Được sử dụng rộng rãi từ khá lâu trong các máy rút tiền tự động (ATM), máy tính tiền tại cửa hiệu bán lẻ hay siêu thị, hệ thống hướng dẫn lái xe gắn trên ô-tô, ki-ốt thông tin tại các địa điểm công cộng, màn hình trong lĩnh vực y tế hay bảng điều khiển trong sản xuất công nghiệp, vài năm trở lại đây, màn hình cảm ứng (touch screen) trở nên phổ biến trên thiết bị điện tử, máy giải trí cầm tay và điện thoại di động. Đặc biệt, màn hình cảm ứng đã bước sang một trang mới, được nhiều người dùng quan tâm hơn với sự xuất hiện của khái niệm "cảm ứng đa chạm" mà chiếc điện thoại thông minh iPhone tiên phong mang đến cho người dùng những trải nghiệm mới trong tương tác, điều khiển thiết bị cũng như ứng dụng.

Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu những khái niệm cơ bản về màn hình cảm ứng, các chủng loại màn hình cảm ứng đang được sử dụng đại trà và nguyên lý hoạt động của chúng.

Định nghĩa

Nói theo kiểu "bình dân" thì màn hình cảm ứng là dạng màn hình thể hiện sự "nhạy cảm" và có những "phản hồi" với các thao tác tiếp xúc, tác động của ngón tay, bút trâm (stylus)... lên bề mặt màn hình. Màn hình cảm ứng có khá nhiều ưu điểm cũng như lợi thế, nhưng ưu điểm quan trọng bậc nhất là cung cấp nhiều cách thức thiết kế, thay đổi giao diện ứng dụng, thiết bị so với một nhóm các nút nhấn vật lý cố định như trước. Với màn hình cảm ứng, "nhạy cảm" đồng nghĩa với khả năng phản hồi những tác động nhận được thông qua việc hiển thị những nội dung đã lập trình sẵn hay kích hoạt một (hay nhóm) tính năng, tác vụ nào đó trên ứng dụng, thiết bị.

Có thể nói, công nghệ màn hình cảm ứng hội đủ tiềm năng để thay thế hầu hết tính năng quan trọng của chuột và bàn phím cũng như các nút nhấn điều khiển. Bạn hãy hình dung, sẽ thật tuyệt vời nếu một hệ thống không trang bị bàn phím "cứng" mà sử dụng bàn phím "mềm", hiển thị ngay lập tức trên màn hình bất cứ khi nào người dùng/hệ thống cần nhập liệu (văn bản, số,...).

Nhiều loại màn hình cảm ứng thậm chí có thể "đọc" chữ viết tay, bản in, ảnh đồ họa và "hiểu" các thao tác chuyển động của ngón tay (với màn hình cảm ứng đa chạm). Nhờ sự linh hoạt này, công nghệ màn hình cảm ứng nói chung và giao diện màn hình cảm ứng nói riêng hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng để tăng tính tương tác giữa con người và máy móc. Trong lĩnh vực sản phẩm CNTT và TT, màn hình cảm ứng chủ yếu xuất hiện trong máy tính bảng (Tablet PC), ĐTDĐ, điện thoại thông minh (smartphone), máy nghe nhạc kỹ thuật số và máy chơi game cầm tay (điển hình là Nintendo DS).

Cấu tạo và nguyên lý

Mọi màn hình cảm ứng đều có nhiệm vụ chính là "số hóa" vị trí tiếp xúc trên màn hình sang giá trị tọa độ X-Y ngay khi "cảm ứng" được tác động. Màn hình cảm ứng gồm 3 thành phần cơ bản: cảm biến cảm ứng, bộ điều khiển (phần cứng) và phần mềm điều khiển. Trong một hệ thống/thiết bị hoàn chỉnh, không chỉ đóng vai trò hiển thị, màn hình cảm ứng còn là thiết bị đầu vào (input device).

Hình 1: Màn hình cảm ứng điện trở

• Cảm biến cảm ứng: Là một tấm (panel) thủy tinh hay nhựa acrylic trong suốt, bề mặt được thiết kế các cảm biến (sensor) để nhận dạng và đáp ứng những tác động từ ngón tay người dùng hay bút trâm. Thông thường, cảm biến cảm ứng được ghép sát với màn hình hiển thị để đạt được độ chính xác tuyệt đối về tọa độ của điểm tiếp xúc. Có nhiều công nghệ được các hãng sản xuất áp dụng để "giăng lưới" và "bẫy" điểm tiếp xúc trên màn hình cảm ứng. Tuy nhiên, về cơ bản, khi có bất kỳ tiếp xúc nào lên màn hình cảm ứng thì giá trị điện áp, điện dung hay điện trở của màn hình (nói chính xác là của cảm biến cảm ứng) sẽ thay đổi; và bằng những thuật toán xây dựng sẵn, toạ độ điểm tiếp xúc sẽ được xác định một cách dễ dàng và nhanh chóng.

