屏下指紋識別技術 究竟難在哪?

指紋解鎖並不是一項「黑科技」，早在2013年，蘋果公司就在iPhone 5S上加入了Touch ID指紋識別功能。隨後，Android陣營的手機也逐漸跟進，使指紋識別成為智慧型手機的標配。但隨著工業設計的進一步發展，傳統指紋解鎖技術已不能滿足更苛刻的工藝水平要求。

 

屏下指紋識別技術，並沒有出現在號稱承前啟後的iPhone X上。在最新的iPhone X上，蘋果採用了Face ID代替原來的Touch ID作為身份驗證。但坊間傳聞蘋果想要屏下指紋從未停止過。事實上，蘋果的屏下指紋識別並沒有停止研發，只是時間周期不太夠。

連蘋果公司都沒用到的屏下指紋識別，究竟難在哪?

 

指紋識別技術是眾多生物特徵識別技術中的一種。可用的生物特徵識別技術有指紋、人臉、聲紋、虹膜等。指紋是其中應用最為廣泛的一種。應用於智慧型手機的指紋採集技術目前主要有三種：電容式、光學式和超聲波式。其中，電容式在智慧型手機應用領域目前仍然有最高的市場佔有率。

 

由於我們的指紋是由凹凸不平的皮膚紋路構成，每個手指的紋路都完全不同，因此通過傳感器可以獲得不同的指紋圖像。由於皮膚表面凹凸導致指紋不同位置到傳感器之前的距離不同，測量到的電容也不同，最終將指紋圖像翻譯成晶片能理解的電信號，這樣就可以實現準確的指紋測定。但電容指紋傳感器也有缺點，它無法隔著手機屏識別按在屏幕上的指紋，這主要是因為屏幕模組本身的厚度導致傳感器收集不到足夠多有用的信號。這就使得前置電容式指紋識別方案在全面屏手機上沒有了用武之地。

 

全面屏，從字面上解釋就是手機的正面全部都是屏幕，採用無邊框設計，追求接近100%的屏佔比。但由於受限於目前的技術，業界宣稱的全面屏手機暫時只是超高屏佔比的手機，沒有能做到手機正面屏佔比100%的手機。現在業內所說的全面屏手機是指真實屏佔比可以達到80%以上，擁有超窄邊框設計的手機。如果想將全面屏變得更加「全面」甚至趨近於真正的「全面屏」的話，屏下指紋識別就必須攻克。

屏下指紋識別技術，也叫隱形指紋技術，是在屏幕玻璃下方完成指紋識別解鎖過程的新技術，主要利用超聲波、光學等穿透技術，穿透各種不同的材質，從而達到識別指紋的目的。

 

所謂屏下指紋，指的就是隔著屏幕完成採集的識別技術，無需手指與指紋模塊直接接觸。屏下指紋識別能保證屏幕的完整性，手指直接貼在屏幕上就能識別並解鎖。同時，屏下指紋識別還可以較大程度降低手指汙垢、油脂以及汗水對解鎖的影響。

 

目前已知的屏下指紋識別方案主要有兩種：一種是利用OLED實現，也就是光學式指紋識別;另一種是超聲波式指紋識別。

 

光學式指紋識別是在屏幕下方設置光學傳感器，通過發出近紅外光來識別用戶的指紋紋路。而超聲波式指紋識別就是在屏幕下方設置超聲波傳感器，通過超聲波完成指紋識別工作。

 

屏下指紋識別技術方案

 

屏下指紋識別是把指紋識別晶片放置在顯示模組下方，可以同時實現全面屏和指紋識別的功能；屏內指紋識別是對屏下指紋識別的進一步發展，是把指紋識別晶片集成到OLED像素矩陣中，難度很大。

 

由於電容式穿透能力差，在這種模式下基本已無法工作，所以光學和超聲波是屏下指紋與屏內指紋識別的最佳選擇方案。

 

光學指紋識別以我國匯頂科技和韓國CrucialTec的方案為代表，超聲波指紋識別則以美國高通公司為代表。

 

