by
Ở máy tính xách tay, máy chụp ảnh quay phim và nhất là ở điện thoại di động thế hệ mới, ta thấy rất phổ biến loại màn hình được điều khiển bằng cách lấy ngón tay sờ nhẹ vào vị trí được chỉ dẫn ngay trên màn hình. Tiếng anh gọi đó là touch screen với nghĩa là sờ màn hình để điều khiển.
Màn hình điều khiển bằng cách này gọi là touch screen monitor.
Nguyên tắc sờ nhẹ vào các vị trí trên màn hình để điều khiển là thế nào? ở đây ta chú ý đến cơ chế vật lý để nhận biết được tọa độ của chỗ ngón tay sờ vào còn phần tiếp theo là đưa các thông số về tọa độ cho bộ điều khiển ra lệnh thực hiện các nhiệm vụ quy định tương ứng là phần thuộc về chương trình cho máy tính ta không xét đến.
Cần chú ý là ở cách điều khiển này ngón tay sờ lên các vị trí hiển thị bằng các ký hiệu hiện lên khi màn hình làm việc, do đó việc bố trí các cảm biến các mạch đo, v.v.. đều phải thực hiện trên tấm kính hay tấm nhựa trong suốt ở bên ngoài của màn hình và tất cả phải là trong suốt để nhìn thấy rõ được hình ảnh lên màn hình. Có nhiều cách bố trí để nhận biết được tọa độ chỗ ngón tay sờ vào màn hình, ở đây ta xét một số cách phổ biến.
Nhận biết theo điện trở (resistive touch screen).
Cấu trúc chính là hai lớp dẫn điện trong suốt phủ lên tấm màn hình. Giữa hai lớp dẫn điện là một lớp cách (có các nốt nhô lên) đảm bảo cho giữa hai lớp luôn có một khoảng cách nhỏ nhất định. Bên ngoài hai lớp dẫn điện này có một lớp chống xước (hình 2).
Khi màn hình làm việc, giữa hai lớp dẫn điện có một hiệu điện thế tác dụng, có dòng điện cực nhỏ chạy qua tạo ra một điện trường phân bố tương đối đều. Khi lấy ngón tay sờ vào chỗ nào, chỗ ấy hai lớp dẫn điện chạm nhau, dòng điện cũng như điện trường ở chỗ đó thay đổi đột biến. Mạch điện bố trí ở chỗ xung quanh xác định được tọa độ của vị trí có đột biến tức là chỗ ngón tay sờ vào. Bộ điều khiến nhận được thông tin về tọa độ này sẽ đưa ngay ra các lệnh đã quy định với tọa độ đó để máy tính thực hiện. Nội dung của những lệnh này thường được ghi tóm tắt hoặc vẽ thành biểu tượng, ký hiệu dễ hiểu cho người sử dụng.
Nhận biết theo điện dung.
Để dễ hiểu ta xét cách nhận biết theo điện dung bề mặt (surface - capacitive touch screen) (hình 3).
Trên bề mặt tấm thủy tinh của màn hình người ta phủ một lớp dẫn điện, ở bốn góc người ta bố trí các điện cực, được nối điện sao cho có một điện thế thấp ở lớp dẫn điện, tạo ra một điện trường đều.
Cơ thể người là một vật dẫn điện, khi ta lấy ngón tay sờ vào chỗ nào trên màn hình, có một dòng điện từ đó dịch về các điện cực ở bốn góc màn hình. Về lý thuyết độ dịch chuyển đó về bốn góc tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ sờ đến bốn góc. Mạch đo xác định được tỷ lệ của các dòng điện dịch về bốn góc và tính ra được tọa độ của điểm mà ngón tay sờ (hình 4).
Bộ điều khiển nhận được thông tin về tọa độ của vị trí ngón tay sờ vào sẽ ra lệnh thực hiện các nhiệm vụ quy định ứng với vị trí đó.
Nhận biết theo sóng bề mặt (surface wave)
Trên màn hình ở hai bên và trên dưới người ta bố trí dãy các ô phát và ô thu sóng siêu âm. Các ô phát và ô thu này đều làm bằng các vật liệu áp điện dưới dạng lớp mỏng, có các điện cực nối đến. Bình thường các ô phát phát ra sóng siêu âm lan truyền trên bề mặt màn hình và đi đến ô thu đối diện, các đường đi của sóng tạo ra một mạng lưới đều đặn. Nếu lấy ngón tay sờ vào chỗ nào trên màn hình, sóng siêu âm đến chỗ đó bị hấp thu tương ứng (hình 5). Từ đó người ta xác định được tọa độ của vị trí mà ngón tay sờ vào. Bộ điều khiển nhận được thông tin về tọa độ của vị trí ma ngón tay sờ vào đó để ra lệnh cho máy tính thực hiện các nhiêm vụ quy định ứng với tọa độ đó.
Các ô phát và thu sóng âm bố trí theo chiều ngang (và chiều dọc).
