手機的物理

手機的物理



年度

小組組成
2018 10級 楊長凡  10級 張宇暄
11級 王佑鑫  11級 王仕翔 11級余任濤
2017

09級 葉家卉

10級 楊元喆  10級 楊長凡  10級 張宇暄

 

2016

08級 周建宏  08級 羅禹傑
09級 葉家卉  09級 徐筱媜

2015

07級 曹淮宇  07級 蘇祐
08級 周建宏  08級 
葉宇婕
2014

06級 劉毓軒  06級 黃岱珩
07級 林玲琪  07級 王品勛

中山大學物理系 物理週演示實驗

大綱(Outlines):

 

 1.中英文簡介

 2.實驗原理

 3.演示項目

 4.相關影片連結

 5.歷年演示影片

 6.家中小實驗

 7.新鮮人創意實驗

 8.問題與討論

 9.相關英文字彙

10.參考資料

11.其他

 

 

1.中英文簡介(Introduction)

In 2007, Steve jobs, CEO of Apple Inc., invited us to a new generation of the cell phone. This kind of new phone, which named iPhone, were combined with the touch screen and cell phone. Don’t underestimate the changes iPhone brings to us. It not only has changed the market of the cell phone products, but the style of our life. The touch screen of iPhone works so smooth that gave us a new experience of controlling 3c devices; the sensors in it are so powerful that provided us new ways to control games or apps in our smart phones. Let’s us show youhow does our smartphone works, and may electromagnetic radiations affect our body or not.

2007年,Apple執行長賈伯斯推出新型手機iPhone,這是結合觸控螢幕和多種感應器的劃時代新型手機。智慧型手機的出現讓AppleSAMSUNG領導目前手機市場,並改變我們的生活模式。讓我們幫助你了解手機螢幕和感測器運作原理,和手機電磁波對人體到底有沒有影響。

   

                                                     TOP回首頁

 

 

 

2.實驗原理(Physics Principles)

1.觸控螢幕原理(Touch screen)

電阻式

2. 用處

電阻式觸控面板,比較容易在以下地方發現: 速食餐飲業點餐區的觸控螢幕、電子辭典、古早的PDA。這些觸控式螢幕的共同特色是,不要求特定的觸碰媒介,只要可以用力將螢幕戳到凹陷,管他甚麼材質都可以(不像電容式要求一定要導電材料)

3. 原理

由下圖對照解釋(對應到結構圖的黃色層),電阻式會將訊息接收,分成Y軸訊號、X軸訊號,分別計算這兩層的電阻值。

當按壓一點,上下層會接觸,使得那處電流導通,這時面板四周的電極,就能感測到電阻值降低(導電度上升),也因此能判斷位置。   P.S.電阻值= 距離/(面積*導電率)

假設上層的設定是(Y=1~10,電阻值(歐姆)=10~100),下層的設定是(X=1~10,電阻值(歐姆)=10~100)。當我們按壓(X,Y)=(3,5)時,上層會收到50歐姆,而把高度聚焦在5;下層收到30歐姆,而把寬度讀取為3。兩個訊號一起匯入手機軟體中,就能知道按壓點在(X,Y)=(3,5)

 

一般市面上,分成五線~八線式的電阻觸控板,代表的是旁邊電極偵測器的排線數量。上圖所繪屬於簡單的四線式,可以看到橘色跟綠色的電極偵測器共有四個。排線的增加,除了增加偵測精準度,也能使面板的耐用程度提升,不僅更耐刮,使用壽命也增長。

4.結構

5. 缺點

由於每次操作都是以力量與準度解決,久而久之面板當然容易變形囉~!(這也是為甚麼中間要有隔球) 這時我們常常可以發現,要不就沒特別按壓就輸入了訊號,要不就是怎麼努力瞄準都按歪到其他選項,莫名悲催。

電容式

2. 用處:

