屏內才是終途 手機指紋識別技術大揭秘

1998年西門子展示了一款背部刮擦式指紋識別手機，雖然只是一部原型機沒有量產，但是他向世界證明手機搭載指紋識別的可能性。

20年後的現在，我們經歷了指紋識別的大變遷，終於迎來了螢幕指紋——vivo發布了vivo X20Plus螢幕指紋版，讓我們看到了一套成熟可量產的螢幕指紋方案。

屏內才是終途 手機指紋識別技術大揭秘

螢幕指紋一經推出，很多朋友都在感嘆它的神奇，卻少有知道其工作原理的。

所以本期發燒學堂，我們就在聊一聊手機指紋識別技術的發展，看看它到底是怎麼實現識別的，這其中又有哪些技術難點。

當然還有個最重要的問題：螢幕指紋會碾壓面部識別東山再起嗎？

這些年我們看到的指紋識別位置

生物識別的實現過程其實都大致相同，普通的手機指紋系統包括指紋識別Sensor、特徵提取匹配模塊、特徵模板庫、應用軟體。

指紋的驗證可分為兩步，首先是提取待驗證的指紋特徵，然後將其和指紋模板庫中的模板指紋進行相似度比較，相似度達到要求時便能實現解鎖。

簡簡單單的過程，經過設計後卻能呈現出各種各樣的方案。

就拿位置來說，傳統的指紋識別位置就有三種，加上前不久剛剛發布的螢幕指紋共有四種：

背面指紋

背部指紋

在指紋識別的發展上升期，背面指紋可以說是安卓機上主流的識別方案。

其原因就在於前置指紋的技術受限，而且安卓的交互操作主要依靠前面板下巴上的三大金剛鍵，在當時來說，更加巧妙的交互方式有待開發。

就使用體驗來說，用戶想要解鎖就得拿起手機，比較麻煩，而且一般都會有其他功能集成在指紋識別按鍵上，用戶在使用這些功能時背部位置就顯得不夠直觀。

側面指紋

側面指紋

側面指紋其實是個不錯的位置解決方案，既不會影響傳統的交互方式，又不需要在面板上開孔影響視覺觀感。

但側面指紋也帶來不少問題：指紋模組的厚度會對螢幕的邊框寬度產生影響，而且在手機越來越薄的當下，允許側面指紋占據的空間越來越小，指紋識別掃描面積的縮小帶來最直接的變化就是指紋識別率降低。

正面指紋

正面指紋

在新的交互方式被廣泛認知後，前置指紋成了最流行的識別方案。

相對於前兩者，前置指紋使用起來更加直觀，放桌面使用不需要拿起手機，並且可以輔助交互。

而且從外觀上說，前置指紋也成了補足面板空白的手段之一，與上部聽筒配合更顯協調。

螢幕指紋

螢幕指紋

全面屏時代到來，前面板額頭下巴的進一步縮窄讓前置指紋無可放，螢幕下指紋就成了代替傳統指紋的最佳位置方案。

但目前的螢幕指紋還處在初級階段，需要在指定的位置才能實現識別。

而指紋識別形態，卻不是僅有位置差別那麼簡單。

除了位置 指紋識別還有很多講究

大部分人印象中，指紋識別除了位置，貌似也沒什麼差別。

但事實上，市面上已見的指紋識別千差萬別。

比如最直接的一點就是可按壓不可按壓。

可按壓式的螢幕指紋

指紋模組需要通電才能工作。

一般來說，可按壓式指紋識別只有螢幕亮屏後才對模組通電，這樣做的好處是待機時可以在一定程度上省電。

不可按壓式模組一直通電，這樣做的好處是可以隨時實現更加快速的識別，一觸即解鎖。

iPhone不可按壓但有壓力感應的指紋識別

可按壓式指紋比較典型的就是iPhone，最初採用的是可按壓式物力按鍵，到後來雖然不可按壓，但在home鍵下加了壓力感應器，受到一定壓力時才會對識別模組通電，從而實現解鎖。

