliskraft der Abstand zwischen zwei schwingenden Stimmgabelzinken und dadurch auch die Kapazität zwischen ihnen.

Beschleunigungssensor

Spielen, Navigieren – und Bildschirmdrehen

Ein Beschleunigungssensor misst – logisch – die Beschleunigung. Der Sensor erkennt also, wie schnell und in welche Richtung Sie das Smartphone bewegen.

Zum Einsatz kommt dieser Sensor unter anderem bei Spielen, in denen Sie das Steuern erledigen, indem Sie das komplette Smartphone bewegen, anstatt den Bildschirm anzutippen. Auch die beliebte Möglichkeit, das Klingeln eines eintreffenden Anrufs verstummen zu lassen, einfach indem Sie das Smartphone umdrehen, existiert dank des Beschleunigungssensors.

Klein, aber nützlich: Beschleunigungssensoren sorgen unter anderem dafür, dass ein Smartphone die Bildschirmausrichtung automatisch ändern kann.

Die Schwerkraft, die immer auf das Smartphone einwirkt, gilt ebenfalls als Beschleunigung. Und so ermöglicht der Beschleunigungssensor (zusammen mit dem Rotationssensor) eine der wichtigsten Komfortfunktionen eines Smartphones: Er versetzt das Gerät in die Lage, zu erkennen, ob Sie es waagerecht oder senkrecht halten, – damit das Betriebssystem die Ausrichtung des Bildschirminhalts daran angleichen kann. So nützlich diese Automatik ist, so sehr kann sie aber auch nerven. Nämlich immer dann, wenn man gemütlich auf dem Sofa oder im Bett liegt, um zu lesen oder zu surfen. Das Betriebssystem neigt dann dazu, diese Position so zu interpretieren, als hielte man das Smartphone waagerecht – und wechselt brav die Bildschirmorientierung. Um dies  zu vermeiden, können Sie diese Bildschirmrotationsautomatik daher auch ausschalten.

Ein weiterer wichtiger Einsatzzweck des Beschleunigungssensors: Er verbessert die Genauigkeit der Standorterkennung in Navigationsprogrammen. Dies macht sich vor allem dann bemerkbar, wenn das Auto eine Zeit lang keine GPS-Signale empfangen kann – wie das beim Durchfahren eines Tunnels der Fall ist. In solchen Fällen kann das Navigationsprogramm den aktuellen Standort lediglich schätzen. Und diese Schätzung wird sehr viel Präziser dadurch, dass die Software dank des Beschleunigungssensors erkennt, ob und wie stark das Fahrzeug beschleunigt oder bremst.

So funktioniert der Beschleunigungssensor

Die wichtigsten Bestandteile eines Beschleunigungssensor sind erstens das Gehäuse und zweitens eine Masse, die zwar mit dem Gehäuse verbunden ist, sich aber dennoch innerhalb des Gehäuses bewegen kann. Ein grobes, aber deutliches Beispiel dafür wäre eine schwere Metallkugel, die mittels einer Sprungfeder an dem Gehäuse befestigt ist. Wenn Sie das Gehäuse bewegen, dann bewegt sich die Kugel zwar in dieselbe Richtung, aber nur mit einer gewissen Verzögerung – und dehnt dadurch die Feder. Wenn man nun misst, wie sehr die Feder gedehnt wurde, so kann man davon ausgehend die Stärke der Beschleunigung berechnen. Verwendet man drei dieser Sensoren (für jede Dimension einen Sensor), so lassen sich beliebige Bewegungen genau feststellen.

Bei einem Beschleunigungssensor, wie er in Smartphones zum Einsatz kommt, sind die Bestandteile natürlich etwas filigraner: In dem Gehäuse befindet sich statt einer Metallkugel eine kammartiges Gebilde aus Silizium (siehe Bild unten), das sich – abhängig von der Beschleunigung – vorwärts und rückwärts bewegen kann. Jeweils einer dieser Siliziumkammzinken (im Bild blau) bildet mit zwei weiteren Zinken des Gehäuses (im Bild grün) einen Differenzialkondensator (der seinerseits aus zwei Kondensatoren besteht). Wenn sich der blaue Zinken durch eine Beschleunigung von dem einen grünen Zinken fort- und zu dem anderen grünen Zinken hinbewegt, so verändert sich dadurch das Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren. Und je stärker die Beschleunigung, desto stärker diese Veränderung.

