新潮流手機折疊螢幕磁感應角度偵測
2023-01-31
作者
iSentek供稿
兼具輕巧機身與大尺寸螢幕的特點，以及不同開合角度的模式切換，折疊螢幕手機已在市場上掀起風潮。本文將以螢幕開合角度偵測為主題作深入解析…
繼5G手機熱潮延燒，當前手機產業最熱門的話題就是折疊螢幕，目前三星(Samsung)已搶先推出該主題的手機。兼具輕巧機身與大尺寸螢幕的特點，以及不同開合角度的模式切換，折疊螢幕手機已在市場上掀起風潮。華為、OPPO、vivo、小米等中國廠商的相同概念機型，也如雨後春筍般陸續推出，本文將以螢幕開合角度偵測為主題作深入解析。
折疊螢幕開合角度偵測主要實現功能為多模式切換，最常見為螢幕夾角0°時是「封面螢幕」模式；90°~179°時，手機下半螢幕充當腳架，可進行多角度自拍或類筆記型電腦操作；180°完全展開後如同一般手機或平板電腦的功能使用。更進階的功能可以實現應用程式的流暢切換、大小螢幕介面編排等。
綜觀手機廠目前採用的折疊角度偵測方案大致分為三種：1.雙加速度計(Acc)、2.雙慣性測量單元(IMU)、3.磁感測器搭配磁鐵。雙加速度計方案在上下螢幕各裝置一顆加速度計，透過兩者感測得到的傾角輸出差異換算，得到兩顆加速度計的角度差異，進一步比對出手機螢幕夾角。相較於手機螢幕，此方案較適合用於筆記型電腦的角度偵測，由於筆記型電腦使用時一般置於桌面，可避免旋轉軸垂直地心時，讀取數值無相對差值而失效的缺陷；而雙慣性量測單元是陀螺儀與加速度計兩種微動元件組合，在上下螢幕各放置一顆，由於有陀螺儀輔助(在加速度計失效時可接續測量)，可解決雙加速度計旋轉軸平行重力方向無法辨別的問題。但除成本昂貴外，重力或陀螺儀因內部有類似微型彈簧的震動結構，利用柯氏力(Coriolis Force)原理進行角度的轉動偵測，這些精密的微結構，受到衝擊或是震動，會產生卡軸相關的結構故障，功能幾乎難以還原，需要更換零件才能修復；而磁感測器搭配磁鐵的方案可有效避免前兩者的缺陷，是近期手機廠積極評估的方案。
愛盛科技專長於磁感測器半導體技術，所生產的磁感測器及位置感測器產品已大量應用於手機、無人機，以及手持雲台等消費類電子產品。愛盛折疊螢幕磁感測器解決方案，系在軸承位置配置一顆磁鐵，磁感測器位於下半螢幕(圖1)。其工作原理是磁鐵隨螢幕開合有姿態變化，磁感測器感測到的磁場強度亦隨之改變(圖2)。由於上下蓋透過鉸鏈結構與中心機構件為對開的聯動關係，只需偵測軸心機構與下蓋的關係，即可換算出上下蓋角度變化。
圖1：磁感測器安置在下半螢幕，以對應軸承位置所配置的磁鐵。
圖2：圖1中所示的磁鐵隨螢幕開合產生姿態變化，磁感測器感測到的磁場強度亦隨之改變。
對於愛盛科技的感測器而言，當感測強度變化後，感測器本身會進行運算，將螢幕開合角度值輸出給主控晶片。由於磁感測器是基於電磁特性進行物理量的偵測，並非使用微型機械結構進行力學的物理量測量，因此能更好抵抗手機在日常使用中的意外跌落、震動、撞擊等引發的物理衝擊，這是該方案可取代微動元件方案的重要優勢。此外，該方案為單晶片解決方案，因此具備廠商通常都會考慮的成本優勢。
不過，要充分發揮磁感測器方案的優勢，必須注意一些事項，包括規劃時需要考慮感應磁場的設計、周圍干擾源的處理等。一般常見干擾包括硬磁干擾和軟磁干擾兩種。
硬磁干擾
手機系統常遇到的硬磁干擾源包括電路與導線的電流、揚聲器、麥克風等。直流導線可採用雙絞線方式，使磁場互相抵消以減少影響；感測器需要特別避開/遠離時變的磁場(例如電流不斷變化的電路、揚聲器等)。
軟磁干擾
手機系統常遇到的軟磁有電容、NFC天線或鐵鈷鎳材質等零件。設計時必須避開系統內的軟磁，再依據出廠前的取樣進行校正。對磁場或材料干擾的問題，是設計期間就需要解決的。嚴謹完善的設計考慮，可有效避免日常使用上的限制，方能達到良好的用戶體驗。
雖然磁感測器方案有其限制，但品牌廠商仍願意不斷嘗試，尋求更佳的磁偵測解決方案。愛盛科技憑藉磁領域的專業基礎，透過與客戶的緊密交流互動，協助客戶逐一克服技術難點，成功開發出數款折疊螢幕手機的開合角度偵測解決方案，使後續折疊螢幕手機在不同功能的使用上，能實現更多實用且有趣的用戶體驗。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年1月號