光學方案是依靠光線反射探測指紋紋路，所以光學屏下/屏內指紋識別更適合與OLED屏配合，因為OLED面板具有自發光的特性，使得各像素之間可以留有一定間隔，保證光線透過。光學式指紋識別目前在產業鏈成熟度和精度上都有更好表現，有望成為全面屏的標配指紋識別技術。

 

匯頂科技在三星S7edge為原型機上，展示了光學屏內指紋方案，將指紋識別集成到OLED顯示屏中，用戶觸控螢幕幕指定位置可實現指紋識別。

 

三星的合作夥伴CrucialTec剛剛獲得了與DFS（顯示屏指紋解決方案）相關的美國專利，並宣布明年正式商用。和匯頂方案不同，DFS支持在屏幕任意位置指紋解鎖，甚至能夠兼容像三星全視曲面屏這類柔性OLED面板，而且DFS不僅限於光學方案，還支持傳統的電容方案。

 

由於厚度問題，指紋傳感器位於顯示器下方的識別率往往較低，且只能應用於屏幕的一部分。而DFS可以在屏幕任意區域解鎖，在識別率和厚度方面都更有優勢。

 

超聲波式指紋識別是由高通首次推出，之後在小米5S上得到應用，通過超聲波來感應指紋，高通提供晶片、歐菲光提供整體解決方案。

 

高通發布的第三代超聲波指紋識別方案。該技術可穿透金屬、OLED軟屏、玻璃、塑料等物體，最高能穿透OLED屏幕1200微米，因而能夠實現隔著屏幕就能識別。

雖然識別準確率還有待提升，但其無需開孔、無需直接接觸、不受溼手指和微髒汙影響的優勢能顯著增強用戶體驗，在產業鏈進一步成熟、準確率進一步提升之後，有望成為全面屏指紋識別非常可行的方案之一。

 

另外，三星提交了一份關於正面屏下指紋識別技術的專利文檔這次提交的屏下指紋識別不僅僅是普通的光學指紋識別，而是一個帶有壓感型傳感器的指紋識別系統。    這就意味著應用這項技術的三星手機可以在熄屏狀態下通過按壓指定位置就可以激活屏幕並實現指紋識別，而不需要像之前曝光的類似技術那樣需要先點亮屏幕再進行指紋識別。

 

屏下指紋識別技術工作原理

 

目前已知的屏下指紋識別方案主要分為兩個方向：一是利用OLED實現，另一個則是利用超聲波實現。

 

光學指紋識別的工作原理

先來說說OLED。蘋果採用來自三星的OLED屏幕，為什麼蘋果要選擇OLED作為旗下最高端產品的屏幕呢？顯示效果是一方面，坊間傳聞的屏下指紋，也很可能是選擇OLED的原因。但為何OLED能實現屏下指紋，而TFT-LCD不行？

關於手機指紋識別，坊間有很多資料，我們不再多說，而屏下指紋識別正是利用了光學原理。光學指紋識別需要光的發射和感應裝置，由於LCD和OLED均可以當做光源，那是不是在屏幕下面墊一個CMOS傳感器就行了呢？

 

然而沒那麼簡單，TFT-LCD做屏下指紋識別很難。這是由於LCD是被動發光，通過底部的LED背光源透過TFT發光。這層TFT本身並不是那麼透光，如果不做改動，直接把手指放上去，屏幕底下的傳感器很難識別到指紋。因此如果用TFT-LCD做屏下光學指紋識別，必須給TFT層做技術改進，如加一些縫隙或是打開一個區域，讓LED背光照上來。但即使這樣，LED背光光源也會很大的幹擾指紋反射的光線。所以TFT-LCD屏下光學指紋識別很難實現。

 

而OLED則是主動發光，理論上說可以精確控制到每一個子像素點,所以OLED材質的屏幕是更理想的發射光光源，此外，OLED顯示模組更薄，也可以減輕由於放置屏下指紋傳感器帶來的整體機身變厚的問題。

 

