深度解析 I 全面屏手機屏下指紋識別技術與工作原理

1月24日，全球第一台量產的螢幕指紋手機vivo X20 Plus螢幕指紋版正式在北京亮相。

據悉，該手機螢幕指紋版已經支持支付寶和微信的指紋支付。

vivo X20 Plus屏下指紋，其原理是利用光電反射技術，專門適配OLED螢幕的RGB Pixel發出光線，穿透0.68mm厚度的玻璃蓋板到達手指，因手指的不同紋路導致反射光線不同，這些反射光線再穿透螢幕，到達指紋Sensor，從而實現指紋識別。

光電反射技術

在實際使用測試過程中，手機提起的時候，螢幕指紋識別區域自動亮起提示，直接手指放上去即可解鎖，不需要操作電源鍵。

按壓力度方面，在錄入指紋的時候相比起過去的指紋識別，在按下去的時候要稍微多一點點力，畢竟中間多了一層OLED螢幕，始終沒有傳統指紋識別那麼直接。

不過，前面說的只是錄入，錄入完之後，指紋識別就很好解鎖了，不用按下去的動作，直接把手指輕觸螢幕就可以解鎖，跟以往的指紋解鎖並沒有區別。

此前三星中國設計研究所所長@李炫弘ShaneLee 曾在微博寫道：「屏下指紋識別技術現狀：硬傷(1)：目前良率偏低且年底之前還無法大量生產，並且只是拿了高通+某廠的方案；硬傷 (2)：只能穿透AMOLED螢幕(TFT還用不了)。

要注意，這裡同樣提到屏下指紋識別要配合OLED螢幕使用，那麼我們就來談談屏下指紋識別技術。

指紋識別技術類型淺析

眾所周知，目前市面上支持指紋識別的手機分三種，一種是集成在正面底部的電源鍵上，另一種是設計在背部機身上，第三種則是設計在邊框上。

智慧型手機進入全面屏時代後，業內普遍認為屏下指紋會是未來發展趨勢。

手機行業中市場份額最大的幾家指紋識別模組供應商，瑞典 FPC、美國的 Synaptics、深圳匯頂(Goodix)、台灣 Egis 等都在研發自己的屏下指紋識別技術。

從指紋識別的技術原理來看，光學、電容、熱敏和超聲波是四種常見的指紋識別方式。

而在手機、平板等電子設備上，體積輕巧、成本低廉的電容式模組是大多數消費電子廠商的首選。

光學、電容、熱敏和超聲波，四種常見指紋識別技術

第一代指紋系技術採用光學識技術，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。

在這種情況下，手指表面的乾淨程度，直接影響到識別的效果。

第二代指紋識別採用電容傳感器技術，目前主流的技術是電容式指紋傳感器，然而超音波指紋傳感器也有逐漸流行起來趨勢。

電容式指紋傳感器作用時，手指是電容的一極、另一極則是矽晶片數組，透過人體帶有的微電場與電容傳感器之間產生的微電流，指紋的波峰波谷與傳感器之間的距離形成電容高低差，來描繪出指紋的圖形。

iPhone 5採用電容式指紋識別

第三代指紋識別採用射頻技術，分為無線電波探測與超聲波探測兩種，其原理都與探測海底物質的的聲納類似，是靠特定頻率的信號反射來探知指紋的具體形態的。

超聲波指紋識別技術被稱作第三代指紋識別技術的代表，相比第一代和第二代指紋識別技術，進步還是相當明顯的。

安放在 Home 鍵或機身背部下方的電容傳感器能夠採集手指表面豐富的紋路數據，並加密保存在一個獨立的安全區內。

完整錄入一枚指紋，通常需要在按鍵上貼 8-12 次。

今天的電容式指紋傳感器識別+解鎖速度已經非常理想，從貼上手指到進入主屏只需要 0.15-0.2 秒，日常使用幾乎感覺不到等待的時間。

在安全性上，不少電容指紋模組已經集成了活體檢測功能，可以通過熱敏(Thermal)傳感器感知手指表面的溫度變化，人造的假手指或者冷掉的斷手指很難通過識別。

不過，電容傳感器也有缺點。

它沒辦法隔著手機屏識別按在螢幕上的指紋，主要是因為螢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。

超聲波指紋傳感器，其原理是直接掃描並測繪指紋紋理，甚至連毛孔都能測繪出來。

因此超聲波獲得的指紋是3D立體的，而電容指紋是2D平面的。

超聲波不僅識別速度更快、而且不受汗水油污的干擾、指紋細節更豐富難以破解。

這樣一來，屏下指紋識別就只能通過穿透力更強的光學和超聲波兩種方案來實現。

屏下指紋識別專利技術與工作原理解析

目前已知的屏下指紋識別方案主要為兩個方向：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，那是否意味著在螢幕下面墊一個CMOS傳感器就行了呢？

