麥姆斯咨詢將推出一系列的科普貼，細說各種指紋識別傳感器技術(shù)，第一篇我們先從指紋識別傳感器技術(shù)的演變歷程開始談起。
在指紋識別傳感器技術(shù)之路上，電容感測技術(shù)不斷發(fā)展演進，期望能克服其它技術(shù)帶來的威脅。超聲波感測技術(shù)正在興起，但是其成本和技術(shù)成熟度限制了目前的市場拓展。另一種基于光學(xué)感測的指紋識別技術(shù)——將指紋識別功能直接集成于顯示屏，也正從概念演變?yōu)榧磳冬F(xiàn)的現(xiàn)實，樂觀估計今年的iPhone 8和華為P 10有望見證此項“黑科技”。
麥姆斯咨詢將推出一系列的科普貼，細說各種指紋識別傳感器技術(shù)，第一篇我們先從指紋識別傳感器技術(shù)的演變歷程開始談起。
指紋——人體自帶的生物“密碼”神器
密碼的使用在我們的生活中無處不在：手機解鎖、網(wǎng)站用戶登錄、網(wǎng)上/移動支付。安全起見，人們往往在不同類型的賬戶設(shè)置不同的密碼，比如手機銀行的登錄密碼和支付密碼會不一樣，并且還需要定期更換密碼。這樣一來，帶來的問題就是時間一久，密碼搞混淆了，忘記了，然后再進入一套“找回密碼”的流程……密碼太多，腦容量不夠？忘記密碼，找回很煩心？
復(fù)雜的密碼設(shè)置，怎樣才能簡單點呢？
其實，當(dāng)年喬布斯大人發(fā)布第一代iPhone的時候說過，觸屏手機不應(yīng)該有一根實體的筆，因為我們每個人都有天然自帶的十根筆，那就是我們的手指頭。確實，我們的指紋就是獨一無二，且較難復(fù)制，一般情況下別人也無法竊取的密碼。指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點，稱為指紋的細節(jié)特征點。由于指紋具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特征識別的代名詞。
在整個生物識別（指紋/虹膜/眼球/眼紋識別和人臉識別）傳感器市場上，由于歷史原因，如美國聯(lián)邦調(diào)查局（FBI）建設(shè)的犯罪指紋數(shù)據(jù)庫，中國《居民身份證法》也規(guī)定居民身份證登記項目包括指紋信息，因此指紋識別成為目前最常用的生物識別技術(shù)，占據(jù)生物識別硬件市場的95%份額。麥姆斯咨詢預(yù)計指紋識別傳感器出貨量將以18%的復(fù)合年增長率成長，到2022年將達到47億美元市場規(guī)模。
消費電子市場“引爆”指紋識別傳感器市場
2013年之前，指紋識別傳感器的主要應(yīng)用還是在工業(yè)和安防領(lǐng)域。1998年西門子展示了集成指紋識別功能的手機后，指紋識別沉寂了十幾年。2013年蘋果公司發(fā)布了采用指紋識別傳感器的iPhone 5S，由此引爆了指紋識別傳感器市場，三年間市場規(guī)模從幾乎為零飆升到幾十億美元。起初，指紋識別傳感器用于手機解鎖和信息保護。然而，現(xiàn)在指紋識別傳感器越來越多地應(yīng)用于在線認證和移動支付等安全功能。
過去幾年中，消費類指紋識別傳感器市場的演變一直受到智能手機中對生物識別技術(shù)應(yīng)用的驅(qū)動。2010年，消費類指紋識別傳感器的市場營收約為幾千萬美元，主要來自筆記本電腦業(yè)務(wù)。應(yīng)用于智能手機的指紋識別傳感器出貨量從2013年的2300萬顆增至2016年6.89億顆。可見，2013~2016年期間，手機應(yīng)用的指紋識別傳感器出貨量的復(fù)合年增長率高達210%！預(yù)計2016~2022年期間，該領(lǐng)域的增長將趨于“理性”，復(fù)合年增長率約為18%。
指紋識別傳感器技術(shù)的發(fā)展之路
根據(jù)工作原理，指紋識別傳感器可分為光學(xué)指紋傳感器、電容式指紋傳感器、電感式指紋傳感器、壓感式指紋傳感器、熱敏式指紋傳感器、超聲波掃描指紋傳感器和射頻式指紋傳感器等。
但如果我們把目光集中在消費類指紋識別傳感器上，麥姆斯咨詢將指紋識別技術(shù)原理發(fā)展之路收斂如下：
光學(xué)感測→電容感測→超聲波感測→微型光學(xué)感測
1. 光學(xué)感測
指紋識別傳感器最初用于筆記本電腦，如IBM的Thinkpad系列，采用的是光學(xué)識別技術(shù)。那時候的指紋識別窗口是條形，用戶將手指在上面劃過，傳感器對手指圖形進行專門的處理，和存儲的指紋圖形進行比對。光學(xué)指紋識別技術(shù)的主要原理是手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成脊線呈黑色、谷線呈白色的數(shù)字化的、可被指紋識別傳感器算法處理的多灰度指紋圖像。由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。因此手指表面的干凈程度對結(jié)果有直接的影響。
IBM的Thinkpad采用光學(xué)識別技術(shù)的指紋識別傳感器
光學(xué)指紋識別傳感器的缺點是安全性不高。2012年發(fā)生的內(nèi)蒙古監(jiān)獄越獄案件，越獄犯人就是砍下獄警的手指驗證光學(xué)指紋機打開監(jiān)獄門禁。在淘寶上花幾十元左右訂做到硅膠指模，可以輕易地“騙過”光學(xué)指紋機，上班族可用它代打指紋考勤。此外，光學(xué)傳感器中存在棱鏡，其體積較大，一般為半導(dǎo)體器件的幾倍甚至十倍大小，所以限制了其在小型設(shè)備上的應(yīng)用。
