為什麼手機螢幕可以觸控?答案就在螢幕內的特殊導電材料:ITO

【我們為什麼挑選這本書】滑了那麼久的手機,你知道手機觸控螢幕的原理嗎?《跟著網紅老師玩科學》的作者李永樂是西瓜視頻的科普網紅,透過本書向讀者解析日常現象的科學原理。作者將透過下文,解析觸控螢幕的機制。(責任編輯:郭家宏)

我們每天都在使用觸控式螢幕的電子設備,例如手機、平板電腦等。大家知道觸控式螢幕的工作原理是什麼嗎?它是怎麼知道手指的位置?為什麼手機貼了膜還是可以使用,而戴著手套就不能正常使用了呢?

目前市面上使用的觸控式螢幕多數是電容式觸控式螢幕,為了了解工作原理,我們先解釋一下電容是什麼。

萊頓瓶:儲存電荷的容器,富蘭克林用它證明閃電是一種電

1745 年,荷蘭萊頓大學教授穆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:透過一根導電的金屬棒和金屬鏈,將電荷導入瓶中,瓶子內外分別貼上金屬箔,電荷就會儲存在瓶中。現在我們知道把正電荷導入瓶子內的金屬箔上時,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,但玻璃瓶是絕緣體,阻礙了它們中和,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」,用風箏將天上的雷電導入萊頓瓶中,證明天上的閃電和地上的電是同一種物質。

電容器:用於儲存電荷,可以反覆充放電

其實要儲存電荷,不一定需要瓶子,只要兩個相互絕緣,並且靠近的導體就能發揮相同的作用,我們稱之為「電容器」,最簡單的是平行板電容器。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。

電容器的中央是絕緣的,理論上說,電流無法通過電容器。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,可以看成是電流通過了電容器。

例如將原本不帶電的電容器與電池兩極相接,電容器就會開始充電,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的部分外,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。

當電容器充滿電後,即使斷開電源,電容器上的電荷也不會消失。但如果將電容器兩個極板用導線直接相連,正負電荷就找到一條可以中和的通路,於是正電荷和負電荷就會通過通路中和,電路中就會出現逆時針的電流,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相反,這種電流就是之前講過的交流電。現在我們知道了,交流電可以通過電容器。

我們還知道驗電筆可以測量一根導線是否帶電,你是否想過,如果站在椅子上用驗電筆接觸火線,驗電筆會不會亮呢?

由於人和大地都是導體,而椅子是絕緣體,家用電是交流電,因此可以通過電容器,即使站在椅子上用驗電筆觸碰火線,驗電筆還是會亮,表示依然有電流通過驗電筆和人體。只是這個電流比較小,人體沒有什麼感覺。

觸控式螢幕原理:置入 ITO 材料,手指接觸就會構成耦合電容

現在我們終於可以解釋電容觸控式螢幕原理了。簡單的電容屏是一個四層複合玻璃板,其中有一層 ITO 材料,這是一種氧化銦錫材料,透明並且可以導電,適用於製造觸控式螢幕幕。

當手指接觸螢幕上某個部位時,就會與 ITO 材料構成耦合電容,改變觸點處的電容大小。螢幕的四個角會有導線,由於交流電可以通過電容器,四條導線的電流會奔向觸點,而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,透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,採用被蛀蝕的 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,改變了螢幕上的電場,透過感測器和晶片分析電場和電流變化,就可以感知觸點位置。相較於之前的四角電流電容螢幕,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,才會影響電容螢幕,而使用絕緣物質觸碰電容螢幕就無法操作手機。手機貼膜也可以使用,這是因為手指與 ITO 層原本就不需要接觸,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,電流依然可以流過手指和螢幕中的導體所形成的電容器。不過如果手套太厚,觸碰觸控式螢幕時,手指與螢幕中的導體相隔太遠,電容比較小,就不足以被感測器感知,所以戴著厚手套是不能操作手機的。

其實電容感測器在生活中的應用還有很多,例如廁所裡常見的自動沖水裝置、自動乾手機等,許多都是利用電容傳感。當人體靠近或遠離時,人體與裝置構成的電容發生變化,感測器感受到這種變化,控制電路進行某種操作。

感測器在生活中,簡直是無處不在!

(本文書摘內容出自《跟著網紅老師玩科學》,由 時報出版 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題。首圖來源:Wallpaper Flare CC Licensed。)

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