Trong bài viết này, bạn đọc sẽ biết tới các loại cảm biến phổ biến trên các thiết bị di động (smartphone và tablet), cũng như nguyên lý hoạt động cơ bản của chúng.

Kể từ khi cuộc đua thiết bị di động bắt đầu, có thể nói các nhà sản xuất đang ra mắt các sản phẩm smartphone và tablet mới với mật độ dày đặc. Các đối thủ cạnh tranh như Apple, Samsung, HTC, Sony và nhiều tên tuổi khác cạnh tranh với nhau bằng cách tung ra các tính năng và các phần cứng mới: các công việc "thông minh" mà các mẫu smartphone có thể thực hiện đang trở thành một hạng mục quan trọng quyết định đến sự thành bại của chúng.

Các công việc "thông minh" này, ví dụ như tính năng tự động cuộn văn bản dựa trên vị trí mắt người của Galaxy S4, được thực hiện nhờ có các cảm biến bao gồm: cảm biến gia tốc, cảm biến ánh sáng môi trường, cảm biến GPS, la bàn, cảm biến khoảng cách, cảm biến áp lực và con quay hồi chuyển...

Sau đây, chúng ta sẽ cùng điểm danh các loại cảm biến chính và cơ chế hoạt động của chúng theo tổng hợp từ trang Techulator.com. 

Cảm biến gần (Proximity)

Tính năng chính của cảm biến này là nhận diện xem khoảng cách giữa smartphone và cơ thể bạn là bao nhiêu. Khi bạn gọi điện, cảm biến gần sẽ nhận diện xem vị trí giữa màn hình và tai là bao nhiêu để tắt đèn màn hình và tiết kiệm pin. Cảm biến gần cũng sẽ giúp ngăn ngừa các cử chỉ chạm được thực hiện một cách không cố ý trên màn hình điện thoại trong khi gọi điện.

Cảm biến này cũng sẽ tính toán độ mạnh yếu của tín hiệu, các nguồn gây nhiễu và tăng cường tín hiệu hoặc lọc các nguồn gây nhiễu nhờ sử dụng Kỹ thuật Tạo Luồng (Beam Forming Technique).

Nói một cách ngắn gọn, cảm biến khoảng cách sẽ đo được vị trí của cơ thể, ví dụ như khuôn mặt hoặc tai và ngừng các tác vụ như lướt web, chơi nhạc hoặc video trong khi nhận/thực hiện cuộc gọi nhằm tiết kiệm pin. Sau khi hội thoại kết thúc, cảm biến khoảng cách sẽ tiếp tục các tác vụ đang thực hiện dở.

Cảm biến GPS (Hệ thống định vị toàn cầu)

GPS (viết tắt của Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu) lúc đầu được phát triển và triển khai cho các mục đích quân sự và được chính phủ Mỹ chính thức đưa ra hoạt động rộng rãi trong thập niên 1980. GPS là một hệ thống cho phép theo dõi mục tiêu hoặc "điều hướng" dựa trên các bức ảnh hoặc bản đồ với sự trợ giúp của các vệ tinh.

Ngày nay, các smartphone đều được trang bị các cảm biến GPS được hỗ trợ (A-GPS) cho phép hoạt động mà không cần kết nối tới các máy chủ và các vệ tinh. iPhone 4S, iPhone 5, HTC One, HTC Droid DNA, HTC One X, các sản phẩm trong series Galaxy của Samsung và Xperia của Sony và các mẫu Nokia Lumia 620, 820, 920 và 822 cùng một số sản phẩm khác cũng hỗ trợ hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) do Nga phát triển với cùng một tính năng như GPS.

Tham khảo thêm: GPS hoạt động như thế nào?

Cảm biến ánh sáng môi trường (Ambient Light)

Cảm biến này có nhiệm vụ tối ưu độ sáng của màn hình trong các điều kiện sáng khác nhau (các luồng sáng có cường độ khác nhau). Mục đích quan trọng nhất của cảm biến ánh sáng môi trường là nhằm điều chỉnh độ sáng của màn hình, cho phép tiết kiệm pin và cải thiện tuổi thọ pin.

Cảm biến ánh sáng môi trường nhận biết ánh sáng và điều chỉnh màn hình dựa theo nguyên lý "vị trí tuyệt đối". Các cảm biến này chứa các đi-ốt quang học rất nhạy sáng đối với các quang phổ khác nhau; kết quả tính toán phức tạp dựa trên các đi-ốt này sẽ điều chỉnh mức độ tăng/giảm của cường độ sáng trên màn hình.