目前產業鏈有三種利用OLED屏幕的開發方向：1，直接在屏幕下方布置一個CMOS傳感器，利用OLED的子像素之間縫隙讓光線穿透過去，進而識別指紋；2，縮小傳感器，插入OLED的像素點之間；3，將CMOS傳感器做成透明的，直接貼裝於AMOLED屏幕上方，將光學指紋識別做成一層識別層。

 

在光學屏下指紋識別方面，很多公司已經開始做出了嘗試，並有了初步結果。匯頂科技就展示過利用AMOLED屏幕實現屏下指紋識別的案例，演示機型為三星Galaxy S7 Edge和vivo Xplay6。而匯頂科技就是在屏幕下方布置了一個CMOS傳感器，根據匯頂科技在美帝註冊的專利：玄機就在這三張圖裡了。

 

FIG.21A和FIG.21B從俯視和側視兩個角度說明了指紋識別傳感器放置的地方。

FIG.24從微觀角度則說明了光線是如何穿透OLED屏幕的，最上面的就是手指；偏上這層灰色區域就是手機的屏幕部分。透過屏幕的小孔，匯頂稱之為「準直孔（Collimator Hole）」，手指反射回的光線光學傳感器搜集、處理。

怎麼保證光線搜集到的就是來自指紋的反光呢？這就需要對光線準直處理。如圖FIG.27，匯頂定製了專門的微透鏡陣列（MicroLens Array）、光學空間濾光器陣列（Spatial Filter Array），微透鏡陣列需要經過MEMS（微機電系統）技術處理或化學處理。這兩個陣列能夠保證進入傳感器的光線基本都是來自指紋的反光，而非屏幕或是陽光。

 

另一個屏下指紋識別方向則是利用超聲波指紋識別

 

高通方案稱其為Sense ID，指紋識別的龍頭企業FPC也剛剛發布了他們的方案。超聲波既不需要感光元件也不需要電容感應，因此更適合做屏下指紋識別。Vivo演示機使用的全屏幕指紋識別，採用的正是高通的方案以及歐菲的模組。

目前大規模應用的超聲波指紋識別手機並不太多，主要是樂視的LeMax2和小米5s。LeMax2將指紋放在了後面，而小米5s則是在正面，當時超聲波還穿透不了太厚的玻璃，最厚大約是0.4mm左右，而手機蓋板玻璃厚度大約為0.6mm~0.9mm，因此0.4mm的有效厚度不足以穿透玻璃+顯示屏（0.6mm+0.3mm）的厚度。小米只好和藍思科技商量，給前面板玻璃多挖一塊走，這樣才能保證超聲波能穿透，因此把指紋識別區域的玻璃削薄了一些。根據高通官網公開的資料顯示，新一代的Sense ID可以穿透1.2mm的OLED屏幕或0.65mm的鋁或0.8mm的玻璃。這樣的穿透能力，用在目前的玻璃或OLED屏幕上也夠了。

 

但為什麼vivo還沒開始在量產的X20等手機上使用？這是因為還需要時間優化算法。新技術從發布到正式應用還需要一個調試的過程，指紋識別是一項對安全性要求相對較高的生物識別技術，因此需要時間對算法優化以提高安全性、識別速度、識別率等。

然而FPC剛發布的方案更喪心病狂，FPC稱，不管手是幹的還是溼的，不管你屏幕是AMOLED還是LCD的，甚至不管你表面材質是不是玻璃，我們都能識別。能穿透多厚呢？20mm！20mm！20mm！重要的事情說三遍。作為對比，高通初代Sense ID是0.4mm，二代也就能穿透1.2mm。FPC能穿透的厚度是高通的16倍多。

 

FPC新技術的優勢包括：

 

1、支持智慧型手機（任何其他設備）乾淨正面外觀設計，可用於顯示，並且還包含指紋識別功能，以最優化屏幕與手機的比例；

 

2、全屏幕可用於指紋識別。無需在視覺上或物理上突出智慧型手機的特定區域做為指紋識別；

 

3、該技術能夠在不同的表面材質捕獲指紋，如在厚玻璃和金屬運行。當手指溼潤或手指淹沒在水下時，它也能夠運作，這種技術在所有不同的玻璃厚度下工作得很好，即使是市場上最厚的玻璃；

