新潮流手机折叠屏磁感应角度侦测
时间：2023-01-13
作者：iSentek公司
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继5G手机热潮延烧，当前手机业最热门的话题就是折叠屏，目前三星已抢先推出该主题的手机。兼具轻巧机身与大版面屏幕的特点，以及不同开合角度的模式切换，折叠屏手机已在市场上掀起风潮。华为、OPPO、vivo、小米等国内各大厂商的相同概念机型，也如雨后春笋般陆续推出。本文将以屏幕开合角度侦测为主题作深入解析。
折叠屏开合角度侦测主要实现多模式切换，不同手机屏幕夹角对应不同应用模式，常见如下：
实际上，还支持更高级的功能，包括可实现应用程序的流畅切换、大小屏幕界面编排等。
综观手机厂商，目前采用的折叠角度侦测解决方案大致分为以下三种：
双加速度计解决方案
该方案中，在上下屏幕各装置一颗加速度计，透过两者感测得到的倾角输出差异换算，得到两颗加速度计的角度差异，进一步比对出手机屏幕夹角，然而，相较于手机屏幕此方案较适合用于笔记本电脑的角度侦测，由于笔记本电脑使用时一般置于桌面，可避免旋转轴垂直地心时，读取数值无相对差值而失效的缺陷；
双惯性测量单元解决方案
惯性测量单元由陀螺仪与加速度计两种微动组件组合，該方案中，在上下屏幕各放置一颗惯性测量单元，由于有陀螺仪辅助(在加速度计失效时可接续量测)，可解决双加速度计旋转轴平行重力方向无法辨别的问题，但除成本昂贵外，重力或陀螺仪因内部有类似微型弹簧的震荡结构，利用柯氏力原理进行角度的转动侦测，这些精密的微结构，受到冲击或是震荡，从而产生卡轴相关的结构故障，一旦出现此类故障，通常需要更换零件才能修复，否则功能几乎无法恢复。
磁传感器搭配磁铁解决方案
磁传感器搭配磁铁的方案，可有效克服前两种方案的缺陷，是近期手机厂商积极评估的技术方案。以下会针对爱盛科技的磁传感器方案做详尽介绍。爱盛科技专长于磁传感器半导体技术，所生产的磁传感器及位置传感器产品已大量应用于手机、无人机、以及手持云台等消费类电子产品。近年来，为手机客户推出定制化的折叠屏解决方案，选用物料性能优异，并对应客户个别产品的磁场环境进行磁铁选型，提供位置摆放建议、磁场模拟、算法校正等专业服务。
爱盛折叠屏幕磁传感器解决方案，系在轴承位置配置一颗磁铁，磁传感器位于下半屏幕(如图1)。其工作原理是磁铁随屏幕开合有姿态变化，磁传感器感测到的磁场强度亦随之改变(如图2)。由于上下盖透过铰链结构与中心机构件为对开的联动关系，只需侦测轴心机构与下盖的关系，即可换算出上下盖角度变化。
图1: 磁传感器安置在下半屏幕，以对应轴承位置所配置的磁铁。
图2：图1中所示的磁铁随屏幕开合产生姿态变化，磁传感器感测到的磁场强度亦随之改变。
对于爱盛科技的传感器而言，当感测强度变化后，传感器本身会进行运算，将屏幕开合角度值输出给主控芯片。由于磁传感器是基于电磁特性进行物理量的侦测，并非使用微型机械结构进行力学的物理量测量，因此能更好抵抗手机在日常使用中的意外跌落，震动，撞击等引发的物理冲击，这是该方案可取代微动组件方案的重要优势。此外，该方案为单芯片解决方案，故具备厂商通常都会考虑的成本优势。
本方案选用的芯片为IST8309三轴霍尔传感器，其特点如下：
一般霍尔传感组件仅能感测Z轴磁场，市面上的竞争产品通常透过电镀导磁材料，改变磁力线方向做X, Y轴感测；不过，导磁材料容易产生磁滞效应，在强磁环境下会造成感测误差。欲避免此负面影响，须限制传感器的动态范围。IST8309采用特殊霍尔组件设计，无须导磁材料即可侦测三轴磁场，受磁滞干扰小，动态范围不受限，可大幅提高磁铁选型与磁铁位置安排的便利性。
磁传感器在感测三轴磁场强度后，输出三轴磁场原始数据，IST8309有内建角度运算功能，侦测磁场强度值后即进行数字角度运算，可直接把角度(即为当前开合角度)输出给手机主芯片。如此，可减少客户软件代码量，减少工程师开发阶段的工作，并提供更多软件设计弹性
IST8309芯片内建有中断功能，开合角度为0~20˚时，可取代磁开关功能，唤醒主芯片显示屏幕；开合角度为20~180˚时，当角度有变化时进行唤醒；另外，主芯片在角度固定时进入休眠，可减少功耗。
不过，要充分发挥磁传感器方案的优势，必须注意一些事项，包括规划时需要考虑感应磁场的设计、周围干扰源的处理等。一般常见干扰包括硬磁干扰和软磁干扰两种：
硬磁干扰
手机系统常遇到的硬磁干扰源包括电路与导线的电流、扬声器、麦克风等。直流导线可采用双绞线方式，使磁场互相抵消以减少影响；传感器需要特别避开/远离时变的磁场(例如电流不断变化的电路、扬声器等)。在设计期间，爱盛科技提供仿真服务，利用专业软件进行仿真，事先避开易受干扰区域，或透过校正方式消除固定磁场干扰。
软磁干扰
手机系统常遇到的软磁有电容、NFC天线或铁钴镍材质等组件。设计时必须避开系统内的软磁，再依据出厂前的取样进行校正。对磁场或材料干扰的问题，是设计期间就需要解决的。严谨完善的设计考虑，可有效避免日常使用上的限制，方能达到良好的用户体验。爱盛科技为客户提供真正包括软硬件的全方位服务，所提供的专业且完整的服务包括设计期间的建议，也同时兼顾量产时的角度校正与算法修正等。
虽然磁传感器方案有其限制，但品牌厂商仍愿意不断尝试，寻求更佳的磁侦测解决方案。爱盛科技凭借磁领域的专业基础和客户至上的态度，透过与客户的紧密交流互动，协助客户逐一克服技术难点，已成功开发出数款折叠屏手机的开合角度侦测解决方案，使后续折叠屏手机在不同功能的使用上，能实现更多实用且有趣的用户体验；与客户共创双赢，也为品牌在尖端市场中赢下口碑。
(备注：本栏目仅代表厂商观点)
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