Cảm biến gia tốc (Accelerometer)

Tính năng chính của cảm biến gia tốc là nhận diện các thay đổi về hướng/góc độ của smartphone dựa trên dữ liệu thu được và thay đổi chế độ màn hình (chế độ dọc hoặc ngang màn hình) dựa trên góc nhìn của người dùng. Ví dụ, trong trường hợp bạn muốn tăng chiều rộng hiển thị của một trang web, bạn có thể chuyển từ chế độ dọc màn hình sang chế độ ngang màn hình. Tương tự như vậy, ứng dụng camera cũng sẽ tự động thay đổi hướng của bức ảnh đang chụp khi chúng ta thay đổi góc độ của smartphone.

Về bản chất, cảm biến gia tốc sẽ nhận diện sự thay đổi trong góc độ của smartphone bằng cách nhận biết các thay đổi về hướng trên cả 3 chiều của không gian trong trường hợp (giả sử) smartphone rơi tự do. Một trong những ví dụ về ứng dụng của cảm biến gia tốc của điện thoại là các trò chơi đua xe: người chơi có thể "bẻ lái" bằng cách quay điện thoại/tablet theo hướng mong muốn.

La bàn (Compass)

Chúng ta đều biết chức năng của la bàn là đưa ra định hướng chính xác dựa trên cực bắc và cực nam của trái đất bằng cách dùng nam châm. Song, do các tín hiệu nhiễu có mặt trong các thiết bị di động như smartphone và tablet, các thiết bị này không sử dụng loại la bàn nam châm thường thấy mà ứng dụng một công nghệ tiên tiến khác để đưa ra định hướng cho người dùng.

Cụ thể hơn, smartphone của bạn sẽ đo các tín hiệu có tần số cực thấp đến từ một hướng nhất định (Nam hoặc Bắc) và với sự trợ giúp của cảm biến gia tốc, la bàn trên smartphone có thể đưa ra định hướng cho người dùng.

Nguyên lý hoạt động của la bàn trên smartphone là "hiệu ứng Hall" (Hall effect) do nhà bác học Edwin Hall phát hiện vào năm 1879. Dựa trên nhiều cảm biến được đặt trên các hướng khác nhau của điện thoại và sử dụng bộ tập trung tín hiệu từ (chế tạo bằng vật liệu có độ thấm từ cao) nhằm bẻ cong các đường song song với từ trường của mặt đất.

Con quay hồi chuyển (Gyroscope)

Chức năng của cảm biến này là giữ nguyên hoặc điều chỉnh vị trí và định hướng dựa trên các nguyên tắc của gia tốc theo các hướng khác nhau. Khi con quay được sử dụng cùng cảm biến gia tốc, cảm biến này sẽ nhận diện chuyển động trên 6 chiều khác nhau (trái, phải, trên dưới, trước và sau).

Cảm biến này cũng sẽ nhận diện các chuyển động dựa trên 3 chiều không gian X, Y, Z. Sử dụng Hệ thống Điện và Cơ Siêu Nhỏ (MEMS), các mẫu điện thoại như iPhone 4 có khả năng nhận diện các cử chỉ cảm ứng, bên cạnh tính năng điều hướng GPS quen thuộc.

Cảm biến chiếu sáng sau (BSI hoặc BI)

Cảm biến chiếu sáng sau (back illuminated sensor - được gọi tắt là BSI hoặc BI) là một trong các tính năng nổi trội có mặt trên các mẫu smartphone mới. Đây là một loại cảm biến hình ảnh số có khả năng thay đổi hoặc gia tăng độ sáng thu được khi chụp ảnh. Lúc đầu, cảm biến này được phát triển cho các camera an ninh và các loại kính thiên văn. Sony là công ty đầu tiên áp dụng tính năng này vào năm 2009. Hiện nay, BSI là tính năng được nhắc đến nhiều trong thông số của các smartphone.

Áp suất khí quyển (Barometer)

Một số smartphone dòng Galaxy của Samsung còn được trang bị cảm biến đo áp suất khí quyển (barometer). Đây là cảm biến được dùng để đo áp suất khí quyển phục vụ cho việc

dự báo thời tiết. Nhưng các smartphone đã có thông tin dự báo thời tiết dựa trên thông tin lấy từ Internet, vậy tại sao lại cần đến cảm biến barometer? Lý do được các nhà sản xuất giải thích là để cung cấp thông tin GPS chính xác hơn.

