Cảm biến tiệm cận trong thiết bị di động — nó là gì, các loại và nguyên lý hoạt động

Cảm biến tiệm cận trong điện thoại là gì

Cảm biến tiệm cận là một cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc được đặt ở phần trên của mặt trước điện thoại thông minh, bên cạnh loa tai. Nó bao gồm một LED hồng ngoại (IR LED) và một bộ tách sóng quang (photodiode hoặc phototransistor). Chiếc điện thoại thông minh đại chúng đầu tiên có cảm biến tiệm cận là Apple iPhone (2007) — kể từ đó, cảm biến này đã trở thành thành phần bắt buộc trong tất cả các điện thoại hiện đại.

Vị trí và thiết kế

Cảm biến thường được giấu dưới kính màn hình và chỉ có thể nhìn thấy ở một góc nhất định như một chấm nhỏ. Các mẫu hiện đại sử dụng mô-đun quang học với góc chùm hẹp (15–30 độ) để tránh kích hoạt giả do phản xạ trên kính. Các nhà sản xuất bao gồm Sharp, ams OSRAM (dòng TMD), Silicon Labs và các đối tác hợp đồng của họ.

Hai loại cảm biến

Các thiết bị di động sử dụng cảm biến rời rạc (chip riêng với IR LED + photodiode) và mô-đun tích hợp (cả hai yếu tố trên một chip). Các giải pháp tích hợp (ams TMD2635, kích thước 1×1×0.5 mm) được sử dụng trong vỏ siêu mỏng của các flagship hiện đại và chiếm không gian tối thiểu trên bo mạch.

Cách hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận dựa trên đo cường độ bức xạ IR phản xạ. LED hồng ngoại phát ra một xung ánh sáng (850–940 nm) và photodiode đo lượng ánh sáng phản xạ từ một vật thể. Nếu tín hiệu phản xạ vượt quá một ngưỡng, vật thể được coi là ở gần (dưới 3–5 cm).

Khử ánh sáng xung quanh

Thách thức kỹ thuật chính là nhiễu ánh sáng mặt trời và nhiễu từ các nguồn IR khác. Giải pháp là điều chế phát xạ: LED IR phát xung ở tần số 10–100 kHz và bộ tách sóng quang phát hiện tín hiệu một cách đồng bộ, lọc thành phần DC. Theo ams Application Note AN000610 (2024), phát hiện đồng bộ loại bỏ ánh sáng nền ở mức 40–60 dB.

Hiệu chuẩn và ngưỡng

Ngưỡng kích hoạt được nhà sản xuất thiết lập trong quá trình hiệu chuẩn và phụ thuộc vào độ trong suốt của kính màn hình. Một ngưỡng điển hình tương ứng với khoảng cách phản xạ 2–4 cm. Khi một ngón tay hoặc tai được đặt gần hơn ngưỡng, cảm biến xuất ra 0 (gần); nếu không, nó trả về giá trị phạm vi tối đa (8–10 cm tùy theo mẫu).

Sự khác biệt giữa cảm biến tiệm cận và cảm biến ToF

Cảm biến tiệm cận IR đo cường độ phản xạ — một cảm biến nhị phân với hai trạng thái. Thời gian bay (ToF) đo thời gian ánh sáng di chuyển đến một vật thể và quay trở lại, cho phép đo khoảng cách chính xác lên đến vài mét. Trong các thiết bị di động, cảm biến ToF (VL53L5 của STMicroelectronics) được sử dụng cho lấy nét tự động máy ảnh và ứng dụng AR.

Khi nào sử dụng IR proximity và khi nào dùng ToF

Cho nhiệm vụ tắt màn hình khi gọi điện, một cảm biến IR nhị phân đơn giản là đủ — chi phí của nó là $0.10–$0.30 so với $1–$3 cho một mô-đun ToF. Cảm biến ToF bổ sung tính năng đo khoảng cách chính xác, nhưng là quá mức cho nhiệm vụ cơ bản. Một số flagship (Samsung Galaxy S23 Ultra) sử dụng mô-đun kết hợp tích hợp cả hai công nghệ.

Truy cập lập trình vào cảm biến trong Android

Android cung cấp quyền truy cập vào cảm biến tiệm cận thông qua Sensor.TYPE_PROXIMITY. Một tính năng chính của API là cảm biến chỉ trả về hai giá trị có ý nghĩa thực tế: 0 (vật thể ở gần) và giá trị phạm vi tối đa (thường là 5–10 cm) khi không có vật thể. Các thuật toán nội bộ che giấu bản chất tương tự của tín hiệu.

