Comment fonctionne un smartphone : tactile, batterie, 5G

Dans la plaquette

Imaginez que vous soulevez la vitre d’un téléphone. Sous l’écran tactile se trouve un mince sandwich de couches. La batterie prend le plus de place, souvent la moitié de l’épaisseur. La carte principale porte le système sur puce, qui réunit le processeur, les graphiques et le modem, ainsi que la mémoire. Autour, on trouve plusieurs caméras, un haut-parleur, un microphone, un moteur de vibration et des antennes cachées le long du bord métallique. L’animation écarte le téléphone pour que chaque pièce flotte à sa propre hauteur. Le premier appel passé depuis un téléphone mobile portable date du 3 avril 1973 : Martin Cooper, de Motorola, utilisait un appareil de plus d’un kilogramme.

Toucher, c’est de l’électricité

Sous la vitre se trouve une grille de lignes et de colonnes faite d’un conducteur transparent, le plus souvent de l’oxyde d’indium et d’étain. Chaque croisement stocke une petite charge électrique, comme un minuscule condensateur. La peau conduit l’électricité : un bout de doigt près de la vitre vole un peu de cette charge, et la capacité du croisement baisse. Un contrôleur balaie toute la grille entre 60 et 240 fois par seconde et note quels croisements ont changé. C’est pourquoi l’écran du téléphone répond à un doigt nu mais ignore un crayon de bois, et pourquoi les gants ordinaires ne marchent pas.

Où est exactement le doigt ?

Plusieurs croisements changent à la fois, le plus fort sous le milieu du bout du doigt. Le contrôleur compare les valeurs des croisements voisins et calcule le centre du toucher avec une précision bien plus fine que l’espacement de la grille, alors qu’un bout de doigt mesure environ 8 à 10 mm de large. Posez deux doigts et deux taches distinctes apparaissent, ce qui permet de zoomer en pinçant. Les téléphones à écran multitouch de ce genre sont arrivés sur le marché de masse en 2007. Dans l’animation, un bout de doigt se pose sur la vitre et les croisements en dessous s’illuminent.

Des ions en aller-retour

Dans une cellule lithium-ion, deux électrodes se font face : du graphite côté négatif et un oxyde métallique de lithium côté positif, séparés par un électrolyte liquide. La charge pousse des ions lithium entre les couches du graphite, comme des voitures dans un parking à étages. Pendant que vous utilisez le téléphone, ils repartent en sens inverse, et les électrons, qui ne peuvent pas traverser l’électrolyte, passent par votre téléphone. Stanley Whittingham, John Goodenough et Akira Yoshino ont franchi les étapes clés entre les années 1970 et 1985, et en 2019 ils ont partagé le prix Nobel de chimie.

Combien de temps tiendra-t-il ?

L’étiquette d’une batterie indique 4 500 mAh à 3,85 V. L’énergie est 4,5 Ah × 3,85 V ≈ 17,3 Wh. Si le téléphone consomme 1,5 W en moyenne, il tient 17,3 / 1,5 ≈ 11,5 heures. Une forte luminosité, un jeu ou un signal faible augmentent la puissance, alors que la veille la ramène à une fraction de watt. La chaleur abîme les cellules lithium-ion plus que tout, donc un téléphone ne doit pas rester dans une voiture brûlante. Les cellules lithium-ion ont été vendues pour la première fois en 1991, et aucune batterie d’usage courant ne les a encore remplacées.

Où est le bas ?

Un accéléromètre est une masse microscopique sur des ressorts de silicium gravés dans une puce. Quand le téléphone bouge ou s’incline, la masse se déplace et une capacité change. Au repos, il sent la gravité : posé à plat, l’axe z indique environ 9,81 m/s², soit 1 g. Inclinez le téléphone de 30 degrés et z tombe à 9,81 × cos 30° ≈ 8,5, tandis que x monte à 9,81 × sin 30° ≈ 4,9. Avec ces nombres, le téléphone connaît l’inclinaison et tourne l’image. Un gyroscope ajoute la vitesse de rotation, et un magnétomètre sent le champ terrestre, de 25 à 65 microteslas environ, et sert de boussole. Inclinez le téléphone dans le bac à sable et observez les mesures.

Un mot avec l’antenne

Un réseau mobile est un nid d’abeilles de cellules. Une antenne couvre quelques centaines de mètres en ville et plusieurs kilomètres en rase campagne. Le téléphone et l’antenne échangent des ondes radio, de la même famille que la lumière mais avec des ondes bien plus longues : d’environ 700 MHz à quelques GHz pour la 4G et la plupart des 5G, et au-dessus de 24 GHz pour la 5G à courte portée. La radio va à la vitesse de la lumière, donc 3 km prennent 3 / 300 000 s = 10 microsecondes. Télécharger 1 Go, soit 8 gigabits, à 200 Mbit/s prend 40 secondes. Quand vous vous déplacez, le téléphone passe d’une antenne à l’autre sans couper l’appel.

Le smartphone