2.1

利用OLED屏技術實現屏下指紋識別

屏下指紋識別沒有採用TFT-LCD做，其原因在於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，螢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干擾指紋反射的光線。

所以TFT-LCD屏下光學指紋識別很難實現。

光學指紋識別的工作原理圖

而由於OLED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材質的螢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螢幕的開發方向：

1、直接在螢幕下方布置一個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螢幕上方，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螢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。

而匯頂科技就是在螢幕下方布置了一個CMOS傳感器，根據匯頂科技在美帝註冊的專利： 玄機就在這三張圖里了。

FIG.21A、FIG.21B

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

FIG.24從微觀角度則說明了光線是如何穿透OLED螢幕的，最上面的就是手指；偏上這層灰色區域就是手機的螢幕部分。

透過螢幕的小孔，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。

FIG.26~27

FIG.10C

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，而非螢幕或是陽光。

而根據蘋果2015年的專利，蘋果的實現方式是通過在OLED螢幕下方布置紅外發射器（IR Emitter）實現。

但蘋果已發布的專利較少。

2.2 LCD屏下指紋識別即將到來

據悉，vivo新品所採用的屏下指紋識別模塊由晶片廠商Synaptics新思國際提供技術支持，傳感器型號為Natural ID FS9100，是首款面向手機和平板電腦的光學指紋傳感器。

它可透過0.68mm厚的蓋板玻璃掃描，配置於正面邊框底部的蓋板玻璃內層(包括2.5D玻璃)，來實現光學反射指紋識別。

近日，JDI也在拿自己的LCD面板做文章。

他們以高透明度的玻璃為基質，通過提升已有的Pixel Eyes技術，檢測出手指接觸螢幕後由於指紋紋理引起的電容變化，從而實現指紋識別。

由於沒有使用到矽基傳感器，螢幕背光可以透過整個指紋識別組件。

目前他們已經試製了一塊8×8毫米0.45英寸的指紋傳感器，擁有160×160的解析度和508的dpi。

JDI表示，傳感器的尺寸未來可以根據實際需求來特別訂製，同時也可以做的更薄甚至是可彎曲的。

這樣，指紋傳感器就能應用於手機、電腦、汽車以及未來物聯網的方方面面。

不過這項技術剛剛研發成功，JDI計劃在明年3月前將其商業化。

2.3 利用超聲波技術實現屏下指紋識別

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演示機使用的全螢幕指紋識別，採用的正是高通的方案以及歐菲的模組。

2017年6 月，vivo 曾展示過基於高通超聲波方案的屏下指紋識別原型機。

同樣在2018 CES峰會中，該機就獲得了眾多媒體和消費者關注。

vivo 屏下指紋原型機的結構示意

不過，據媒體現場的體驗後表示，稍微改變手指的按壓角度，這台 Xplay 6 就會顯示解鎖不成功。

vivo 並沒有提供這台原型機具體的識別準確率數據。

按照高通的說法，這種超聲波屏下指紋識別技術可以穿透 1200 微米厚的 OLED 螢幕、800 微米的玻璃和 650 微米的鋁合金。

足夠強的穿透性能，就意味著更高的功耗和更大的模組體積。

據了解，為高通提供超聲波指紋識別模組封裝的歐菲光等公司，目前還無法將體積縮到足夠小，識別準確率和速度也需要大幅提升。

原理參照聲吶：

指紋傳感器發出超聲波，接收被手指反射回來的信號，就能繪製出指紋的「高低起伏」了。

具體一點講，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(超聲波到達不同材質表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同)。

因此，利用皮膚與空氣對於聲波阻抗的差異，就可以區分指紋嵴與峪所在的位置。

超聲波技術所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度(與醫學診斷的強度相同)。

目前大規模應用的超聲波指紋識別手機並不太多，主要是乙烷的樂視的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螢幕或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螢幕上也夠了。

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發布的方案更喪心病狂，FPC稱，不管手是乾的還是濕的，不管你螢幕是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。

結束語

根據根據其他屏下指紋識別廠商反饋，目前屏下指紋識別良產率依然是行業共性問題，同時三星的螢幕將會成為眾多想要搭載這一功能的手機廠商的桎梏。

（屏下指紋識別所引發的交互上的變革和UI的調整是行業性的）而JDI新LCD技術將會讓屏下指紋識別走向主流。