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指纹识别传感器科普贴(一):技术演变历程

 郑公书馆298 2017-04-30

在指纹识别传感器技术之路上,电容感测技术不断发展演进,期望能克服其它技术带来的威胁。超声波感测技术正在兴起,但是其成本和技术成熟度限制了目前的市场拓展。另一种基于光学感测的指纹识别技术——将指纹识别功能直接集成于显示屏,也正从概念演变为即将兑现的现实,乐观估计今年的iPhone 8和华为P 10有望见证此项“黑科技”。

麦姆斯咨询将推出一系列的科普贴,细说各种指纹识别传感器技术,第一篇我们先从指纹识别传感器技术的演变历程开始谈起。


指纹——人体自带的生物“密码”神器

密码的使用在我们的生活中无处不在:手机解锁、网站用户登录、网上/移动支付。安全起见,人们往往在不同类型的账户设置不同的密码,比如手机银行的登录密码和支付密码会不一样,并且还需要定期更换密码。这样一来,带来的问题就是时间一久,密码搞混淆了,忘记了,然后再进入一套“找回密码”的流程……密码太多,脑容量不够?忘记密码,找回很烦心?


复杂的密码设置,怎样才能简单点呢?

其实,当年乔布斯大人发布第一代iPhone的时候说过,触屏手机不应该有一根实体的笔,因为我们每个人都有天然自带的十根笔,那就是我们的手指头。确实,我们的指纹就是独一无二,且较难复制,一般情况下别人也无法窃取的密码。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分叉点,称为指纹的细节特征点。由于指纹具有终身不变性、唯一性和方便性,已几乎成为生物特征识别的代名词。

在整个生物识别(指纹/虹膜/眼球/眼纹识别和人脸识别)传感器市场上,由于历史原因,如美国联邦调查局(FBI)建设的犯罪指纹数据库,中国《居民身份证法》也规定居民身份证登记项目包括指纹信息,因此指纹识别成为目前最常用的生物识别技术,占据生物识别硬件市场的95%份额。麦姆斯咨询预计指纹识别传感器出货量将以18%的复合年增长率成长,到2022年将达到47亿美元市场规模。

消费电子市场“引爆”指纹识别传感器市场

2013年之前,指纹识别传感器的主要应用还是在工业和安防领域。1998年西门子展示了集成指纹识别功能的手机后,指纹识别沉寂了十几年。2013年苹果公司发布了采用指纹识别传感器的iPhone 5S,由此引爆了指纹识别传感器市场,三年间市场规模从几乎为零飙升到几十亿美元。起初,指纹识别传感器用于手机解锁和信息保护。然而,现在指纹识别传感器越来越多地应用于在线认证和移动支付等安全功能。

过去几年中,消费类指纹识别传感器市场的演变一直受到智能手机中对生物识别技术应用的驱动。2010年,消费类指纹识别传感器的市场营收约为几千万美元,主要来自笔记本电脑业务。应用于智能手机的指纹识别传感器出货量从2013年的2300万颗增至2016年6.89亿颗。可见,2013~2016年期间,手机应用的指纹识别传感器出货量的复合年增长率高达210%!预计2016~2022年期间,该领域的增长将趋于“理性”,复合年增长率约为18%。

指纹识别传感器技术的发展之路

根据工作原理,指纹识别传感器可分为光学指纹传感器、电容式指纹传感器、电感式指纹传感器、压感式指纹传感器、热敏式指纹传感器、超声波扫描指纹传感器和射频式指纹传感器等。

但如果我们把目光集中在消费类指纹识别传感器上,麦姆斯咨询将指纹识别技术原理发展之路收敛如下:

光学感测→电容感测→超声波感测→微型光学感测



1. 光学感测

指纹识别传感器最初用于笔记本电脑,如IBM的Thinkpad系列,采用的是光学识别技术。那时候的指纹识别窗口是条形,用户将手指在上面划过,传感器对手指图形进行专门的处理,和存储的指纹图形进行比对。光学指纹识别技术的主要原理是手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上,进而形成脊线呈黑色、谷线呈白色的数字化的、可被指纹识别传感器算法处理的多灰度指纹图像。由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层),所以只能够扫描手指皮肤的表面,或者扫描到死性皮肤层,但不能深入真皮层。因此手指表面的干净程度对结果有直接的影响。


IBM的Thinkpad采用光学识别技术的指纹识别传感器

光学指纹识别传感器的缺点是安全性不高。2012年发生的内蒙古监狱越狱案件,越狱犯人就是砍下狱警的手指验证光学指纹机打开监狱门禁。在淘宝上花几十元左右订做到硅胶指模,可以轻易地“骗过”光学指纹机,上班族可用它代打指纹考勤。此外,光学传感器中存在棱镜,其体积较大,一般为半导体器件的几倍甚至十倍大小,所以限制了其在小型设备上的应用。