• Bộ điều khiển: Là một mạch điện tử dùng để nối cảm biến cảm ứng với thiết bị hay phần mềm điều khiển màn hình cảm ứng. Bộ điều khiển phần cứng có nhiệm vụ chính là "biên dịch" thông tin nhận được từ cảm biến cảm ứng sang dạng tín hiệu mà thiết bị xử lý hiểu được. Sau khi tín hiệu được xử lý xong, thông thưòng kết quả sẽ xuất trực tiếp ra màn hình tương ứng với "lệnh" tác động. Tuy nhiên, trong một số trường hợp kết quả sẽ được trả cho bộ điều khiển để có những phản hồi ngược cho màn hình hiển thị.

• Phần mềm điều khiển: Từng thiết bị cụ thể sẽ có ứng dụng riêng giúp hệ điều hành cũng như các ứng dụng khác biết cách xử lý dữ liệu vừa được số hóa từ cảm biến cảm ứng, sau đó gửi trả dữ liệu đã xử lý cho bộ điều khiển (nếu có). Nếu như có vài bộ điều khiển được tích hợp trong màn hình thì trên nhiều thiết bị, phần mềm điều khiển sẽ được cài hẳn vào firmware.

Phân loại

Các hãng sản xuất thường chia màn hình cảm ứng thành 2 loại: màn hình số hóa chủ động (active digitizer tablet) và màn hình cảm ứng bị động (passive touch screen).

• Màn hình số hóa chủ động: Dù màn hình đồ họa cảm ứng đã được sử dụng trong các hệ thống thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) và ứng dụng đồ họa từ nhiều năm qua, song công nghệ số hóa chỉ mới được "nhúng" vào màn hình của máy tính bảng trong thời gian gần đây để điều khiển máy tính với sự chuẩn xác như khi sử dụng chuột. Bút trâm dùng cho loại màn hình này cũng kiêm chức năng phát tín hiệu điện từ vào lưới toạ độ X-Y có độ phân giải rất cao - lưới tọa độ này có kích thước bằng đúng kích thước của khung hình hiển thị. Màn hình cảm ứng chủ động chủ yếu xuất hiện trên máy tính bảng, bảng điện tử dùng trong hội họp và giảng dạy, hệ thống CAD/CAM. Nhiều máy tính bảng hiện nay còn hỗ trợ đồng thời công nghệ màn hình cảm ứng chủ động lẫn bị động nhằm cải thiện tính chính xác của tính tương tác giữa bút trâm và màn hình, cũng như mang lại sự đơn giản trong thao tác điều khiển của ngón tay.

• Màn hình cảm ứng bị động: Là loại màn hình thường được dùng cho các thiết bị điện tử, máy ATM, máy tính tiền, ki-ốt thông tin công cộng, máy chơi game cầm tay, thiết bị di động và đặc biệt là nhiều dòng ĐTDĐ, smartphone do cấu tạo đơn giản, dễ sản xuất cũng như giá thành tương đối rẻ.

Hình 2: Màn hình cảm ứng điện dung

Màn hình cảm ứng bị động được phân loại trên cơ sở 4 công nghệ của cảm biến cảm ứng là điện trở (resistive), điện dung (capacitive), hồng ngoại (infrared) và sóng âm thanh bề mặt (surface acoustical wave). Dĩ nhiên, mỗi công nghệ có ưu và khuyết điểm riêng. Trong lĩnh vực ĐTDĐ nói chung và smartphone nói riêng, 2 loại màn hình cảm ứng thường được sử dụng là cảm ứng điện trở và cảm ứng điện dung (nhiều người còn gọi là màn hình cảm ứng nhiệt).