Das Prinzip eines Beschleunigungssensors lässt sich verdeutlichen anhand einer schweren Metallkugel, die durch eine Sprungfeder mit ihrem Gehäuse verbunden ist.

Wenn sich ein blauer Siliziumzinken durch eine Beschleunigung zwischen seinen beiden grünen Nachbarn bewegt, so verändert sich dadurch das Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren.

Näherungssensor

Ohr trifft Bildschirm

Der Näherungssensor erlaubt es dem Smartphone, festzustellen, dass sich der Bildschirm nahe am Gesicht des Anwenders befindet. Warum ist es nützlich, dass das Smartphone darüber Bescheid weiß? Weil das Gerät dadurch erfährt, dass nun ein guter Zeitpunkt ist, um den Bildschirm auszuschalten und auch keine Berührungen mehr zu registrieren. Das spart erstens Strom und verhindert zweitens das versehentliche Antippen von Bedienungselementen mit dem Ohr oder der Wange.

Ein Näherungssensor besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Der Sender strahlt (unsichtbares) Infrarotlicht aus. Und der Empfänger registriert, ob dieses Licht von einer nahen Fläche reflektiert wird. Der Näherungssensor und der Helligkeitssensor werden oft auf einem gemeinsamen Chip untergebracht.

Hier befindet sich der Annäherungssensor beim High-End-Smartphone HTC One.

Thermometer & Feuchtigkeitsmesser

Sensoren mit Seltenheitswert

Das Galaxy S4 bietet einige weitere Sensoren, mit denen andere Smartphones nicht aufwarten, darunter ein Thermometer und ein Feuchtigkeitsmesser. Zum Einsatz kommen diese Sensoren in der Samsung-eigenen Gesundheits- und Sport-App „S Health“. Dieses Programm ermittelt anhand dieser beiden Sensoren die gegenwärtige „Wohlfühlstufe“ der Umgebung.

Helligkeitssensor

steuert Bildschirm

Der Helligkeitssensor des Smartphones registriert die Helligkeit der Umgebung. Und zwar nicht aus reiner Neugier, sondern um es dem Smartphone zu erlauben, die Helligkeit des Bildschirms an die gegenwärtige Helligkeit der Umgebung anzupassen. Das erspart es dem Anwender, die Bildschirmhelligkeit selbst regeln zu müssen, wenn er sich beispielsweise aus dem Inneren eines Gebäudes nach draußen begibt – oder umgekehrt. Die automatische Regelung ist bequemer und spart auch Strom. Allerdings ist nicht jeder Anwender in jeder Situation von der automatischen Helligkeitsregelung begeistert. Gut daher, dass es auch möglich ist, die Automatik auszuschalten und die Helligkeit den eigenen Bedürfnissen entsprechend einzustellen.

Im einfachsten Falle enthält der Helligkeitssensor ein lichtempfindliches Element, das die Helligkeit misst. Das Galaxy S4 verwendet einen raffinierteren Sensor, der zusätzlich die Rot-, Grün- und Blauanteile des Umgebungslichts misst und es dem Smartphone so ermöglicht, die Farbsättigung des Bildschirms an die Messwerte anzupassen.

Der Helligkeitssensor ermöglicht es dem Smartphone, die Helligkeit des Bildschirms an das Umgebungslicht anzupassen.

Barometer

Luftdruck als Höhenmesser

Einige wenige Smartphones (darunter das Galaxy S4 und das Nexus 4) verfügen über ein Barometer, können also den Luftdruck messen. Dies hat allerdings nicht den Zweck, das Wetter vorherzusagen. Er ermöglicht dem Gerät vielmehr, festzustellen, in welcher Höhe sich das Smartphone (und damit der Anwender) befindet. Die Daten dieses Sensors dienen als Ergänzung zu den Höhenangaben, die der GPS-Empfänger liefert.

Nützlich ist dies beispielsweise dann, wenn das Smartphone berechnen soll, wie viele Kalorien der Anwender beim Laufen verbraucht hat. (Da das Erklimmen eines Hügels nun einmal anstrengender ist als das Spazierengehen auf dem flachen Land.)

Hilfreich ist die Höhenangabe (zumindest theoretisch) auch dann, wenn es um das Zurechtfinden innerhalb eines Gebäudes mit mehreren Stockwerken geht.