2. 電容感測
電容感測的原理就是當(dāng)用戶將手指按在傳感器上時，會測量出指紋引起的極小的電導(dǎo)率變化信號，然后用測量到的數(shù)據(jù)形成一副指紋的圖像。手指最外層的皮膚也就是指紋，是不導(dǎo)電的，而指紋里面的皮下層是導(dǎo)電的。這樣其優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了，對手指表面的干凈程度相比光學(xué)感測的要求低，并且能識別手指里層的紋路，從而提高了安全性。電容式指紋識別傳感器目前被智能手機廣泛采用，比如在iPhone上使用的Touch ID。
Touch ID采用電容式指紋識別原理
3. 超聲波感測
超聲波指紋識別是一種新型技術(shù)，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波。因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋凹凸不平的圖像，甚至能滲透到皮膚表面之下識別指紋獨特的3D特征。超聲波技術(shù)所使用的超聲波量與醫(yī)學(xué)診斷的強度相當(dāng)，對人體無任何傷害。
超聲波指紋識別技術(shù)示意圖
超聲波式指紋識別傳感器可以置于玻璃、金屬、塑料下方，為全屏手機帶來了福音。2016年2月，樂視LeMax Pro智能手機首次集成了高通Sense ID玻璃內(nèi)層（under-glass）金屬指紋傳感器——基于創(chuàng)新的超聲波感測原理。同年9月發(fā)布的小米5也采用了此技術(shù)。不過實際用戶體驗下來，除了濕手操作不會失效、準確度略高這些優(yōu)點外，采集指紋的速度慢于目前的電容式指紋識別、價格昂貴、傳感器本身體積較大也是不可回避的問題。而且，也沒有實現(xiàn)真正意義上的全屏幕手機。
4. 微型光學(xué)感測
無論是當(dāng)前的主流——電容式指紋識別傳感器，還是新秀——超聲波式指紋識別傳感器，都需要額外的指紋傳感器，只是前者需要在屏幕上開孔，后者可以隱藏在屏幕下面而已。轉(zhuǎn)了一圈，現(xiàn)在又回到了光學(xué)感測的路子上來了，不同的是，如今的微型光學(xué)感測技術(shù)先進性足以引起智能手機的全“面”革新。
今年2月14日蘋果專利授權(quán)浮出水面，表明蘋果公司正尋求利用其收購的LuxVue公司的技術(shù)，在新產(chǎn)品上采用能讀取指紋的顯示屏。同月27日，西班牙MWC（世界移動通信展）上，匯頂科技也亮出了全新的黑科技——隱藏在OLED顯示屏下的光學(xué)指紋。這意味著傳統(tǒng)的指紋識別傳感器或?qū)ⅰ皦劢K正寢”。
匯頂科技的顯示屏內(nèi)指紋識別技術(shù)將指紋識別功能完整的集成到AMOLED顯示屏中，用戶可以直接輕觸移動終端顯示屏指定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)指紋識別。相比傳統(tǒng)方案需要獨立實體按鍵或虛擬按鍵進行指紋識別的設(shè)計，全新顯示屏內(nèi)指紋識別方案可以大幅提高移動設(shè)備的屏占比，并為用戶帶來無與倫比的使用體驗。華為旗艦機型P10將采用該項技術(shù)，也意味著匯頂科技潛心研究的3年多的IFS技術(shù)終于得以量產(chǎn)！
匯頂科技全球首創(chuàng)并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的IFS指紋與觸控一體化技術(shù)
美國專利和商標(biāo)局公布了蘋果公司美國專利號為9570002的“集成紅外二極管的交互式顯示面板”，詳細介紹了這項采用microLED傳感技術(shù)的觸摸顯示屏。在專利描述中，通過在屏幕中安裝多層來讀取指紋，其中包括一個屏幕層，一個透明導(dǎo)電層，以及一層用于指紋讀取。在按壓屏幕之后會對透明導(dǎo)電層產(chǎn)生影響，而生物傳感器通過監(jiān)測這層的電壓變化來讀取指紋，從而實現(xiàn)這項功能。通過從用戶手指反射的紅外光返回傳感二極管實現(xiàn)指紋識別。在操作時，集成有交互像素的屏幕的某一特定區(qū)域或者某幾行掃描到用戶的指紋信息。如果該距離達到足以感應(yīng)到的距離，將生成位圖并通知系統(tǒng)近似定位數(shù)據(jù)。在某些情況下，位圖包括入射光強度信息，允許對對象及其表面進行深層分析。例如，通過檢查位圖的暗點和亮點，樣本系統(tǒng)可以檢測用戶指紋中相應(yīng)的脊線和皺褶。
蘋果公司美國專利號為9570002“集成紅外二極管的交互式顯示面板”
顯然，這種技術(shù)看起來非常美好，取消了HOME鍵，不再需要接近傳感器、環(huán)境光傳感器和指紋識別傳感器等模塊但又擁有這些器件的功能。但是，從工藝角度來講，這意味著一塊成品上會有數(shù)百萬個基礎(chǔ)發(fā)光器件——即“microLED”微晶體。如何在驅(qū)動基板（TFT）上“焊接”（組裝）這么多電極性的半導(dǎo)體晶體，那是一項相當(dāng)復(fù)雜的工藝。但長遠來看，microLED是未來的大勢所趨！