除了按壓不可按壓，指紋識別表面蓋板也是頗有講究的。

我們見到的傳統指紋識別大概分為四種蓋板方案：鍍膜、玻璃、陶瓷、藍寶石。

成本上說，鍍膜最低，藍寶石最高。

但四種方案，卻不僅僅在於成本的差別。

魅族MX4 Pro的藍寶石蓋板指紋

舉個例子說，我用過第一款國產正面指紋識別手機是魅族MX4 Pro，這應該也是國產第一款正面可按壓式指紋識別手機，其採用的就是來自匯頂的藍寶石蓋板方案。

藍寶石蓋板確實表現出了強大的耐磨能力，但實際體驗上來說，識別率和識別速度都是有待提升的。

原因就在於魅族MX4 Pro採用的是電容式指紋方案，藍寶石蓋板會帶來信號的衰減和信噪比問題。

與普通的Touch IC相比，靈敏度需要提升約60倍。

魅族PRO 5的鍍膜指紋識別

當然，相對來說，只進行鍍膜的模組自然是識別精度最高的，電容觸控的指紋識別驅動IC只需要比普通的Touch IC靈敏度提升大約3倍即可。

魅族在其第一款高端機型PRO 5上採用的就是這種方案，相比於MX4 Pro在識別率和識別速度上可以說是擁有了質的提升。

但問題就在於這種方案蓋板不夠耐劃。

由Under Glass方案引出的指紋封裝工藝

到後來，我們也看到全新的Under Glass方案，典型機型就是ZUK Edge和華為P10。

其技術原理就是來自匯頂的「IFS（Invisible Fingerprint Sensor）指紋識別與觸控一體化技術」。

相對於傳統的電容式指紋識別技術，手機廠商無需在手機前面板或後殼上開通孔放置指紋傳感器模塊，而是將指紋傳感器隱藏於TP面板之下，可支持玻璃面板也可支持藍寶石面板。

Under Glass電容式指紋

IFS技術不需要與手指接觸傳遞信號的金屬環，不需要觸控開關，不需要晶片正面的粘合材料，即可實現良好的識別。

但這種技術需要在玻璃面板上開槽，因為智慧型手機正面2.5D玻璃面板的厚度超過0.7mm，而根據電容式指紋識別的原理，如果在晶片上方存在的蓋板玻璃厚度超過0.3mm時，其識別精確度將大幅降低。

開槽讓指紋識別處的玻璃面板厚度保持在0.2~0.3mm，才能讓信號有效的傳達。

Under Glass電容式指紋

除此之外，在晶片封裝上也是有些講究的。

初期大多指紋識別採用的是wire bonding封裝工藝，但這種工藝需要塑封將金屬引線隱藏，才能形成平整的表面與蓋板貼合，導致晶片的厚度增加，會在一定程度上影響識別精度。