1. Màn hình cảm ứng điện trở (resistive touchscreen): Là loại nhạy cảm với "áp lực" tác động lên bề mặt và có thể được điều khiển bằng bút trâm, ngón tay hay bất kỳ vật nào có đầu nhọn. Màn hình cảm ứng điện trở sử dụng panel kiếng hay nhựa acrylic gồm 2 lớp tương tác mỏng: lớp chất dẫn điện và lớp điện trở - 2 lớp này được cách ly bởi những điểm và khoảng trống mà mắt thường không thể nhìn thấy. Trên bề mặt mỗi lớp tương tác được phủ một hợp chất gọi là ITO (oxít thiếc và Indi), trong khi đó dòng điện với mức điện thế khác nhau sẽ được truyền qua 2 lớp này. Khi có một tác động lên màn hình, 2 lớp tương tác này "chạm" nhau và mạch điện sẽ được nối, cường độ dòng điện chạy qua mỗi lớp cũng sẽ thay đổi. Lớp phía trước sẽ lấy điện thế từ lớp dưới và lớp dưới sẽ lấy điện thế từ lớp trên, qua đó cho phép bộ điều khiển xác định tọa độ X-Y của vị trí tiếp xúc. Người ta thậm chí còn phân loại màn hình cảm ứng điện trở dựa trên số lượng dây điện trở sử dụng, thường là 4/5/8 dây.

Tuy có giá thành sản xuất rẻ nhưng công nghệ màn hình cảm ứng điện trở có nhược điểm là "ngăn" đến 30% lượng ánh sáng phát ra từ màn hình CRT hay LCD bên dưới do có quá nhiều lớp thành phần và vật liệu được phủ lên bề mặt. Ngoài ra, màn hình cảm ứng điện trở cũng đòi hỏi lực tác động mạnh hơn để kích hoạt cảm biến cảm ứng so với màn hình cảm biến điện dung. Bù lại, nhờ sự "cứng cáp" của bề mặt nên màn hình cảm ứng điện trở thường được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt và công cộng như khách sạn, sân bay, bệnh viện... Trong lĩnh vực ĐTDĐ và smartphone, màn hình cảm ứng điện trở được sử dụng phổ biến nhất, ví dụ như HTC Touch Diamond, Samsung SGH-i900 Omnia, Nokia N97.

2. Màn hình cảm ứng điện dung (capacitive touchscreen): Khác với màn hình cảm ứng điện trở, màn hình cảm ứng điện dung chỉ sử dụng một lớp tương tác, đó là panel kiếng được phủ kim loại và điều này trước mắt sẽ cho ánh sáng đi qua nhiều hơn (đến 90%) giúp hình ảnh hiển thị rõ ràng hơn. Lớp kim loại trên bề mặt sẽ tạo ra một lưới các tụ điện cho toàn bộ màn hình. Về nguyên lý, màn hình cảm ứng điện dung dựa trên các thuộc tính điện năng của cơ thể con người để xác định "khi nào và ở đâu" trên màn hình mà bạn tiếp xúc. Nhờ vậy, màn hình cảm ứng dạng này có thể được điều khiển bởi những "cái chạm" rất nhẹ từ ngón tay, tuy nhiên thường thì bạn không thể sử dụng được với bút trâm hay ngón tay có đeo găng. Đó chính là lý do mà nhiều người gọi màn hình dạng này là màn hình cảm ứng nhiệt.

Điện áp sẽ được đặt vào các góc của màn hình. Khi ngón tay chạm vào màn hình, vùng bị tiếp xúc sẽ được nhấn xuống, ngón tay sẽ "hút" một dòng điện và làm thay đổi giá trị dòng điện, tần số cũng được tạo ra từ các mạch điện được đặt ở góc hình (khác nhau tùy hãng sản xuất). Các mạch điện này sẽ tính toán vị trí tọa độ X-Y từ sự thay đổi giá trị điện dung tại điểm tiếp xúc.

Hình 3: Màn hình cảm ứng hồng ngoại và SAW.

Cụ thể hơn, các hãng sản xuất sử dụng một cảm biến gọi là "tụ điện đã được lập trình" đặt giữa 2 lớp kiếng (màn hình hiển thị và panel kiếng cảm ứng). Khi màn hình được tác động, bộ điều khiển sẽ xác định vị trí tọa độ X-Y từ sự thay đổi điện dung trên lưới tụ điện. Màn hình cảm ứng điện dung có độ chính xác và tin cậy cao nên được dùng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất và điều khiển công nghiệp, màn hình hiển thị nơi công cộng. Nhờ sự linh hoạt trong nhận diện điểm tiếp xúc, màn hình cảm ứng điện dung cũng cho phép những tác động "2 ngón" như khả năng đa chạm trên iPhone, iPod Touch hay "kéo thả" trên nhiều dòng ĐTDĐ, smartphone hiện nay. Mẫu smartphone mới T-Mobile G1 cũng là thiết bị tiêu biểu sử dụng màn hình cảm ứng điện dung. Ngoài ra, bảng điều khiển GPS, giải trí trên nhiều dòng xe hơi trung và cao cấp cũng thường trang bị màn hình cảm ứng điện dung để tăng tính thuận tiện trong sử dụng.