 

4、這獨特的技術在LCD面板以及OLED面板同樣能夠出色運作。

 

屏下指紋識別技術相關廠商

 

目前，手機業界主流的指紋識別解決方案提供者主要有美國公司AuthenTec和Synaptics、瑞典廠商FingerprintCards（FPC）和中國的匯頂科技。

 

 

 FPC是一家瑞典生物識別傳感器科技公司，主要開發、生產和銷售指紋識別技術。2013年，FPC開始大舉進軍智慧型手機市場，得益於競爭對手AuthenTec只對蘋果提供產品和技術，FPC成了非蘋果手機陣營的老大。

 

 FPC的技術競爭優勢包括獨特的圖像質量、低功耗和完整的生物識別系統，但它的傳感器價格也不低。不過隨著眾多國產指紋晶片廠商（特別是匯頂）的衝擊，FPC的價格也在不斷下滑，市場份額也逐漸被搶奪。

 

2015年FPC幾乎壟斷安卓機指紋晶片市場，2016年總體市場情況看，國產廠商已搶回不少市場，但安卓手機體系的指紋晶片仍然是FPC佔領最多份額，達到40%，2017年1-6月份FPC成為指紋晶片當中最大的贏家，出貨量居首達到了123KK。

 

 

 AuthenTec成立於1998年，一直是全球感應性指紋識別傳感器最大供應商，其指紋識別組件很多年前就被嵌入了Windows筆記本。2011年，AuthenTec研發出了一種基於電容和射頻識別的指紋識別新技術，稱之為「TruePrint」，TruePrint專利技術能夠讀取皮膚表層下的活動層（人的指紋真正所在之處），實現極其精確可靠的指紋成像。

 

在2012年之前，AuthenTec就已經成為世界領先的指紋傳感器及晶片與模組、身份識別軟體和加密安全方案的供應商，年銷售額達7千萬美元，擁有200多項專利和230名員工，在世界範圍內使用的傳感器超過3500萬個，其客戶包括阿爾卡特-朗訊，思科，惠普，三星，聯想，LG，摩託羅拉，諾基亞等等。

AuthenTec是蘋果iPhone上TouchID的締造者。2012年7月蘋果公司斥資3.56億美元收購了AuthenTec公司，AuthenTec開始停止向第三方銷售指紋晶片。2013年蘋果iPhone5sTouchID晶片便是AuthenTec的產品，得到市場一致好評，也掀起了指紋識別熱潮。隨後蘋果的眾多新品中均搭載AuthenTec指紋識別晶片。

 

蘋果最近將代表AuthenTec縮寫的auth.com收歸到自己名下，業界人士認為是蘋果將有新動作，聯繫到AuthenTec的業務內容，很可能是蘋果要在屏下指紋識別技術上發力。

 

不過，日前蘋果首席工程師DanRiccio表示蘋果公司就已經確定要完全把指紋識別給拋棄了，還強調蘋果從來沒有在iPhoneX上嘗試過屏下、背部以及側面按鍵指紋的想法。這就讓人非常難懂了，畢竟AuthenTec的核心優勢就在於指紋識別。

 

 

匯頂科技成立於2002年，並於2016年10月17日登陸A股市場。2016年財報顯示，匯頂科技淨利潤達到8.57億，同比增長126.51%，截至2017年9月，匯頂科技已申請、取得的國際、國內專利共計1500+項。

 

匯頂的指紋識別產品目前的客戶群包括華為、OPPO、vivo、樂視、中興、小米、魅族、聯想、金立、TCL、Amazon、Dell、HP、ASUS、acer、TOSHIBA、Panasonic等眾多海內外終端廠商。

 

魅族旗艦PRO6Plus還首發搭載了匯頂的活體指紋識別晶片；華為Mate10、P10/P10Plus、MatebookX、榮耀系列旗艦機型均採用的是匯頂的指紋識別方案。得益於眾多品牌廠商的採用，匯頂今年的指紋識別晶片出貨出現了爆炸式的增長。

 

