指紋識別的技術(shù)分類以及未來走向

隨著全面屏手機(jī)的全面興起，指紋識別技術(shù)也開始了進(jìn)化。不論是高通的超聲波指紋識別，還是Synaptics、匯頂科技的光學(xué)式屏下指紋，都可以支持全面屏手機(jī)在屏幕上直接進(jìn)行指紋識別。與此同時(shí)，一些新的基于玻璃基板的透明的電容式指紋識別傳感器也開始出現(xiàn)，這也意味著 ，未來指紋識別可能會(huì)像觸摸屏一樣被現(xiàn)實(shí)屏技術(shù)融合。

在談?wù)撝讣y識別技術(shù)的未來走向之前，我們還是有必要從指紋識別的技術(shù)分類來談起吧。雖然這很炒冷飯了！

指紋識別的技術(shù)分為三大類：電容式、光學(xué)式、超聲波式?？催^芯智訊此前一些關(guān)于指紋識別技術(shù)相關(guān)文章的讀者們恐怕再熟悉不過了。

電容式指紋識別

我們先來聊聊電容式，太多技術(shù)細(xì)節(jié)的原理筆者不想多談了，大家可以把電容式的指紋識別想像為dpi達(dá)到了508以上的電容式Touch。從技術(shù)原理上來講，你們可以把電容式的Touch和電容式的Fingerprint劃等號。但為什么電容式的指紋識別芯片卻不能向電容式的Touch那樣很好地和Display Panel結(jié)合呢？

筆者認(rèn)為這是指紋識別與電容式Touch的技術(shù)需求所帶來的。對Touch來說，我們的通道數(shù)要少，精細(xì)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有指紋的要求，我們只需驅(qū)動(dòng)IC衡量且監(jiān)測Rx和Tx之間的電容變化就可以了，技術(shù)需求簡單，且通道少信噪比要求低。但往往就是這樣，我們在調(diào)試Touch時(shí)，Display和Touch的信號相互干擾，優(yōu)化信噪比也是一個(gè)比較頭疼的話題。所以，對于電容式的Fingerprint來說，通道數(shù)更多，信噪比更難優(yōu)化，對介質(zhì)的穿透能力也大大降低。我們不僅要識別每一個(gè)通道的電容量，還要將它們繪制成用戶手指指紋的形貌。所以電容式指紋識別技術(shù)想像電容式Touch技術(shù)那樣集成進(jìn)Display Panel內(nèi)部的難度就可想而知了。

這也是為什么市面上絕大部分的指紋識別產(chǎn)品都是以Si-Wafer襯底來加工了。在硅片上可以輕松制備dpi508以上的指紋識別Sensor陣列，并很好的集成外圍的存儲(chǔ)和驅(qū)動(dòng)單元。所以在全面屏?xí)r代到來之前，我們看到的指紋識別芯片往往在Display Panel的外部，外掛一顆油墨涂布，或者藍(lán)寶石玻璃封裝的Si-Wafer指紋識別芯片。當(dāng)然這顆芯片可以放在正面Home鍵的位置，也可以放置在手機(jī)的背面。

全面屏的到來，把指紋識別技術(shù)逼上了絕境，一旦手機(jī)的A面全部變?yōu)槠聊?，意味著電容式指紋識別芯片就要藏在玻璃下方。這恐怕是它的穿透能力所不能實(shí)現(xiàn)的。我們都知道，電容式指紋識別模組的極限穿透能力僅僅在350微米，而且這還不考慮用戶自定義為手機(jī)貼膜。

我想這個(gè)穿透能力幾乎等于在全面屏?xí)r代在手機(jī)A面判了電容式指紋識別技術(shù)的死刑。筆者曾經(jīng)和各個(gè)指紋識別方案商討論過，詢問他們的電容式指紋識別的極限穿透能力是多少？得到的答案讓筆者寒心，能達(dá)到350微米的公司也不多呀！所以一些公司如Goodix早期的產(chǎn)品設(shè)想為開盲孔的方案，在Display內(nèi)部開一個(gè)槽，這個(gè)槽專門用來存放電容指紋識別模塊，以應(yīng)付350微米的穿透要求。

