指紋識別技術科普貼（三）：超聲波式指紋識別傳感器將何去何從？

超聲波式指紋識別傳感器面臨「前有狼，後有虎」的局面

在瞬息萬變的消費電子市場，對技術革新的追求永無止境，一個不留神，就有可能錯失良機，成為「悲情英雄」。

智慧型手機上指紋識別傳感器的「隱形」潮流，可以說由超聲波式指紋傳感器正式開啟。

據麥姆斯諮詢報導，2016年，樂視LeMax Pro智慧型手機和小米5S先後攜手高通驍龍820，打造「隱形」指紋識別傳感器的黑科技。

我們也對該超聲波式指紋傳感器進行了逆向分析，詳情：《高通驍龍Sense ID：3D超聲波指紋傳感器》。

然而，在智慧型手機被電容式指紋識別技術占據90%市場份額的今天，如果想要取代這匹「狼」，則需要性能、價格、工藝同時滿足才有戲；與此同時，2017年蘋果和匯頂科技兩家公司發布的微型光學感測技術，如同一隻「攔路虎」，虎視眈眈地瞄準高端智慧型手機的指紋識別傳感器市場。

高通驍龍Sense ID指紋識別第一項「黑科技」——3D超聲波指紋識別技術

「熱身運動」剛剛做完，超聲波式指紋識別傳感器就面臨「前有狼，後有虎」的局面，業界有聲音認為「超聲波式指紋識別傳感器只是電容式到微型光學感測指紋識別傳感器的過渡產品」。

超聲波式指紋識別傳感器是否有機會「突出重圍」？讓我們從其原理談起。

「超越」各種領域的超聲波識別技術的原理是什麼？

我們還是孩子時就了解到蝙蝠和海豚用超聲波回聲定位。

奇怪的是，大多數蝙蝠和海豚並不是完全看不見東西的，它們利用超聲波來補充它們的視野，使它們能夠確定獵物的大小、範圍、位置和速度。

它們通過發射高頻聲波脈衝和接收回波來進行飛行時間的測量。

超聲波（Ultrasound）是指任何聲波或振動，其頻率超過人類耳朵可以聽到的最高閾值20kHz（千赫）。

超聲波只透過具有彈性與慣性介質（如空氣），當空氣本身一旦產生膨脹或壓縮時，透過其分子的運動而有波動地傳播產生。

因此，音波無法在真空中進行傳播。

人類聽覺能察覺波動，稱之為聲音，也稱之為可聽波。

聲波的分類

超聲波的應用領域非常廣泛，如醫療保健、食品和飲料、汽車、工業製造、石油等領域。

醫療保健領域，超聲波傳感器可以幫助醫生採集正常器官、病變病灶等圖像。

在食品和飲料行業，超聲波傳感器用於食品和飲料的加工、貯存、灌裝和裝瓶。

汽車應用方面，超聲波傳感器提供泊車輔助系統停車區信息和車輛位置，控制汽車油門、制動器和轉向，從而完成自動泊車。

工業製造領域，超聲波傳感器可以在工廠內執行如物料搬運、移動設備檢測、距離測量和液位水平測量等。

在石油和天然氣行業，超聲波傳感器用於高粘性液體的液位感應。

我們生活中最熟悉的超聲波成像就是超聲波，其通過超聲波對人體器官進行檢測，一張張超聲波圖片形象地展示出所探測物的二維或三維模樣。

就原理而言，超聲波指紋識別傳感器的基本原理和醫學上使用的超聲波成像技術類似。

具體來講，掃描晶片表面的換能器發射出超聲波脈衝，脈衝在抵達手指表面後會被反射，而傳感器則可利用反射回來的飛行時間（Time of Flight，TOF）獲取到指紋的三維信息。