Theo Samsung, các thiết bị GPS đôi khi tích hợp barometer để có thông tin độ cao chính xác hơn. Sai số trục Z của GPS khá cao nhưng kết hợp với các thông tin áp suất khí quyển từ barometer, độ chính xác có thể tăng lên đáng kể. Với sự kết hợp của cảm biến gia tốc, barometer, la bàn và GPS, các điện thoại có thể xác định vị trí, hướng và tốc độ của người dùng chính xác hơn.

Ngoài ra, một số smartphone hiện nay còn được trang bị các cảm biến khác như cảm biến từ kế (magnetometer), áp suất (pressure), nhiêt độ (temperature) và độ ẩm (humidity).

Đã bao giờ bạn thắc mắc vì sao điện thoại biết khi nào bạn đưa máy lên tai để tự động tắt màn hình khi đang thực hiện cuộc gọi? Đã bao giờ bạn thắc mắc vì sao chiếc smartphone đang cầm trong tay biết được độ sáng môi trường để tinh chỉnh lại độ sáng màn hình cho phù hợp? Làm sao điện thoại biết khi nào bạn xoay ngang hay xoay dọc? Bằng cách gì điện thoại biết khi nào chúng ta chạm vào màn hình? Tất cả những câu hỏi trên sẽ được giải đáp trong bài viết ngày hôm nay, mời các bạn cùng theo dõi.

Cảm biến điện dung

Đây là loại cảm biến được đặt bên dưới màn hình cảm ứng trên thiết bị di động của các bạn. Công nghệ cảm ứng điện dung dùng một lưới các điện cực phủ trên màn hình, trên đó có một điện thế. Khi ngón tay đến gần điện cực, điện dung của lưới thay đổi và có thể đo được. Bằng việc đo tất cả các điện cực, ta sẽ nhận biết được vị trí ngón tay. Có hai loại điện dung dùng cho màn hình cảm ứng: điện dung tương hổ (mutual capacitance) và điện dung riêng (self-capacitance).

 

Công nghệ điện dung tương hổ giúp chúng ta có được màn hình cảm ứng đa điểm và nó được sử dụng cực kì phổ biến ngày nay trên smartphone, tablet cho đến PC. Trong khi đó, điện dung riêng sẽ tạo ra một tín hiệu mạnh hơn điện dung tương hổ, cho phép định vị

chính xác ngón tay đang ở đâu ở một khoảng cách xa hơn, tuy nhiên nó lại không thể xác định được vị trí của nhiều ngón tay cùng lúc nay không nhiều thiết bị được tích hợp màn hình điện dung riêng.

Có một số thiết bị đặc biệt xài kết hợp cả điện dung tương hổ và điện dung riêng để phục vụ cho tính năng điều khiển mà không cần chạm vào màn hình, ví dụ như Xperia Sola của Sony trước đây. Ngoài sử dụng ngón tay, màn hình cảm ứng điện dung còn cho phép chúng ta "chọt chọt" bằng những cây bút có đầu làm bằng mút dẫn điện (hoặc một loại vật liệu dẫn điện nào đó không làm trầy mặt kính).

Xem kĩ hơn về cảm biến điện dung ở bài viết này.

Cảm biến tiệm cận

Đây là cách mà điện thoại biết khi nào bạn áp điện thoại lên tai để từ đó tắt hoặc mở màn hình. Cảm biến tiệm cận (proximity sensor) thường phát ra một loại trường điện từ, một chùm bức xạ hoặc một loại ánh sáng (như hồng ngoại chẳng hạn), sau đó nó sẽ giám sát sự thay đổi của trường hoặc những tín hiệu trả về để quyết định xem bạn có đang smartphone lại gần hay không. Khoảng cách mà cảm biến tiệm cận có thể nhận biết đối tượng vào khoảng 2-5cm (cũng có những loại sensor nhận biết được xa hơn nhưng chủ yếu dùng trong lĩnh vực an ninh và công nghiệp).