為了讓更多的識別晶片與蓋板接觸，減少信號損失，trench工藝後來也被應用其中，簡而言之，就是在晶片表面「挖坑」，用於打線使指紋晶片與外界相連，不占用表面空間。

iPhone 5s上主要用的就是trench+ wire bonding的工藝。

TSV則是相對更加優秀的封裝方案。

這種方案允許晶片有效探測面積大幅增加，晶片的厚度和模組厚度都可以實現縮減。

這種方案可以製作出超薄式的指紋識別模組，甚至可以使厚度不超過蓋板玻璃。

所以用於Under Glass方案更加合適，TSV讓指紋識別模組鑲入蓋板玻璃成為可能。

電容式萎了 超聲波和光學才是未來

電容式

電容式指紋工作原理（圖片來自網絡）

在剛才我們提到了電容式指紋識別。

其原理是利用矽晶元與導電的皮下電解液形成電場，指紋的高低起伏會導致二者之間的壓差出現不同的變化，從而實現準確的指紋測定。

目前來說，這種方案是最成熟的，除了極個別的幾個超聲波指紋，我們看到的手機指紋基本都採用的是電容方案。

魅族PRO 6 Plus的活體指紋

之所以說電容式成熟，不僅在於這種方案的指紋識別擁有優良的識別率和識別速度，還在於這種方案也擁有提升安全性的附屬方案。

在魅族PRO 6 Plus上，我們看到了匯頂的活體指紋識別方案。

普通式的電容式識別由於只檢測指紋紋路，容易被假指紋破解。

而匯頂的活體指紋方案將電容指紋傳感器和光學檢測傳感器無縫集成到一個矽傳感器中，通過指紋、手指皮膚顏色以及心率信號來驗證用戶的真實身份。

但電容式終究還是難以成為最終的識別方案的，原因除了電容式指紋在濕手解鎖上表現不佳外，最大的一點原因就是穿透力不強。

剛才我們提到，在Under Glass方案中，電容式方案仍需要開槽，這顯然不適合全面屏的需求。

超聲波式

超聲波式指紋工作原理（圖片來自網絡）

超聲波式（射頻式）指紋識別方案倒是一個不錯的方案，但目前來說還沒有一款成熟的產品為其在全面屏發展上帶來信心，典型的失敗案例就是小米5S。

其原理就是通過超聲波的發射與接收穫取真皮層的指紋圖像。

從理論上來說，超聲波式指紋識別由於只會對人的真皮皮膚有反射，所以從根本上杜絕了人造指紋的問題，而且對濕手指有高達99%的識別率。

高通第二代超聲波指紋識別

高通在上海MWC 2017上曾與vivo合作展出了第二代超聲波式的螢幕指紋方案產品。

據悉該方案能透過厚至1200微米的OLED顯示屏實現指紋的掃描、錄入和匹配；面向玻璃和金屬的高通指紋傳感器是首個商用發布的能夠透過厚至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了顯著提升。

而且，第二代方案可以顯示水下指紋匹配和設備喚醒，能通過檢測心跳和血流帶來更好移動認證體驗，極大了提升了安全性。

但第二代超聲波指紋傳感器依然僅限於適配OLED螢幕，而對於厚度更高的LCD螢幕來說依然無能為力。

光學式

光學式指紋工作原理（圖片來自網絡）

目前唯一上市的產品vivo X20Plus螢幕指紋版的螢幕指紋採用的是光電反射技術，說白了就是光學式指紋。

其原理是通過專門適配OLED螢幕的光源發出光線，到達手指後反射出不同的光線紋路，被螢幕下的傳感器接收後即可實現識別。

目前這種光學指紋也只能在OLED螢幕上實現，OLED的RGB像素點之間的縫隙可以通過相關工藝後，光線可以穿過去達到傳感器。

vivo螢幕指紋

從體驗來看，這種識別方式目前除了識別速度不如傳統電容式指紋識別外，其它體檢相近。

但目前也有不少局限性，比如只能在傳感器的指定位置，貼膜需要使用專用高透光貼膜等。

光學指紋的形態不止於此。

在未來我們或許會看到進化度更好的光學指紋。

據悉，在OLED和MicroLED顯示螢幕的發光層內加入具備指紋識別功能的傳感器，形成「交互像素」，即在每一個傳統的RGB像素點旁邊添加指紋識別像素點，到那時就不再需要指紋識別晶片這個概念，因為顯示螢幕已經成了一塊大號的指紋識別晶片。

而且，為了與手機顯示屏中的RGB可見光相區分，同時減少環境光線的干擾，光學式指紋識別可能採用近紅外光的光源。

整個產品的核心除了算法之外，在硬體端最重要的變化，就是多了近紅外光源、光學器件、圖像傳感器等。

也就是說，這樣的螢幕指紋不需要肉眼可見的高光即可實現識別。

寫在最後

螢幕指紋與面部識別相比 哪個才是未來？看到這裡，相信很多朋友都有這樣的問題。

從技術上說，目前兩者針鋒相對，面部識別有iPhone X的3D結構光，指紋識別有vivo的螢幕指紋，兩者在識別速度上相近，使用體驗上也各有勝負。

但從使用場景來說，兩者的最大區別就在於需不需要接觸。

面部識別為非接觸型識別，可以實現無動作解鎖，比如可以用於應用鎖的無縫隙解鎖；不同於智能家居，手機攥在手裡使用，就會有指紋接觸，而且對於支付來說，接觸性識別更加安全。