超聲波飛行時間測距原理

通過超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。

超聲波在空氣中的傳播速度為V，而根據計時器記錄的測出發射和接收回波的時間△t，就可以計算出發射點距障礙物的距離L。

那麼L=V*△t/2。

我們知道指紋上有脊線與皺褶，那麼超聲波距離脊線的距離近，所以時間△t就短；反之，超聲波距離皺褶的距離遠，所以時間△t就長。

無數個發射波發射出去，反饋回來不同的△t數值，形成特有的指紋信號，再經過複雜的算法，轉換為指紋圖像，與之前存在於手機中的指紋做比較，就可以完成指紋識別的功能。

超聲波指紋識別技術還有個特別之處在於其可以穿透手指表皮層，探測指紋的三維細節，從而實現3D識別。

如果說光學感測和電容感測技術只能形成X、Y軸的二維圖像，那麼超聲波技術則增加了Z軸方向的三維圖像。

從而大大提高了安全指數，識別範圍也更加廣泛，理論上手指肚側面、正面等任何位置都可以解鎖。

超聲波指紋識別技術的3D效果示意圖

背負黑科技之名的「優」和「憂」

超聲波式指紋傳感器一被推出，就被掛上了「黑科技」之名。

到目前為止，除了高通在這項技術宣傳地比較厲害外，其他廠商已經默默在微型光學感測上嶄露頭角。

故事的開頭很美好，但是結尾會如何呢？

超聲波指紋技術的優點確實讓人有眼前一亮的驚艷感。

識別精準度高，不受水、油脂、護手霜等影響，可以隱藏於玻璃、塑料之下，即用戶只需要將手放在手機螢幕上，就可以實現解鎖。

此外，該技術還支持帶手套觸控操作、用戶自定義觸控手勢、多身份生物識別、快速激活螢幕等。

對於手機廠商而言，因無需為手機指紋識別專門預留位置，也無需專門為其設計按鈕，可以直接採用玻璃覆蓋等外觀設計方案，所以不僅設計靈活度更大，而且成本有所降低，這為手機帶來更加渾然一體的外觀和炫酷新穎的功能。

然而，從小米5S的用戶反饋來講，超聲波式指紋傳感器的體驗並不驚艷。

小米5S依然做成了凹槽型，從日常的使用體驗來看與普通電容式指紋識別傳感器區別不大。

這種指紋識別的操作變得很像iPhone 7和一加三的「非按壓式Home鍵」，只是區別就在於它本身並非實體home鍵，而僅僅只是一個凹槽而已，真正在工作的主要是其下方的傳感器。

但由於技術還不夠成熟，小米5S在多家媒體的測試中顯示它的指紋識別速度、精度甚至不如小米以往採用瑞典FPC電容式方案的手機出色，並且在濕手解鎖方面也並未有明顯優勢。

從穿透厚度來講，超聲波式指紋傳感器在400微米左右，雖然優於電容式指紋傳感器，但是和微型光學感測技術來比並沒有明顯的優勢。

況且超聲波式指紋傳感器的價格並不親民，未來的道路阻力也不小。

對於消費者來說，他們更關心的其實也是技術所實現的效果而並非技術本身，所以超聲波指紋識別一定是趨勢，但並非是唯一，未來何去何從就交給未來證明吧！同時歡迎您參加『「微言大義」研討會：指紋識別技術及應用』，一起探討未來指紋識別技術的未來走向！

推薦會議：

2017年9月12日，『「微言大義」研討會：指紋識別技術及應用』將在上海隆重舉行，本次研討會邀請指紋識別技術業界精英進行深入交流和探討，內容涉及指紋識別傳感器應用及市場分析、指紋識別技術原理及技術路線、指紋識別傳感器剖析及算法解析等。

擬邀請單位：蘋果（AuthenTec）、高通（Qualcomm）、 新思（Synaptics）、Fingerprint Cards、Yole Developpement、匯頂科技（Goodix）、思立微、籮箕技術、敦泰電子、集創北方、比亞迪微電子、信煒科技、神盾（Egistec）、邁瑞 微電子、歐菲光、華天科技等。

延伸閱讀：

《高通驍龍Sense ID：3D超聲波指紋傳感器》

《指紋傳感器應用和技術-2017版》

《指紋傳感器市場-2016版》

《自動指紋識別系統市場-2016版》