Cảm biến ánh sáng là chấm màu đen bên trái ở cạnh trên của HTC One, còn chấm đen bên phải là cảm biến tiệm cận

Vậy vì sao phải tắt màn hình đi trong lúc gọi điện? Thứ nhất, nó sẽ giúp thiết bị tiết kiệm pin trong quãng thời gian máy phải tiêu thụ rất nhiều năng lượng cho việc kết nối vào mạng di động. Thứ hai, nó giúp hạn chế tình trạng một bộ phận nào đó trên cơ thể chúng ta chạm nhầm vào nút dừng cuộc gọi. Trước đây mình từng thử xài một ROM Cook dành cho HTC EVO 3D, lúc đó cảm biến tiệm cận chưa chạy được nên khi gọi điện mình rất hay bị tình trạng ngắt cuộc gọi giữa chừng, nhìn lại thì thấy vệt mồ hôi dầu của tai xuất hiện ngay đúng vị trí của nút ngắt trên màn hình.

Cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng thường được các nhà sản xuất đặt gần cảm biến tiệm cận. Theo hãng Maxim Integrated, hầu hết các loại cảm biến ánh sáng môi trường đang có mặt hiện nay dùng hai hoặc nhiều loại photodiode khác nhau, mỗi loại sẽ "nhạy" với một phần nhất định trong chùm ánh sáng trắng. Bằng cách kết hợp dữ liệu từ các photodiode rồi tính toán, cảm biến có thể có thể xuất ra một kết quả tương đối chính xác về độ sáng môi trường xung quanh dưới hầu hết các nguồn sáng phổ biến.

Dựa vào đây, hệ điều hành hoặc một phần mềm nào đó sẽ tinh chỉnh lại độ sáng màn hình cho phù hợp. Ví dụ, khi bạn đang ở trong một căn phòng tối thì độ sáng sẽ được giảm lại để tránh tình trạng nhức mắt cho chúng ta, còn nếu bạn ra ngoài trời nắng thì độ sáng được đẩy lên cao nhằm đảm bảo hình ảnh vẫn rõ ràng dưới nguồn sáng mạnh. Bên cạnh việc giúp việc nhìn nội dung được tốt hơn thì nó cũng giúp tiết kiệm pin hơn.

Cảm biến ảnh

Cảm biến này thì quá phổ biến rồi. Nó là một tập hợp rất nhiều photodiode có chức năng nhận biết ánh sáng đi từ môi trường vào. Sau đó, cảm biến ảnh sẽ chuyển thông tin ghi nhận được thành tín hiệu số, áp dụng thêm một số thuật toán xử lý màu sắc rồi kết xuất thành một tấm ảnh hoàn chỉnh cho chúng ta xem. Với ảnh định dạng JPEG thì một vài phương pháp nén và xử lí khác sẽ được áp dụng trước khi máy ghi thành một tập tin. Cảm biến ảnh có nhiều kích thước khác nhau, thường thấy trên thiết bị di động có loại 1/3", một số máy cao cấp hơn thì dùng cảm biến 1/2,3" hoặc 1/1,7". Như các bạn đã biết, đơn vị nhỏ nhất dùng để đo độ chi tiết của ảnh đưa ra từ cảm biến là pixel và 1 megapixel = 1 triệu pixel.

Ngoài cảm biến ảnh, thành phần cấu tạo của module máy ảnh trên smartphone của chúng ta thường có thêm mô-tơ lấy nét (phục vụ cho tính năng auto focus), nhiều mạch dẫn, có thể có chip xử lí tín hiệu ảnh số riêng, và không thể không kể đến các thấu kính.

Gia tốc kế

Thành phần này cũng là một thứ rất phổ biến trên thị trường smartphone và ngay cả những sản phẩm giá rẻ cũng được tích hợp nó. Gia tốc kế (accelerometer) dùng để ghi nhận chuyển động của thiết bị cũng như góc nghiêng so với phương ngang. Khi có sự thay đổi về phương hướng, cảm biến sẽ chuyển thông tin đến smartphone hoặc tablet của bạn để bảo nó đưa ra những phản hồi tương ứng. Ví dụ dễ thấy nhất đó là khi bạn xoay ngang máy thì giao diện cũng xoay theo, hoặc có một số game sẽ yêu cầu bạn nghiêng máy sang trái, phải, lên, xuống để điều khiển việc di chuyển của nhân vật trong trò chơi.

 

Tính năng của gia tốc kế nghe có vẻ to tát nhưng thực chất nó được tích hợp bên trong một con chip MEMS (hệ thống vi cơ điện tử) nhỏ xíu gắn trên bo mạch chủ của thiết bị di động, không phải là một hệ thống cơ học gì khổng lồ cả.