Còn nhiều cách nhận biết khác như nhận biết theo tia hồng ngoại, theo ảnh quang học, theo điện dung hỗ cảm, theo tín hiệu tán xạ v.v.. nhưng đều theo nguyên tắc chung là xác định được tọa độ vị trí ngón tay sờ vào để bộ điều khiển tiếp nhận và ra lệnh thực hiện. Mỗi cách nhận biết tọa độ có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ta thử so sánh ba cách nhận biết đã trình bày.
Ở cách nhận biết theo điện trở phải phủ lên bề mặt màn hình hai lớp dẫn điện, giữa là lớp cách. Khó khăn là chất dẫn điện cũng là chất ánh sáng rất khó xuyên qua tức lá không trong suốt. Chất dẫn diện có độ trong suốt tốt nhất là ITO hợp chất oxyt của Inđi va thiếc (Tin). Hai lớp ITO dẫn điện làm hấp thụ đến 25% ánh sáng xuyên qua, do đó đối với màn hình điều khiển bằng cách sờ theo kiểu điện trở, độ sáng của hình ảnh nhìn thấy chỉ còn 75%. Nhưng màn hình kiểu này bền, giá rẻ, điều khiển bằng ngón tay hay cái que nhỏ đều được.
Ở màn hình điều khiển theo kiểu điện dung, bên trên chỉ một lớp dẫn điện ITO thôi nên độ sáng của hình ảnh nhìn thấy còn đến trên 90%, khá rõ. Tuy nhiên phải sờ bằng ngón tay để điều khiển, không phải lấy vật gì khác bất kỳ cho tiếp xúc để điều khiển được. Độ bền ở đây cũng kém hơn so với kiểu điện trở. Còn màn hình điều khiển theo kiểu sóng siêu âm bề mặt, phía trên màn hình không cần phải phủ lên lớp gì nên xem như không có gì cản trở độ ánh sáng của hình ảnh hiện lên màn hình. Tuy nhiên cấu tạo phức tạp, đắt tiền và dễ hư hỏng.
Điều khiển bằng cách lấy ngón tay sờ vào màn hình có nhiều thuận tiện hơn là điều khiển theo cách ấn bàn phím, đặc biệt là ở điện thoại di động. Nhiều phát minh công nghệ mới được vận dụng vào đây để cải tiến. Thí dụ ở giải Nobel Vật lý 2010 người ta cho rằng trong thời gian tới graphen có thể thay thế cho màng mỏng ITO để làm các màng mỏng dẫn điện trong suốt trong chế tạo điện thoại di đông thế hệ mới. Tìm hiểu thêm về Graphen tại đây.
Màn hình điều khiển bằng cách này gọi là touch screen monitor.
Nguyên tắc sờ nhẹ vào các vị trí trên màn hình để điều khiển là thế nào? ở đây ta chú ý đến cơ chế vật lý để nhận biết được tọa độ của chỗ ngón tay sờ vào còn phần tiếp theo là đưa các thông số về tọa độ cho bộ điều khiển ra lệnh thực hiện các nhiệm vụ quy định tương ứng là phần thuộc về chương trình cho máy tính ta không xét đến.
Cần chú ý là ở cách điều khiển này ngón tay sờ lên các vị trí hiển thị bằng các ký hiệu hiện lên khi màn hình làm việc, do đó việc bố trí các cảm biến các mạch đo, v.v.. đều phải thực hiện trên tấm kính hay tấm nhựa trong suốt ở bên ngoài của màn hình và tất cả phải là trong suốt để nhìn thấy rõ được hình ảnh lên màn hình. Có nhiều cách bố trí để nhận biết được tọa độ chỗ ngón tay sờ vào màn hình, ở đây ta xét một số cách phổ biến.
Nhận biết theo điện trở (resistive touch screen).
Cấu trúc chính là hai lớp dẫn điện trong suốt phủ lên tấm màn hình. Giữa hai lớp dẫn điện là một lớp cách (có các nốt nhô lên) đảm bảo cho giữa hai lớp luôn có một khoảng cách nhỏ nhất định. Bên ngoài hai lớp dẫn điện này có một lớp chống xước (hình 2).
Hình 2. Nhận biết tọa độ theo điện trở.
Chỗ ngón tay sờ vào hai lớp dẫn điện tiếp xúc nhau.
Khi màn hình làm việc, giữa hai lớp dẫn điện có một hiệu điện thế tác dụng, có dòng điện cực nhỏ chạy qua tạo ra một điện trường phân bố tương đối đều. Khi lấy ngón tay sờ vào chỗ nào, chỗ ấy hai lớp dẫn điện chạm nhau, dòng điện cũng như điện trường ở chỗ đó thay đổi đột biến. Mạch điện bố trí ở chỗ xung quanh xác định được tọa độ của vị trí có đột biến tức là chỗ ngón tay sờ vào. Bộ điều khiến nhận được thông tin về tọa độ này sẽ đưa ngay ra các lệnh đã quy định với tọa độ đó để máy tính thực hiện. Nội dung của những lệnh này thường được ghi tóm tắt hoặc vẽ thành biểu tượng, ký hiệu dễ hiểu cho người sử dụng.
Nhận biết theo điện dung.
Để dễ hiểu ta xét cách nhận biết theo điện dung bề mặt (surface - capacitive touch screen) (hình 3).