在MWC2017大會上，匯頂首發了屏內指紋識別技術。此項技術是指將指紋識別功能完整的集成在AMOLED顯示屏裡，用戶可以直接輕觸移動端顯示屏指定的區域便可以實現指紋識別。

 

 

Synaptics成立於1986年，2002年Synaptics在納斯達克證交所上市並開始交易。2015年初，Synaptics也針對高端行動裝置推出了按壓式（NaturalID）指紋識別技術。目前國內的聯想、中興、金立、酷派等也有採用Synaptics的指紋識別傳感器。

 

美國當地時間2016年12月12日，Synaptics宣布旗下的第三代NaturalID玻璃內層（under-glass）指紋傳感器NaturalIDFS4500已經從9月份開始出樣。FS4500可透過玻璃或者陶瓷按鍵掃描指紋，在出樣之後，大規模量產預計在今年第四季度就能實現。

 

2016年12月13日，Synaptics又宣布推出業內首款面向智慧型手機和平板電腦的光學指紋傳感器的NaturalID系列生物認證解決方案FS9100。據介紹，NaturalIDFS9100系列光學指紋傳感器可透過1mm的完整蓋板玻璃完成高解析度掃描，並實現簡潔、無需按鍵的工業設計，可為手機廠商提供屏下指紋識別技術方案。

 

最新消息顯示，國內深圳一家名為UMIDIGI的手機廠商近日發布了一款名為UMIDIGIZ2的全面屏智慧型手機，其將採用類似iPhoneX的外觀設計，但最大的亮點在於屏下指紋方面。據報導，這款產品有望採用Synaptics的FS9100光學指紋傳感器實現屏下指紋識別。

 

 

敦泰2005年在美國成立，2013年在臺灣上市，是全球領先的人機界面解決方案提供商，電容屏觸控方案、指紋識別方案以及全方位的TFTLCD顯示驅動&控制方案提供商。

 

2014年9月24日敦泰與挪威指紋辨識廠IDEX合作（IDEX專注指紋辨識技術開發，擁有多達200多項專利權，其中包括與AuthenTec有專利交叉授權），共同開發滑條式指紋感測器，搶攻指紋辨識市場。

 

 2014年底敦泰正式發布了完整的指紋識別方案，隨後基於敦泰FT9200指紋識別方案的智慧型手機也於2015年2月正式上市，但是之後敦泰的指紋業務差不多就陷入了停滯，目前敦泰指紋晶片出貨非常少，因為原有指紋識別技術團隊大部分骨幹的出走，一部分人跟著莫良華（敦泰原副總）成立了信煒科技，另外一批人則成立了芯啟航，這兩家公司都定位於指紋識別領域。

 

據悉，因光學式產業鏈相對成熟，敦泰會主攻光學式屏下指紋。

 

 

高通相信大家都非常熟悉了，這裡就不再囉嗦介紹。

 

2015年MWC展會上，高通發布了SenseID3D超聲波指紋識別技術。SenseID超聲波掃描可以穿透手指的外層皮膚，捕捉到指紋脊和汗毛孔等獨特特徵，識別出用戶指紋獨特的3D特徵。

 

今年6月，高通在MWC上海大會上正式宣布推出該技術，稱之為下一代超聲波指紋解決方案指紋傳感器。

 

該技術面向顯示屏的指紋傳感器能透過厚至1200微米的OLED顯示屏實現指紋的掃描、錄入和匹配；面向玻璃和金屬的指紋傳感器可透過厚至800微米玻璃面板和厚至650微米鋁材質外殼實現掃描的解決方案，在上一代400微米的玻璃或金屬穿透能力之上實現提升。

 

 

三星大家也十分熟悉，在此不贅言。

 

日前三星剛向韓國提交了屏下指紋識別專利。

 

從匯頂、FPC的公開信息看，目前屏下指紋識別在技術上已獲得很大進展，相信不久也將實現量產，眼看即將迎來市場的春天。

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製造業的未來是智能化，智能化的基礎就是傳感器；網際網路的方向是物聯網，物聯網的基石也是傳感器；

 

《傳感器技術》彙編了一套各種傳感器的基礎知識，介紹了各種傳感器的原理。

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