市面上多數的手機、平板的觸控螢幕,都採用電容式的觸控面板。因為其感測方式,只需要輕觸就能感測,不用製作可拗式表面,也因此減少表面形變的損害。

3. 原理

在觸控螢幕排列感應器和電容,當手指接觸面板時,由於人的皮膚可導電,等於在觸控面板上的電極與手指之間會形成一個新的電容,改變了觸控面板上XY軸線的電容值(電容值越串聯越小,因此變得容易導通),而使微小電流由手指通過。四周的感測器讀出電荷的變化後,經由手機軟體判定正確的觸控位置,將資訊交給app和螢幕。

 由下圖可看出,原來固定分佈感測器的之間的電場(電力線),會因為部分電力線連接至手指皮膚而產生變化

以下是觸摸的模擬圖

4. 結構:

5. 缺點:

由於感測方式,是基於人體導電的方式,戴著手套、或想利用指甲來滑手機,就不可行了。

6. 影片:

 

 

 

只供理論參考 

 

2.手機電磁波與人體的安全探討

電磁波短片:

 

現代人手機不離身,就連睡覺時也不忘充分利用手機的鬧鐘功能,使生活更加便利。但你可能不知道,將手機放在大腦旁邊,長期下來,對人的腦部是非常不好的。

根據我們的研究,業者對於手機電磁波的測試都是在正常強度訊號下去測試,結果是符合安全標準的。但在居家環境中,基地台所發出的訊號小部分被建築結構阻擋,訊號會比較微弱,這時手機電磁波就會增強發射功率。睡眠時電磁波會影響你的腦波,長期下來使你睡眠品質變差,甚至嚴重的話會有頭痛現象。

手機藉由發射電磁波傳輸訊號,所以在接電話或撥打電話的時候,手機會發射電磁波。而功率過強的電磁波可能對身體健康造成影響,根據財團法人台灣電子檢驗中心電磁波人體吸收的程度SAR安全值0.08 W/kg(6.79 W/m2)

在一般條件下使用手機都是符合安全值的,但是在電梯內使用手機,電磁波的發射功率會變大。因在電梯中因屏蔽效應的關係,阻擋了大部分電磁波傳遞,因此電梯中撥打手機勢必要使用更強的電磁波功率,極有可能超過安全標準。

以下我們選了3支手機分別是

Sxmsxng Xalaxy Xote

xPHONE 4

HxC xutterfly

測試在撥出與接收來電時,電磁波人體吸收的程度SAR安全值發現有趣的結 果

SAR

Sxmsxng

xPhone4

HxC

電梯內環境

電梯內撥出

0.05 W/kg

0.10 W/kg

撥不出

0.0030.01W/kg

電梯內撥入

0.09 W/kg

0.11 W/kg

0.04 W/kg

0.0030.04W/kg

實驗結果顯示,接聽電話的電磁波功率明顯大於撥打時的功率。其中xPhone4接聽或撥打都超出安全值Samsxng接聽時超出安全值。

在電梯內由於收訊不良,通常手機也只有12格收訊或最多3格,訊號通常都比一般環境下來的低,而這時如果在電梯裡撥打手機,由於訊號不良,因此手機會自動調節增強對訊號電磁波的接收,所以此時電磁波會增大,比起一般環境下大了數倍或數十倍,所以在收訊不良時撥打手機其實對我們自身安全是有害的

當手機訊號不良撥打手機時,手機會自動調節,增強對電磁波訊號的接收。以下以Sxmsxng xalaxy為例,測試在不同訊號下SAR

訊號格數

1

23

4

xalaxy xote(SAR)

0.21 W/kg

0.05 W/kg

0.03 W/kg

結論:當手機訊號不良時,強行撥打手機,會導致電磁波增強數倍,不僅對自身造成傷害也影響周圍的人。而超出SAR安全值會影響頭痛、頭暈、記憶力減退、不眠、不孕等症狀。

PS:

SAR值與電磁波功率單位換算

SAR=一顆頭的截面積*手機電磁波功率/頭的重量

SAR =(0.152)π * 手機電磁波功率 / 6kg

 

3.距離感測器  (Proximity Sensor)