Hình 3. Nhận biết tọa độ theo điện dung
Điện thế thấp tác dụng ở bốn góc. Có dòng điện nhỏ chạy qua ngón tay gây đột biến về điện ở chỗ sờ.
Trên bề mặt tấm thủy tinh của màn hình người ta phủ một lớp dẫn điện, ở bốn góc người ta bố trí các điện cực, được nối điện sao cho có một điện thế thấp ở lớp dẫn điện, tạo ra một điện trường đều.
Cơ thể người là một vật dẫn điện, khi ta lấy ngón tay sờ vào chỗ nào trên màn hình, có một dòng điện từ đó dịch về các điện cực ở bốn góc màn hình. Về lý thuyết độ dịch chuyển đó về bốn góc tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ sờ đến bốn góc. Mạch đo xác định được tỷ lệ của các dòng điện dịch về bốn góc và tính ra được tọa độ của điểm mà ngón tay sờ (hình 4).
Hình 4. Nhận biết tọa độ theo điện dung. Bố trí đo điện để tính ra tọa độ
Bộ điều khiển nhận được thông tin về tọa độ của vị trí ngón tay sờ vào sẽ ra lệnh thực hiện các nhiệm vụ quy định ứng với vị trí đó.
Nhận biết theo sóng bề mặt (surface wave)
Trên màn hình ở hai bên và trên dưới người ta bố trí dãy các ô phát và ô thu sóng siêu âm. Các ô phát và ô thu này đều làm bằng các vật liệu áp điện dưới dạng lớp mỏng, có các điện cực nối đến. Bình thường các ô phát phát ra sóng siêu âm lan truyền trên bề mặt màn hình và đi đến ô thu đối diện, các đường đi của sóng tạo ra một mạng lưới đều đặn. Nếu lấy ngón tay sờ vào chỗ nào trên màn hình, sóng siêu âm đến chỗ đó bị hấp thu tương ứng (hình 5). Từ đó người ta xác định được tọa độ của vị trí mà ngón tay sờ vào. Bộ điều khiển nhận được thông tin về tọa độ của vị trí ma ngón tay sờ vào đó để ra lệnh cho máy tính thực hiện các nhiêm vụ quy định ứng với tọa độ đó.
Hình 5. Nhận biết tọa độ theo sóng âm bề mặt
Hình 6. Chỗ ngón tay sờ vào sóng âm bị hấp thụ.
Các ô phát và thu sóng âm bố trí theo chiều ngang (và chiều dọc).
Còn nhiều cách nhận biết khác như nhận biết theo tia hồng ngoại, theo ảnh quang học, theo điện dung hỗ cảm, theo tín hiệu tán xạ v.v.. nhưng đều theo nguyên tắc chung là xác định được tọa độ vị trí ngón tay sờ vào để bộ điều khiển tiếp nhận và ra lệnh thực hiện. Mỗi cách nhận biết tọa độ có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ta thử so sánh ba cách nhận biết đã trình bày.
Ở cách nhận biết theo điện trở phải phủ lên bề mặt màn hình hai lớp dẫn điện, giữa là lớp cách. Khó khăn là chất dẫn điện cũng là chất ánh sáng rất khó xuyên qua tức lá không trong suốt. Chất dẫn diện có độ trong suốt tốt nhất là ITO hợp chất oxyt của Inđi va thiếc (Tin). Hai lớp ITO dẫn điện làm hấp thụ đến 25% ánh sáng xuyên qua, do đó đối với màn hình điều khiển bằng cách sờ theo kiểu điện trở, độ sáng của hình ảnh nhìn thấy chỉ còn 75%. Nhưng màn hình kiểu này bền, giá rẻ, điều khiển bằng ngón tay hay cái que nhỏ đều được.
Ở màn hình điều khiển theo kiểu điện dung, bên trên chỉ một lớp dẫn điện ITO thôi nên độ sáng của hình ảnh nhìn thấy còn đến trên 90%, khá rõ. Tuy nhiên phải sờ bằng ngón tay để điều khiển, không phải lấy vật gì khác bất kỳ cho tiếp xúc để điều khiển được. Độ bền ở đây cũng kém hơn so với kiểu điện trở. Còn màn hình điều khiển theo kiểu sóng siêu âm bề mặt, phía trên màn hình không cần phải phủ lên lớp gì nên xem như không có gì cản trở độ ánh sáng của hình ảnh hiện lên màn hình. Tuy nhiên cấu tạo phức tạp, đắt tiền và dễ hư hỏng.
Điều khiển bằng cách lấy ngón tay sờ vào màn hình có nhiều thuận tiện hơn là điều khiển theo cách ấn bàn phím, đặc biệt là ở điện thoại di động. Nhiều phát minh công nghệ mới được vận dụng vào đây để cải tiến. Thí dụ ở giải Nobel Vật lý 2010 người ta cho rằng trong thời gian tới graphen có thể thay thế cho màng mỏng ITO để làm các màng mỏng dẫn điện trong suốt trong chế tạo điện thoại di đông thế hệ mới. Tìm hiểu thêm về Graphen tại đây.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: