Mỗi lần chạm vào điện thoại, màn hình biết chính xác ngón tay đang ở đâu dù bề mặt chỉ là một tấm kính phẳng. Bí mật nằm ở một lưới điện cực trong suốt dưới mặt kính và ở một tính chất ít ai để ý: cơ thể người dẫn điện.

Phần lớn smartphone hiện nay dùng cảm ứng điện dung: thay vì đo lực ấn, nó đo thay đổi rất nhỏ của điện tích mà ngón tay gây ra trên các điện cực.

Tấm cảm ứng điện dung của một chiếc điện thoại, soi nghiêng dưới ánh sáng để thấy các đường dẫn điện trong suốt xếp thành lưới

Tụ điện và ngón tay

Theo tài liệu kỹ thuật của Texas Instruments (TI), hai vật dẫn bất kỳ đặt đủ gần nhau, có chất cách điện ở giữa, đều tạo thành một tụ điện. Khả năng tích điện tích của nó gọi là điện dung.

Một tấm cảm ứng điện dung gồm lớp cách điện như kính, phủ vật liệu dẫn điện trong suốt, thường là oxit thiếc indi (ITO). Khi ngón tay chạm vào, trường tĩnh điện trên bề mặt bị biến dạng và sự biến dạng này đo được dưới dạng thay đổi điện dung. Có hai cách đo chính:

• Tự điện dung (self-capacitance): đo điện dung của từng điện cực so với đất. Ngón tay đến gần làm điện dung tăng, thường thêm khoảng 1 đến 10 pF.
• Điện dung tương hỗ (mutual capacitance): đo điện dung giữa hai điện cực đặt chéo nhau. Cơ thể người nối với đất nên ngón tay chen vào giữa có tác dụng gần giống đặt một vật nối đất ở đó, làm điện dung giảm, thường dưới 1 pF.

Lưới hàng và cột quét liên tục

Màn hình điện thoại dùng kiểu điện dung tương hỗ chủ yếu bố trí điện cực thành lưới: các đường ngang làm cực phát (TX), các đường dọc làm cực thu (RX), hoặc ngược lại. Mỗi giao điểm giữa một hàng và một cột là một tụ điện nhỏ.

Bộ điều khiển lần lượt đưa xung điện áp tần số cao vào từng hàng. Xung này truyền sang mọi cột cắt qua nó, và bộ điều khiển đo tín hiệu nhận được ở từng cột. Chỗ nào tín hiệu yếu đi đáng kể, chỗ đó có ngón tay.

Sơ đồ minh họa: bộ điều khiển lần lượt phát xung trên từng hàng TX, đo tín hiệu ở các cột RX và tìm nút có điện dung giảm

Vì mỗi giao điểm được đo riêng, bộ điều khiển xác định được nhiều điểm chạm cùng lúc, nền tảng của thao tác đa điểm như dùng hai ngón để phóng to ảnh. Wikipedia nêu ví dụ một lưới 16 x 14 đường có 224 giao điểm, tức 224 tụ điện; càng nhiều giao điểm, độ phân giải càng cao.

Ngón tay thường phủ lên vài nút cùng lúc. Bộ điều khiển dùng thuật toán tính trọng tâm, lấy tín hiệu của nút mạnh nhất và các nút lân cận để nội suy vị trí. Theo tài liệu thiết kế của Infineon, một thanh trượt cảm ứng chỉ có 5 đoạn điện cực vẫn phân biệt được ít nhất 100 vị trí ngón tay.

Quảng cáo

Vì sao tự điện dung khó nhận nhiều ngón

Tự điện dung cũng có thể bố trí theo hàng và cột, nhưng mỗi hàng và mỗi cột được đo độc lập. Nếu chạm hai ngón ở hai góc chéo nhau, bộ điều khiển chỉ biết hai hàng và hai cột đang "sáng", không phân biệt được với hai góc chéo còn lại. TI gọi đây là hiện tượng điểm ma (ghosting). Bù lại, tự điện dung nhạy hơn nên thường dùng để phát hiện ngón tay lơ lửng gần màn hình.

Từ phòng điều khiển máy gia tốc đến túi quần

Màn hình cảm ứng điều khiển bằng ngón tay đầu tiên do Eric A. Johnson tại Royal Radar Establishment (Anh) phát triển và mô tả trong một bài báo năm 1965. Ở CERN, kỹ sư Bent Stumpe đề xuất màn hình cảm ứng điện dung trong ghi chú viết tay ngày 11/3/1972 để điều khiển máy gia tốc SPS. Các tụ điện là những đường đồng khắc trên kính, rộng 80 µm, đủ mảnh để không nhìn thấy.

Hai màn hình cảm ứng điện dung đời đầu do CERN phát triển: bên phải là màn hình tự điện dung năm 1972, bên trái là nguyên mẫu dạng lưới x-y năm 1977

Khi SPS khởi động năm 1976, phòng điều khiển đã trang bị đầy đủ màn hình cảm ứng, theo CERN Courier có lẽ là ứng dụng đầu tiên của màn hình cảm ứng điện dung trên thế giới. Cuối thập niên 1970, Stumpe làm tiếp phiên bản lưới x-y dùng điện dung tương hỗ.

Những giới hạn quen thuộc

Quảng cáo

• Găng tay và bút nhựa: vật liệu cách điện chặn ảnh hưởng của ngón tay lên trường điện, nên cần bút cảm ứng điện dung hoặc găng có sợi dẫn điện ở đầu ngón.
• Sạc kém chất lượng: nguồn có điện áp nhiễu có thể tạm thời làm giảm độ chính xác và độ nhạy cảm ứng.
• Mỏng hơn: công nghệ in-cell, như trên màn Super AMOLED của Samsung, đưa lớp cảm ứng vào trong tấm hiển thị.

Chip điều khiển cảm ứng Atmel mXT1386 gắn trên tấm cảm ứng của máy tính bảng Motorola Xoom, nơi xử lý tín hiệu từ lưới điện cực

Theo Wikipedia, bộ điều khiển thường là một chip CMOS chuyên dụng, chuyển tín hiệu sang bộ xử lý tín hiệu số để tính ra vị trí chạm. Mỗi cú chạm tưởng đơn giản thực chất là kết quả của hàng trăm phép đo điện dung chỉ chênh nhau chưa đến một picofarad.

Nguồn:

Wikipedia

,

Texas Instruments

,

CERN Courier

,

Infineon

,

Explain that Stuff