 

a. 用途

相信沒有人喜歡在打電話的時候,用耳朵誤觸到螢幕而發生甚麼悲劇(像是掛斷電話之類的...),也因此手機設計了距離感測器,讓我們能在撥出號碼後,只要靠近到一定距離,就將觸控功能關閉。直到再次離開到一定的距離,觸控功能才會再次被啟動。

b. 原理

先有一台發射器,只要知道發射訊號的速度,紀錄回彈的時間,就能換算出經過的距離。

c. 應用

發射器射出的訊號有很多種,一般以低頻率的電磁波為主(比較不容易發散掉)

以我們一般手機為例,會放出紅外線來感測距離。

4.電子羅盤(磁場感測器)

地球就是一個大磁鐵,地球磁場的強度為0.3高斯(南美地區和南非)到0.6高斯(加拿大的磁北極附近)

磁場的N極與地理的北極相近,磁極相對與地理的兩極存在著一個約 11.5 度的夾角,利用磁阻效應以測出沿著單一軸的磁場的強度和方向,即可知道目前的方位。磁阻效應的反應是很快的,不會受到諸如線圈和振盪頻率的影響。

PS:磁阻效應是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應,其物理量的定義,是在有無磁場下的電阻差除上原先電阻,用以代表電阻變化率。

5.加速度感測器(也稱重力感測器)

a.應用

玩遊戲或看影片時,我們時常會傾斜手機。為了測量傾斜變化,手機內建MEMS製程的G-sensor,又稱為重力感測元件。

其設計原理為牛頓第二定律,分別利用手機XYZ三個軸的線性速度變化(速度和位移等資訊),來量測手機傾斜角度。因此,G-sensor能夠感測移動、傾斜、墜落等動作。

 

在手機內部的位置,如同下圖

c.   原理

其內部構造,是依照XYZ軸,設計如下的電容裝置(圖中是X軸的)

其中綠色的部分,是固定不會形變的電容板;藍色則是會形變的電容板(下方有模擬的影片,可惜是英文解說...)

當我們忽然向右移動,藍色電容板會因為慣性向左移動;接著我們瞬間急停,藍色電容板又會向右衝過頭。在這些過程中,藍色電容板與綠色電容板之間的距離會改變,這都會影響兩者間的導電度(電容值=介質*(面積/距離),距離,電容值,導電度)

最後將這些電路訊號回傳手機軟體,就能判斷出當前的手機要如何反應了。

 

6.無線充電(Wireless Charging)

a.當前科技應用

samsung手機的充電背蓋(左圖紅圈處)與充電座(右圖)

asus zenphone的充電背蓋(左圖紅圈處)與充電座(右圖)

無線充電只表明不用接線,並不能遠距離充電(相信讓大家失望了~)

b.原理

法拉第定律告訴我們磁生電,我們只需要提供線圈變動的磁場,就能產生變動的電流。一般無線充電座會提供變動的磁場,手機背後會有接收的線圈,將變動的電流(交流電)輸入手機電池充電。

磁感應〈magnetic induction〉:發送端(充電座)和接收端(手機背蓋)各裝置一個線圈,當發送端線圈連接電源(交流電),發送端線圈會產生交流磁場,而後接收端線圈會感應這種交流磁場而產生電流為電池充電。

然而磁感應技術有其物理極限,充電距離無法超過5公釐,且隨著距離的增加,電能損耗會變得很大。透過磁感應充電時,電子裝置會有過熱的問題,對於支援大功率產品會有安全上的疑慮。

 

磁共振〈magnetic resonance〉:為了將能量高效率的傳遞,利用充電基座與待充物相同頻率的共振原理來高效傳輸能量。

如同推盪鞦韆的人,必然要在盪開的時候使力,這時推的頻率必須跟盪的頻率諧和。當發送端與接受端都以相同的頻率振動時,接受端就能以低消耗的方式,接收到發送端所傳遞過來的能量。

 

TOP回首頁

 

 

 

3.演示項目(Demonstration of Experiments)

距離感測arduino:莆洋國際電子,型號0685

左下圖儀器以超音波放出訊號,需搭配右下圖中的電路板(與杜邦轉接線*4)才能使用。

感應角度:15度;探測距離:2~100cm

 

操作: 在電腦上安裝Arduino的軟體,將電路板以USB線連上電腦,接著更改軟體中的設定值(包括音速、換算距離等)