所以就在這個(gè)時(shí)刻，光學(xué)式指紋識別的第二春到來了。因?yàn)楣鈱W(xué)式指紋識別不存在信號穿透的問題，只要是透光的介質(zhì)，下面都可以藏光學(xué)指紋識別的芯片。而且，現(xiàn)在我們的光學(xué)CMOS傳感器發(fā)展得這樣成熟，在銀行系統(tǒng)和大型商用系統(tǒng)中應(yīng)用的光學(xué)指紋識別技術(shù)在智能手機(jī)中的應(yīng)用就理所應(yīng)當(dāng)了。

光學(xué)式指紋識別

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，光學(xué)指紋識別所應(yīng)用的CMOS傳感器比我們照相機(jī)成像攝像頭的CMOS傳感器要簡單很多。因?yàn)檎障鄼C(jī)攝像頭的目的是成像，需要我們把真實(shí)世界中的顏色通過CMOS傳感器用電位的信號表達(dá)出來，所以需要在CMOS中的光電二極管上制備紅綠藍(lán)彩膜。而指紋識別不需要完美的成像，只需要把指紋信息的信號用CMOS傳感器表達(dá)為電位信號即可。所以我們可以把光學(xué)指紋識別的CMOS傳感器理解為低配版的照相機(jī)CMOS傳感器。

這時(shí)，我們只需要我們的Display是透明的就行了。或者說，局部透明，也或者說，局部滿足光學(xué)指紋識別臨界信噪比的閾值透過率就可以了。且Display的透明區(qū)域呈小孔分布，小孔成像的原理不難理解——小孔對信號有增強(qiáng)的效果，且小孔成的是實(shí)像。這對我們的光電轉(zhuǎn)換是十分有利的。

小孔成像技術(shù)是天文愛好者的必備職業(yè)素質(zhì)

三星指紋識別專利，預(yù)計(jì)在note9中使用，專利中詮釋了小孔的作用

所以，這也就是為什么我們近期發(fā)布的機(jī)型大都偏偏喜歡OLED屏幕的原因了。LCD顯示模式需要光學(xué)部件，需要背光結(jié)構(gòu)，很難在Display的內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)透明的結(jié)構(gòu)出來。而OLED顯示屏，只有在發(fā)光區(qū)域內(nèi)部是不透明的微腔結(jié)構(gòu)，在外圍驅(qū)動(dòng)電路的位置，排開金屬走線，其他區(qū)域都是透明的。也可以說，OLED面板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全滿足光學(xué)指紋識別芯片的透光率要求。我們只需要在模組設(shè)計(jì)時(shí)，將那個(gè)區(qū)域的泡棉和導(dǎo)熱石墨片挖空即可。

vivo X20Play暴力拆機(jī)！

vivo發(fā)布的x20plus和x21就采用了這種光學(xué)式的指紋識別芯片。Synpatics和Goodix的出貨比例各占46成。其實(shí)，早在vivo20發(fā)布的時(shí)候，本來vivo的計(jì)劃就是上一顆光學(xué)指紋識別芯片，但是最后在品質(zhì)關(guān)沒有通過，也就是和量產(chǎn)要求差了0.1%左右，可以說已經(jīng)做得很不錯(cuò)了。據(jù)說這最后的0.1%僅僅在極端環(huán)境下，如手上沾滿了稻草，或手指大量出汗的前提下才無法解鎖。但最后無奈還是將指紋識別放在了手機(jī)背面，采用電容式做法。（別問我怎么知道的，我才不說呢，但是我們可以認(rèn)識到，vivo的內(nèi)部品控實(shí)在是嚴(yán)格）。至于vivo發(fā)布的APEX概念機(jī)，據(jù)說指紋識別的設(shè)計(jì)可以滿足半個(gè)屏幕的可用區(qū)域，那究竟是如何做的呢？請等筆者在下文中慢慢道來。

vivo APEX半屏指紋識別示意圖

超聲波指紋識別

最后再來聊聊超聲波指紋識別，其實(shí)超聲波指紋識別比光學(xué)式指紋識別更早地應(yīng)用在了手機(jī)中，小米5s和樂視樂Max都采用了這種技術(shù)。但是這種技術(shù)的并沒有令消費(fèi)者滿意：

