手機觸控螢幕的原理是什麼?

2020-12-18 李永樂物理

我們每天都在使用觸控螢幕的電子設備,比如手機、平板電腦。大家知道觸控螢幕的工作原理是什麼嗎?它是怎麼知道我們手指的位置的?為什麼手機貼了膜一樣可以使用,而帶著手套就不能正常使用了呢?

目前,市面上使用的觸控螢幕多數是電容式觸控螢幕。為了了解它的工作原理,我們首先解釋一下電容是什麼。

電容

1745年,荷蘭萊頓大學教授馬森布羅克發明了萊頓瓶,用來儲存電荷。

萊頓瓶的基本原理是:通過一根導電的金屬棒和金屬鏈將電荷導入瓶子中,瓶子內外分別貼有金屬箔。這樣,電荷就會儲存在瓶子中。現在我們知道:當正電荷導入瓶子中的金屬箔上時,如果瓶子外側金屬箔接地,等量的負電荷就會被吸引到外側金屬箔上。正負電荷相互吸引,但是由於玻璃瓶是絕緣體,阻礙了它們的中和,所以電荷就儲存下來了。

1752年,美國獨立戰爭的領袖,印在百元美鈔上的富蘭克林利用萊頓瓶做了著名的「風箏實驗」,使用風箏將天上的雷電導入了萊頓瓶中,證明了天上的閃電和地上的電是同一種物質。

其實,要儲存電荷,並不一定需要瓶子。只要兩個相互絕緣並且靠近的導體就能起到同樣的作用,我們稱之為電容器。最簡單的電容器是平行板電容器。將兩塊金屬板彼此靠近,一個極板帶正電, 另一個極板帶負電,由於電荷之間的吸引作用,只要兩個電極沒有通過外電路連通,電荷就不會跑掉。

電容器中央是絕緣的,理論上說電流是不能通過電容器的。但是,在電容器充電和放電的過程中,電容器極板上電荷量會有變化,可以看作是電流通過了電容器。

比如,我們將本來不帶電的電容器與電池兩極相接, 電容器就會充電,即正電荷湧入電容器的上極板,負電荷湧入電容器的下極板。電路中除了電容器兩極板之間部分外,其餘部分都有電流,電流方向規定為正電荷定向移動的方向,所以我們可以說,電路中出現了順時針的充電電流。這個電流是瞬間的,當電容器的電壓與電池的電壓相同時,電流就消失了。類似於一個連通器,最初左側的水面比較高,水就會流動。當兩側水面一樣高時,水面就不再流動了。

當電容器充滿電之後,即使我們斷開電源,電容器上的電荷也不會消失。但是,如果我們將電容器兩個極板用導線直接相連,正負電荷就找到了一條可以中和的通路,於是,正電荷和負電荷就會通過這個通路中和, 電路中出現逆時針的電流,這個電流稱為放電電流。放電電流也是瞬間的,電荷中和完畢之後,放電電流就消失了。

如果電容器反覆進行充電和放電,電路中就會反覆出現充電電流和放電電流,並且充電電流與放電電流的方向是相反的。這種電流就是我們之前講過的交流電。現在我們知道了,交流電可以通過電容器。

我們知道, 試電筆是可以測量一個導線是否帶電。你是否想過,如果站在椅子上用試電筆接觸火線,試電筆會不會亮呢?

由於人和大地都是導體,而椅子是絕緣體,而家用電是交流電,因此可以通過電容器,即使站在椅子上用試電筆觸摸火線,試電筆依然會量,表示依然有電流通過了試電筆和人體。只是這個電流比較小,人體沒有什麼感覺。

電容屏

現在我們終於可以解釋電容觸控螢幕原理了。簡單的電容屏是一個四層複合玻璃板,其中有層ITO材料。ITO是一種氧化銦錫材料,它透明,並且可以導電,適合於製造觸控螢幕幕。

當手指接觸屏幕上某個部位時,就會與ITO材料構成耦合電容,改變觸點處的電容大小。屏幕的四個角會有導線,由於交流電可以通過電容器,四個導線的電流會奔向觸點,並且電流大小與到觸點的距離有關。手機內部的晶片可以分析四個角的電流,通過計算就可以得到觸點的位置。

更加精細的電容屏是投射式電容屏。它採用被蝕燭的ITO陣列,這些ITO層通過蛀蝕形成多個水平和垂直電極。每一部分的ITO部件也帶有傳感功能。

當手指觸摸某個部位時,與陣列電容進行耦合,改變了屏幕上的電場,通過傳感器和晶片分析電場合電流變化,就可以感知觸點位置。相比於之前的四角電流電容屏幕,這種電容屏可以實現多點觸控,應用更加廣泛。

人的手指是導體,才會影響電容屏幕,而使用絕緣物質觸碰電容屏幕就沒法操作手機。手機貼膜也可以使用,這是因為手指與ITO層原本也不需要接觸,中間本身就有玻璃絕緣層,貼絕緣膜的作用只是相當於玻璃厚了一點點,電流依然可以流過手指和屏幕中的導體所形成的電容器。不過,如果手套太厚了,觸碰觸控螢幕時手指與屏幕中的導體相隔太遠,電容比較小,不足以被傳感器感知,所以戴著厚手套是不能操作手機的。

其實,電容傳感器在生活中還有很多,比如廁所裡常見的自動衝水裝置、自動幹手機等,許多都是利用過電容傳感的。當人體靠近或原離時,人體與裝置構成的電容發生了變化,傳感器感受到這種變化,控制電路進行某種操作。

傳感器在生活中,簡直是無處不在!

作者李永樂老師:北京大學物理與經濟雙學士,清華大學電子工程碩士;北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年,培養清華北大學生200餘人,國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。「美提課堂」主講老師。

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