3. Màn hình cảm ứng hồng ngoại (infrared touchscreen): Có phần giống màn hình cảm ứng điện trở, màn hình cảm ứng hồng ngoại phát ra các tia hồng ngoại theo chiều ngang và dọc trên bề mặt màn hình để tạo ra một lưới ánh sáng. Nguyên lý hoạt động dựa trên công nghệ ngắt tia sáng. Về cơ bản, màn hình cảm ứng hồng ngoại bố trí đầu phát tia hồng ngoại ở một (hay hai) cạnh màn hình, đối diện với đầu phát là cảm biến ánh sáng hay bộ dò ánh sáng.

Khi màn hình được tác động, ở vị trí bút trâm hay bất kỳ vật thể nào "cản" đường truyền của tia hồng ngoại, tín hiệu nhận được ở đầu bộ thu hay cảm biến ánh sáng sẽ bị gián đoạn. Ngay lập tức, bộ dò hay cảm biến ánh sáng sẽ tìm được tọa độ của điểm tiếp xúc trên màn hình.

Bởi vì phương pháp này không sử dụng các lớp tương tác trên bề mặt màn hình nên không cản trở bất kỳ nguồn sáng nào từ màn hình hiển thị bên dưới, giúp hình ảnh mà bạn nhìn thấy thực và sáng rõ. Ngoài ra, màn hình cảm ứng hồng ngoại cũng có thể được phủ thêm một lớp kiếng trong và cứng để tăng tính an toàn.

Màn hình cảm ứng hồng ngoại thường được dùng trong các ki-ốt thông tin công cộng, màn hình trong lĩnh vực y tế, sản xuất công nghiệp, máy bán hàng tự động và những nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Hình 4: Màn hình cảm ứng trong dàn âm thanh xe hơi.

4. Màn hình cảm ứng sóng âm thanh bề mặt (SAW touchscreen): Là dạng màn hình cảm ứng tiên tiến nhất. Công nghệ SAW dựa trên hai bộ thu/phát sóng âm thanh (transducer) trên đồng thời trục X và trục Y của màn hình cảm ứng. Một thành phần quan trọng khác của SAW được đặt trên mặt kiếng màn hình, được gọi là bộ phản hồi (reflector). Nguyên lý hoạt động của màn hình cảm ứng sóng âm cũng tương tự màn hình cảm ứng hồng ngoại, đó là kiểm soát sự ngắt quãng tín hiệu, trong trường hợp này là sóng siêu âm.

Bộ điều khiển của màn hình cảm ứng sẽ gửi tín hiệu điện tử sang bộ phát sóng, và bộ phát sóng sẽ chuyển đổi tín hiệu nhận được sang dạng sóng siêu âm để chuyển tiếp sóng âm này đến bộ phản hồi được đặt ở đầu bên kia panel màn hình. Sau khi bộ phản hồi "khúc xạ" tín hiệu lại cho bộ thu sóng, tín hiệu sẽ được bộ thu gửi trả cho bộ điều khiển. Khi một ngón tay hay bút trâm chạm vào màn hình, chùm sóng đang di chuyển ngang/dọc trên màn hình sẽ bị ngắt quãng và tạo ra một "biến cố chạm" để từ đó bộ điều khiển xác định chính xác vị trí điểm tiếp xúc.

Do sử dụng panel kiếng - không phải các lớp tương tác có thể bị hao mòn như màn hình cảm ứng điện trở hay điện dung - công nghệ SAW cung cấp những thuộc tính quan trọng như độ bền cho bề mặt cảm biến, độ trong suốt và độ phân giải cao cho hình ảnh hiển thị. Điểm trừ cho màn hình cảm ứng sử dụng công nghệ SAW là phải "chạm" bằng ngón tay, bàn tay có đeo găng và bút trâm loại mềm (vật dụng cứng như đầu viết bi không thể sử dụng được), và đặc biệt màn hình cảm ứng dạng này không thể được "bịt kín" tuyệt đối nên có thể dễ bị tác động bởi bụi, bẩn hay nước trong môi trường xung quanh.

Công nghệ SAW được khuyến khích sử dụng trong các máy ATM, công viên, bảo tàng, các ứng dụng tài chính và ngân hàng, ki-ốt thông tin công cộng, hệ thống huấn luyện dựa trên máy tính. Hy vọng, những thông tin này đã mang lại cho bạn những khái niệm cơ bản và khởi đầu cho các bài viết chuyên sâu hơn về màn hình cảm ứng trong tương lai, cũng như mong nhận được những đóng góp, chia sẻ của các bạn.