對比小米5的指紋識別，5S的超聲波指紋黑科技的確讓手機(jī)正面更好看了一些，但是指紋識別體驗(yàn)可以說是大倒退啊。小米5的指紋識別速度很高，也就0.1秒到0.2秒左右，然后不管是識別成功還是失敗，就會(huì)有反饋。

而5S的超聲波指紋的識別速度就非常不穩(wěn)定，有的時(shí)候0.5秒內(nèi)就能成功解鎖，有的時(shí)候手指放上去要等大概2秒才會(huì)解鎖，更要命的是如果識別失敗，至少也要等1秒多才會(huì)有反饋，而且有的時(shí)候根本就沒有反饋。

這樣在使用5S指紋解鎖的時(shí)候，經(jīng)常是手指放上去，等個(gè)2，3秒，發(fā)現(xiàn)沒有反饋，就換個(gè)姿勢再把手指放上去等著，直到成功解鎖。

說實(shí)話，指紋識別率的高低倒是沒有感到太大的差距，但是反饋速度的差距實(shí)在是太大了，而且經(jīng)常會(huì)有識別失敗卻沒有反饋的情況，導(dǎo)致整體的指紋解鎖體驗(yàn)比小米5差了很多啊。

可見，超聲波技術(shù)并沒有我們想象的那樣成熟，因?yàn)槁暡?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械波，用MEMS器件制備機(jī)械波發(fā)射器，壽命和信賴性能否達(dá)到消費(fèi)電子的需求是個(gè)很大的問題。且似乎必須要搭載高通的平臺(tái)才可以使用，這恐怕對于一些非高通平臺(tái)的產(chǎn)品來說有些尷尬。但是我們還是應(yīng)當(dāng)尊重超聲波技術(shù)，他的穿透能力和抗干擾能力都是光學(xué)和電容式指紋識別無法比擬的。

指紋識別技術(shù)的未來

現(xiàn)在讓筆者帶著大家來談?wù)勎磥?，指紋識別技術(shù)應(yīng)當(dāng)如何去發(fā)展呢？這次在廣州和IHS的朋友聊了很久，我們都認(rèn)為，指紋識別技術(shù)會(huì)遵循Touch和顯示屏結(jié)合的思路，從外掛，到半集成，最后走向全集成。

談到指紋識別與面板技術(shù)集成，就不得不聊聊off-chip的指紋識別方案。chip，特指基于硅基wafer襯底的的芯片技術(shù)，但是讀者們有沒有想過，芯片并不是必須做在硅片上的呀！所以，基于非硅片襯底的芯片技術(shù)我們在這里歸為off-chip技術(shù)。顯然指紋識別技術(shù)要想與顯示技術(shù)結(jié)合，就必須要把指紋識別的傳感器制備在玻璃上，也就必須要采取off-chip技術(shù)了。

所以，JDI公司將他們在顯示屏中使用的Pixel eyes技術(shù)的dpi提升，提出了基于玻璃基的Pixel eyes指紋識別技術(shù)。這也就不難想象，為什么JDI的Pixel eyes指紋識別技術(shù)一開始的產(chǎn)品定位是安防市場，而并非手機(jī)市場了。因?yàn)榘卜喇a(chǎn)品不需要移動(dòng)，不需要跌落，不需要經(jīng)常頻繁使用。且不需要使用厚度較大的Coverlens蓋板，用油墨或塑料膜之類的蓋板保護(hù)就可以了。

JDI玻璃基透明指紋識別芯片參數(shù)

JDI玻璃基透明指紋識別芯片

芯智訊記者現(xiàn)場體驗(yàn)JDI玻璃基透明指紋識別芯片，

可以看到，得到的指紋圖形還是非常清晰的

在日前的CITE2018展會(huì)上，JDI工作人員還向芯智訊透露，接下來計(jì)劃將這種透明的玻璃基電容式指紋識別技術(shù)應(yīng)用到智能手機(jī)領(lǐng)域。

筆者猜測，他們很可能通過提高Hybrid in-cell Touch的dpi到508以上的方式來制備，并且摒棄傳統(tǒng)的玻璃蓋板方案，將偏光片的硬度提高，以偏光片來充當(dāng)蓋板，這時(shí)的偏光片厚度在200微米左右，足以滿足350微米的電容式指紋識別穿透能力。