2. 电容感测

电容感测的原理就是当用户将手指按在传感器上时,会测量出指纹引起的极小的电导率变化信号,然后用测量到的数据形成一副指纹的图像。手指最外层的皮肤也就是指纹,是不导电的,而指纹里面的皮下层是导电的。这样其优势就显现出来了,对手指表面的干净程度相比光学感测的要求低,并且能识别手指里层的纹路,从而提高了安全性。电容式指纹识别传感器目前被智能手机广泛采用,比如在iPhone上使用的Touch ID。


Touch ID采用电容式指纹识别原理

3. 超声波感测

超声波指纹识别是一种新型技术,其原理是利用超声波具有穿透材料的能力,且随材料的不同产生大小不同的回波。因此,利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异,就可以区分指纹凹凸不平的图像,甚至能渗透到皮肤表面之下识别指纹独特的3D特征。超声波技术所使用的超声波量与医学诊断的强度相当,对人体无任何伤害。


超声波指纹识别技术示意图

超声波式指纹识别传感器可以置于玻璃、金属、塑料下方,为全屏手机带来了福音。2016年2月,乐视LeMax Pro智能手机首次集成了高通Sense ID玻璃内层(under-glass)金属指纹传感器——基于创新的超声波感测原理。同年9月发布的小米5也采用了此技术。不过实际用户体验下来,除了湿手操作不会失效、准确度略高这些优点外,采集指纹的速度慢于目前的电容式指纹识别、价格昂贵、传感器本身体积较大也是不可回避的问题。而且,也没有实现真正意义上的全屏幕手机。

4. 微型光学感测

无论是当前的主流——电容式指纹识别传感器,还是新秀——超声波式指纹识别传感器,都需要额外的指纹传感器,只是前者需要在屏幕上开孔,后者可以隐藏在屏幕下面而已。转了一圈,现在又回到了光学感测的路子上来了,不同的是,如今的微型光学感测技术先进性足以引起智能手机的全“面”革新。

今年2月14日苹果专利授权浮出水面,表明苹果公司正寻求利用其收购的LuxVue公司的技术,在新产品上采用能读取指纹的显示屏。同月27日,西班牙MWC(世界移动通信展)上,汇顶科技也亮出了全新的黑科技——隐藏在OLED显示屏下的光学指纹。这意味着传统的指纹识别传感器或将“寿终正寝”。

汇顶科技的显示屏内指纹识别技术将指纹识别功能完整的集成到AMOLED显示屏中,用户可以直接轻触移动终端显示屏指定的区域实现指纹识别。相比传统方案需要独立实体按键或虚拟按键进行指纹识别的设计,全新显示屏内指纹识别方案可以大幅提高移动设备的屏占比,并为用户带来无与伦比的使用体验。华为旗舰机型P10将采用该项技术,也意味着汇顶科技潜心研究的3年多的IFS技术终于得以量产!


汇顶科技全球首创并拥有自主知识产权的IFS指纹与触控一体化技术

美国专利和商标局公布了苹果公司美国专利号为9570002的“集成红外二极管的交互式显示面板”,详细介绍了这项采用microLED传感技术的触摸显示屏。在专利描述中,通过在屏幕中安装多层来读取指纹,其中包括一个屏幕层,一个透明导电层,以及一层用于指纹读取。在按压屏幕之后会对透明导电层产生影响,而生物传感器通过监测这层的电压变化来读取指纹,从而实现这项功能。通过从用户手指反射的红外光返回传感二极管实现指纹识别。在操作时,集成有交互像素的屏幕的某一特定区域或者某几行扫描到用户的指纹信息。如果该距离达到足以感应到的距离,将生成位图并通知系统近似定位数据。在某些情况下,位图包括入射光强度信息,允许对对象及其表面进行深层分析。例如,通过检查位图的暗点和亮点,样本系统可以检测用户指纹中相应的脊线和皱褶。


苹果公司美国专利号为9570002“集成红外二极管的交互式显示面板”

显然,这种技术看起来非常美好,取消了HOME键,不再需要接近传感器、环境光传感器和指纹识别传感器等模块但又拥有这些器件的功能。但是,从工艺角度来讲,这意味着一块成品上会有数百万个基础发光器件——即“microLED”微晶体。如何在驱动基板(TFT)上“焊接”(组装)这么多电极性的半导体晶体,那是一项相当复杂的工艺。但长远来看,microLED是未来的大势所趋!

关于指纹识别传感器技术的演变历程先聊到这里,后续麦姆斯咨询将针对电容式指纹识别传感器、超声波式指纹识别传感器和微型光学式指纹识别传感器的原理、应用和优缺点等逐一进行详解,敬请期待!


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