Con quay hồi chuyển

Loại cảm biến này xuất hiện lần đầu tiên trên iPhone 4 và tên tiếng Anh của nó là gyroscope. Theo định nghĩa vật lí, con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi

hướng. Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn. Vì mô men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng (gimbal), hướng của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên.

 Mô tả hoạt động của một con quay hồi chuyển

Nói ngắn gọn hơn, con quay hồi chuyển dường như chuyển động theo cách chống lại trọng lực, và đây chính là đặc tính nổi bật nhất của nó. Con quay hồi chuyển được dùng kết hợp với gia tốc kế trong các thiết bị di động hiện đại ngày nay để hỗ trợ việc tính toán gia tốc tuyến tính tương đối so với khung tham chiếu – hệ qui chiếu (frame of reference), từ đó đưa ra kết quả chính xác hơn. Con quay hồi chuyển có khá nhiều ứng dụng trong lĩnh vực game di động và nó sẽ bổ sung khả năng nhận biết chuyển động xoay theo phương dọc, thứ mà gia tốc kế không làm được.

Xem thêm nhiều thông tin hơn về con quay hồi chuyển tại đây.

La bàn số

Tính năng này cũng xuất hiện ngày một phổ biến hơn trên các thiết bị di động, nhất là smartphone. Cảm biến này thực chất là một hệ thống MEMS (vi cơ điện tử) chuyên cảm nhận từ trường và nó giúp việc định vị trên smartphone được chính xác hơn khi kết hợp cùng các loại dữ liệu địa lý khác như GPS hay GLONASS. Một số ứng dụng di động hiện nay tận dụng la bàn số để hiển thị một mặt la bàn thực thụ cho chúng ta xem hướng đông tây nam bắc, thậm chí chúng còn đo được góc lệch so với hướng bắc nữa.

Với la bàn số, sau một thời gian không sử dụng thì chúng ta cần phải cân chỉnh lại nó để kết quả đo từ trường được chính xác. Máy thường yêu cầu chúng ta cân chỉnh bằng cách di chuyển thiết bị theo hình số 8 nằm ngang hoặc theo hình tròn.

Cảm biến vân tay

Đây là loại cảm biến mới lạ đang ngày càng được nhiều nhà sản xuất thiết bị di động quan tâm. Trước đây Motorola từng đưa cảm biến vân tay vào chiếc Atrix, sau đó đến lượt Pantech của Hàn Quốc, mới đây có Apple với iPhone 5s, HTC với One Max và Samsung với Galaxy S5. Thực chất cảm biến vân tay có hai loại, loại quang học và loại điện dung. Loại đầu thường dùng ở các máy đọc vân tay gắn ngoài hoặc máy để check in vào cơ

quan, còn loại điện dung mới là thứ được các nhà sản xuất đưa lên smartphone. Thay vì sử dụng nguồn sáng để nhận ra phần lồi lõm của vân tay, cảm biến quét điện dung sẽ dùng dòng điện để ghi nhận thông tin này, sau đó đối chiếu với dữ liệu chứa trong bộ nhớ để xem người dùng có phải là người đã đăng kí với hệ thống hay không.

Lợi ích chính của cảm biến vân tay điện dung đó là nó tạo hình ảnh dựa vào hình dạng thật của vân tay chứ không phải là các đường nét sáng tối, do đó việc giả mạo vân tay của hệ thống cảm biến điện dung sẽ khó hơn nhiều so với cảm biến quang học. Ngoài ra, vì cảm biến điện dung dùng các bóng bán dẫn thay vì một chip CCD lớn, cảm biến điện dung có kích thước nhỏ gọn hơn nhiều nên mới được tích hợp vào các thiết bị di động. Việc lưu trữ dữ liệu vân tay thường không phải ở dạng hình ảnh nguyên gốc mà dưới dạng dữ liệu số được mã hóa.

Ứng dụng của cảm biến vân tay trước hết là giúp đơn giản hóa việc đăng nhập thiết bị. Chúng ta sẽ không phải gõ mật khẩu để unlock máy, thay vào đó chỉ cần lấy ngón tay ịn lên nút home là xong. Ngoài ra, cảm biến vân tay còn có thể dùng để xác thực các tài khoản online, thanh toán trực tuyến. Trong tương lai, nhiều khả năng cảm biến vân tay sẽ tiếp tục xuất hiện nhiều hơn trên các máy di động.