指紋識別傳感器科普貼（一）：技術演變歷程

在指紋識別傳感器技術之路上，電容感測技術不斷發展演進，期望能克服其它技術帶來的威脅。

超聲波感測技術正在興起，但是其成本和技術成熟度限制了目前的市場拓展。

另一種基於光學感測的指紋識別技術——將指紋識別功能直接集成於顯示屏，也正從概念演變為即將兌現的現實，樂觀估計今年的iPhone 8和華為P 10有望見證此項「黑科技」。

麥姆斯諮詢將推出一系列的科普貼，細說各種指紋識別傳感器技術，第一篇我們先從指紋識別傳感器技術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、網站用戶登錄、網上/移動支付。

安全起見，人們往往在不同類型的帳戶設置不同的密碼，比如手機銀行的登錄密碼和支付密碼會不一樣，並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，然後再進入一套「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？

複雜的密碼設置，怎樣才能簡單點呢？

其實，當年賈伯斯大人發布第一代iPhone的時候說過，觸屏手機不應該有一根實體的筆，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，且較難複製，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麵皮膚上凸凹不平產生的紋線。

紋線有規律的排列形成不同的紋型。

紋線的起點、終點、結合點和分叉點，稱為指紋的細節特徵點。

由於指紋具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特徵識別的代名詞。

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，由於歷史原因，如美國聯邦調查局（FBI）建設的犯罪指紋資料庫，中國《居民身份證法》也規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，占據生物識別硬體市場的95%份額。

麥姆斯諮詢預計指紋識別傳感器出貨量將以18%的複合年增長率成長，到2022年將達到47億美元市場規模。

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用還是在工業和安防領域。

1998年西門子展示了集成指紋識別功能的手機後，指紋識別沉寂了十幾年。

2013年蘋果公司發布了採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，三年間市場規模從幾乎為零飆升到幾十億美元。

起初，指紋識別傳感器用於手機解鎖和信息保護。

然而，現在指紋識別傳感器越來越多地應用於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慧型手機中對生物識別技術應用的驅動。

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務。

應用於智慧型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，手機應用的指紋識別傳感器出貨量的複合年增長率高達210%！預計2016~2022年期間，該領域的增長將趨於「理性」，複合年增長率約為18%。

指紋識別傳感器技術的發展之路

根據工作原理，指紋識別傳感器可分為光學指紋傳感器、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，麥姆斯諮詢將指紋識別技術原理髮展之路收斂如下：

光學感測→電容感測→超聲波感測→微型光學感測

1. 光學感測

指紋識別傳感器最初用於筆記本電腦，如IBM的Thinkpad系列，採用的是光學識別技術。

那時候的指紋識別窗口是條形，用戶將手指在上面划過，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。

光學指紋識別技術的主要原理是手指放在光學鏡片上，手指在內置光源照射下，用稜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。

由於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。

因此手指表面的乾淨程度對結果有直接的影響。

IBM的Thinkpad採用光學識別技術的指紋識別傳感器

光學指紋識別傳感器的缺點是安全性不高。

2012年發生的內蒙古監獄越獄案件，越獄犯人就是砍下獄警的手指驗證光學指紋機打開監獄門禁。

在淘寶上花幾十元左右訂做到矽膠指模，可以輕易地「騙過」光學指紋機，上班族可用它代打指紋考勤。

此外，光學傳感器中存在稜鏡，其體積較大，一般為半導體器件的幾倍甚至十倍大小，所以限制了其在小型設備上的應用。

2. 電容感測

電容感測的原理就是當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率變化信號，然後用測量到的數據形成一副指紋的圖像。

手指最外層的皮膚也就是指紋，是不導電的，而指紋裡面的皮下層是導電的。

這樣其優勢就顯現出來了，對手指表面的乾淨程度相比光學感測的要求低，並且能識別手指裡層的紋路，從而提高了安全性。

電容式指紋識別傳感器目前被智慧型手機廣泛採用，比如在iPhone上使用的Touch ID。

Touch ID採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，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產生大小不同的回波。

因此，利用皮膚與空氣對於聲波阻抗的差異，就可以區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特徵。

超聲波技術所使用的超聲波量與醫學診斷的強度相當，對人體無任何傷害。

超聲波指紋識別技術示意圖

超聲波式指紋識別傳感器可以置於玻璃、金屬、塑料下方，為全屏手機帶來了福音。

2016年2月，樂視LeMax Pro智慧型手機首次集成了高通Sense ID玻璃內層（under-glass）金屬指紋傳感器——基於創新的超聲波感測原理。

同年9月發布的小米5也採用了此技術。

不過實際用戶體驗下來，除了濕手操作不會失效、準確度略高這些優點外，採集指紋的速度慢於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迴避的問題。

而且，也沒有實現真正意義上的全螢幕手機。

4. 微型光學感測

無論是當前的主流——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，只是前者需要在螢幕上開孔，後者可以隱藏在螢幕下面而已。

轉了一圈，現在又回到了光學感測的路子上來了，不同的是，如今的微型光學感測技術先進性足以引起智慧型手機的全「面」革新。

今年2月14日蘋果專利授權浮出水面，表明蘋果公司正尋求利用其收購的LuxVue公司的技術，在新產品上採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顯示屏下的光學指紋。

這意味著傳統的指紋識別傳感器或將「壽終正寢」。

匯頂科技的顯示屏內指紋識別技術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域實現指紋識別。

相比傳統方案需要獨立實體按鍵或虛擬按鍵進行指紋識別的設計，全新顯示屏內指紋識別方案可以大幅提高移動設備的屏占比，並為用戶帶來無與倫比的使用體驗。

華為旗艦機型P10將採用該項技術，也意味著匯頂科技潛心研究的3年多的IFS技術終於得以量產！

匯頂科技全球首創並擁有自主智慧財產權的IFS指紋與觸控一體化技術

美國專利和商標局公布了蘋果公司美國專利號為9570002的「集成紅外二極體的交互式顯示面板」，詳細介紹了這項採用microLED傳感技術的觸摸顯示屏。

在專利描述中，通過在螢幕中安裝多層來讀取指紋，其中包括一個螢幕層，一個透明導電層，以及一層用於指紋讀取。

在按壓螢幕之後會對透明導電層產生影響，而生物傳感器通過監測這層的電壓變化來讀取指紋，從而實現這項功能。

通過從用戶手指反射的紅外光返回傳感二極體實現指紋識別。

在操作時，集成有交互像素的螢幕的某一特定區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到的距離，將生成位圖並通知系統近似定位數據。

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，樣本系統可以檢測用戶指紋中相應的脊線和皺褶。

蘋果公司美國專利號為9570002「集成紅外二極體的交互式顯示面板」

顯然，這種技術看起來非常美好，取消了HOME鍵，不再需要接近傳感器、環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百萬個基礎發光器件——即「microLED」微晶體。

如何在驅動基板（TFT）上「焊接」（組裝）這麼多電極性的半導體晶體，那是一項相當複雜的工藝。

但長遠來看，microLED是未來的大勢所趨！

關於指紋識別傳感器技術的演變歷程先聊到這裡，後續麥姆斯諮詢將針對電容式指紋識別傳感器、超聲波式指紋識別傳感器和微型光學式指紋識別傳感器的原理、應用和優缺點等逐一進行詳解，敬請期待！

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。

同期展會：2017年中國（上海）傳感器技術與應用展覽會

如果貴司希望參加演講或展會，請聯繫王懿，郵箱：[email protected]，電話：18217468860

延伸閱讀：

《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》