Làm việc với cảm biến

Bản chất nhị phân của cảm biến có nghĩa là ứng dụng không thể biết được khoảng cách chính xác đến một vật thể — chỉ biết liệu có vật cản trong vùng cảm nhận hay không. Đây là một giới hạn phần cứng. Để đo chính xác hơn, hãy sử dụng cảm biến ToF (nếu có) qua API TYPE_PROXIMITY tiêu chuẩn, nhưng trên các thiết bị có ToF, nó trả về giá trị tương tự.

val proximitySensor = sensorManager
    .getDefaultSensor(Sensor.TYPE_PROXIMITY)

sensorManager.registerListener(
    object : SensorEventListener {
        override fun onSensorChanged(event: SensorEvent) {
            val distance = event.values[0]
            val maxRange = proximitySensor?.maximumRange ?: 10f

            when {
                distance < maxRange -> lockScreen()
                else -> unlockScreen()
            }
        }

        override fun onAccuracyChanged(
            sensor: Sensor, accuracy: Int
        ) {}
    },
    proximitySensor,
    SensorManager.SENSOR_DELAY_UI
)

Wake Lock và quản lý nguồn

Khi đăng ký cảm biến tiệm cận, điều quan trọng là sử dụng SCREEN_OFF_WAKE_LOCK nếu ứng dụng cần tiếp tục chạy khi màn hình tắt (ví dụ: ghi âm cuộc gọi). Không có Wake Lock, CPU có thể chuyển sang chế độ ngủ và ngừng nhận dữ liệu cảm biến. Cờ SENSOR_DELAY_UI (200 ms) là đủ cho hầu hết các kịch bản.

Sử dụng cảm biến tiệm cận trong các ứng dụng

Mặc dù chức năng chính của cảm biến là tắt màn hình khi gọi điện, các nhà phát triển tìm ra những cách sử dụng sáng tạo hơn. Ứng dụng Glimmer sử dụng cảm biến tiệm cận để chuyển bài hát bằng cách vẫy tay trước màn hình — vuốt lòng bàn tay để bỏ qua bài hát. Pin không bị ảnh hưởng: cảm biến chỉ tiêu thụ 0.3–0.7 mA.

• Tự động trả lời và ghi âm cuộc gọi — ứng dụng phát hiện khi điện thoại được đưa lên tai và kích hoạt loa hoặc ghi âm.
• Chế độ túi — khóa màn hình và tắt rung khi điện thoại ở trong túi. Cảm biến được hỏi cứ mỗi 1–2 giây.
• Xem trước bằng tiệm cận — trong các ứng dụng thư viện, đưa tay gần màn hình sẽ hiển thị các điều khiển ẩn.
• Chơi game không chạm — các trò chơi đơn giản nơi chuyển động của tay trước cảm biến thay thế việc nhấn nút.

Vấn đề và hạn chế

Vấn đề chính của cảm biến tiệm cận là kích hoạt giả khi sử dụng miếng dán màn hình và ốp lưng. Một số nhà sản xuất (Google Pixel 8, 2023) sử dụng cảm biến tiệm cận siêu âm thay vì IR — nó hoạt động xuyên qua mọi miếng dán màn hình và màn hình ở mọi độ dày, nhưng có độ chính xác thấp hơn và độ trễ cao hơn (lên đến 100 ms). Kính dày (hơn 0.5 mm) làm tán xạ bức xạ IR, gây ra kích hoạt liên tục. Giải pháp là sử dụng ốp lưng có khoét chính xác cho cảm biến. Một nhược điểm thứ hai là không thể hoạt động qua màn hình OLED có độ trong suốt thay đổi (cảm biến dưới màn hình).

Cảm biến tiệm cận dưới màn hình

Vào năm 2024–2025, các nhà sản xuất bắt đầu triển khai cảm biến tiệm cận dưới màn hình, giảm viền trên xuống còn 1–2 mm. Thiết bị sản xuất hàng loạt đầu tiên có cảm biến tiệm cận dưới màn hình là Xiaomi 14 Ultra (2024), tiếp theo là OnePlus 12 và Samsung Galaxy S25. Công nghệ này sử dụng bức xạ IR ở bước sóng 940 nm, xuyên qua một phần các pixel OLED. Theo Samsung Display Technical Paper (2024), độ trong suốt của OLED đối với bức xạ IR là 15–25% — đủ để cảm biến hoạt động ở độ sáng màn hình lên đến 600 cd/m². Ở độ sáng cao hơn, ma trận trở nên không trong suốt đối với IR và cảm biến cần tắt đèn nền trong 1–2 khung hình để đo.

Giả lập phần mềm của cảm biến tiệm cận

Khi phát triển ứng dụng Android, trình giả lập không hỗ trợ cảm biến tiệm cận — nó phải được giả lập bằng phần mềm. Trên thiết bị vật lý, bạn có thể sử dụng lệnh adb: adb shell sendevent /dev/input/eventX với các mã ABS_MT_TOUCH_MAJOR thích hợp. Để mô phỏng tắt màn hình khi gọi điện trong kiểm thử, hãy sử dụng SensorManager với một đối tượng giả (mock) trả về 0 khi onSensorChanged được gọi.

Kiểm tra cảm biến tiệm cận

Để kiểm tra cảm biến tiệm cận trên thiết bị Android, hãy mở ứng dụng Điện thoại, quay số *#0*# (trên Samsung) và chọn Sensor. Khi bạn đưa ngón tay lại gần phía trên cùng của màn hình, giá trị của cảm biến sẽ thay đổi từ “Far” sang “Near.” Nếu cảm biến không phản hồi, hãy lau sạch phần trên màn hình và kiểm tra xem có miếng dán màn hình che cảm biến không. Trên iPhone, việc kiểm tra được thực hiện qua chẩn đoán hệ thống trong Cài đặt.