可參考: http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html

參考成果:https://docs.google.com/document/d/1Vwct325cVTkxSkxFjzd3WDMjFXBgfg1sxvNQd11F8YU/edit

 

加速度感測 arduino: KSM002 ADXL335 類比三軸重力加速度感測器模組 傾斜角度模組

ADXL335 : http://aroboto.com/shop/goods.php?id=265

實際操作 :




 

TOP回首頁

 

 

 

4.相關影片連結(Video Link)

三大觸控螢幕主流技術圖解(輕鬆簡單)

http://technews.tw/2014/05/05/indie-technology-touch-screen/

 

電容式觸控螢幕深入了解(內容有點多有點難...)

http://maciku.blogspot.com/2010/11/iphone.html

 

電磁波短片(...)

 

加速度構造原理

http://chinese.engadget.com/2012/05/23/the-engineer-guy-shows-how-a-smartphone-accelerometer-works/

 

無線充電

 

無線充電(磁共振)原理

 

無線充電(磁感應)未來發展


 

TOP回首頁

 

 

5.歷年演示影片(Annual Demonstration Movies)

2014中文演示影片

 

2014英文演示影片

 

 TOP回首頁

 

 

6.家中小實驗(DIY Experiments)

電容式觸控螢幕

可以用導電的材料,嘗試用來觀察手機面板的反應。例如:湯匙、鑰匙…(當然很多手機已經設計了防誤觸的軟體,實驗建議以低階落伍手機...)

P.S.市面上可以看到像是ipad的觸控筆,其筆尖也是使用導電橡膠來操作。

距離感測的手機攝影

以下是我們做的實驗,在手機撥出號碼時,拍攝螢幕上方的區域,可以由照片看到上方的紅色亮點(肉眼看不見)

P.S. 紅點處為紅外線,肉眼看不見,但相機的辨色能力,會將紅外線視為紅光顯現。

 

無線充電

以下是簡易版的基本構造。必須先有一台無線充電座,接著將纏好的線圈搭配上USB線,連接到手機充電的USB接頭(最好將線圈藏在手機背蓋中)。之後只要將手機放上充電座上,就能夠直接充電了。


 

 

 

7.新鮮人創意實驗(Freshman's Innovation)

 

TOP回首頁

 

 

 

8.問題與討論(Questions and discussions)

1.觸控螢幕多點觸控是怎麼設計的?(HARD)

2.電容式和電阻式觸控面板的差別是甚麼?(MEDIUM)

3.哪些地方不適合使用手機?(EASY)

4.距離感測器還能應用在哪些地方?(EASY)

5.電容的概念是甚麼?(HARD)

6.磁感應無線充電有什麼先天限制?(MIDIUM)

7.甚麼是法拉第定律,跟磁感應一樣嗎?(EASY)

8.磁共振有什麼優點?(MIDIUM)

TOP回首頁

 

 

9.相關英文字彙(English Vocabulary)

touch screen(n,)觸控螢幕

Proximity Sensor (n.)距離感測器

magnetic resonance(n.)磁共振

capacitive 電容的

resistive   電阻的 

magnetic induction(n.)磁感應

Accelerometer(n.)線性加速器

electromagnetic radiation (n.)電磁波

Wireless Charging(n.)無線充電

TOP回首頁

 

 

 

10.參考資料(References)

 

觸控螢幕

 

http://maciku.blogspot.com/2010/11/iphone.html

 

How the iPhone Works :

 

http://electronics.howstuffworks.com/iphone1.htm

 

無線充電

 

http://www.technical-direct.com/2013-05/

無線充電技術(Wireless Charging)擺脫麻煩充電器實現無限可能/

加速度感測器與電子羅盤的原理介紹

http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01328152963.pdf

CMOS MEMS 微型加速度計

http://www.usat.org.tw/manager/phpFLY/myUploads/CMOS%20MEMS%20%E5%BE%AE%E5%9E%8B%E5%8A%A0%E9%80%9F%E5%BA%A6%E8%A8%88.pdf

電子羅盤

http://baike.baidu.com/view/1239157.htm

 

TOP回首頁

 

 

 

11.其他(Others)

 

TOP回首頁