除了JDI以外，off-chip方案的公司還有很多，比如挪威專利鯊魚公司IDEX，他們的專利布局非常廣，且一直熱衷于收購專利，至于產(chǎn)品，并沒有見到很多。

其實(shí)筆者認(rèn)為，即使指紋識別芯片不與顯示面板集成，off-chip也是非常有必要的。因?yàn)楣杵馨嘿F，但是玻璃和塑料、樹脂卻很便宜。且硅片的wafer尺寸有限，而塑料、樹脂、玻璃的面積是無窮無盡的。這就意味著指紋識別的Sensor可以做得很大，Sensor做得大了以后，可以提取的指紋特征點(diǎn)就越多，這也就意味著指紋識別的安全級別就會(huì)越高。

筆者與IDEX公司溝通之時(shí)，恰逢他們有一款off-chip的產(chǎn)品在向華為送樣，可后來卻沒有在市面上看到這款產(chǎn)品，不知道這種技術(shù)為何會(huì)不了了知，很可能可手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間位置有限有關(guān)。這似乎也是JDI將off-chip的產(chǎn)品首先放到安防市場的原因——Sensor越大，安全級別越高。其實(shí)呢，IDEX一開始的off-chip指紋識別芯片的最初產(chǎn)品定位也是在智能IC卡上，并非手機(jī)產(chǎn)品中。

IDEX最初的產(chǎn)品設(shè)想——黑色的區(qū)域?yàn)樗芰匣逯讣y識別芯片

還記得上文中我們說到的vivo APEX半個(gè)屏幕都支持指紋識別的做法嗎？我想當(dāng)你們知道off-chip的方案時(shí)，就不會(huì)覺得半個(gè)屏幕的指紋識別有什么難度了，如果可以的話，整個(gè)屏幕的指紋識別也是沒有問題的。

現(xiàn)在，筆者了解到的是，vivo APEX的半屏指紋識別可能采取兩種方案，第一種就是硅基的CMOS傳感器陣列，一個(gè)CMOS面積太小，那我就多來幾個(gè)嘛，CMOS的陣列能夠?qū)?yīng)滿足半個(gè)屏幕的大小就可以了。另一種方式就是off-chip的方式，而這個(gè)off-chip的方案商，芯智訊此前就曾爆料過，它就是上?；j箕（OXI）。目前OXI的玻璃基光學(xué)指紋識別傳感器已經(jīng)在OXI的官網(wǎng)上宣傳了，而OXI正是從天馬的低溫多晶硅背板中走出來的——顯示技術(shù)的非顯示應(yīng)用。用低溫多晶硅TFT制備玻璃基的CMOS光學(xué)傳感器。

另外，需要指出的是，玻璃和硅之間存著一個(gè)微妙的灰色地帶，這個(gè)地帶屬于硅片生態(tài)環(huán)境中的低工藝節(jié)點(diǎn)，卻恰恰是玻璃基生態(tài)環(huán)境的高工藝節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)灰色地帶，硅片做起來不賺錢，而玻璃基做起來卻能消耗產(chǎn)能。這樣一來，玻璃基傳感技術(shù)自然而然地就成為了硅片生態(tài)環(huán)境中低端產(chǎn)品的繼承者。且玻璃的大面積優(yōu)勢又會(huì)帶來單個(gè)傳感器成本的降低。也就有了類似GOA，F(xiàn)ull in-cell等一系列基于玻璃基的傳感器應(yīng)用，OXI就恰恰抓住了這個(gè)巧妙的灰色地帶，開始了基于玻璃基的光學(xué)指紋識別芯片技術(shù)的研究。我們可以想象，只要玻璃基的工藝能力一直提升，是足夠有能力繼續(xù)分食硅生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用，但我們還是要明確差距，畢竟硅片的工藝節(jié)點(diǎn)和玻璃的工藝節(jié)點(diǎn)要相差1000倍。

至于指紋識別功能的Full in-cell設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為很難，因?yàn)镕ull in-cell的方案用電容式的做法顯然無法實(shí)現(xiàn)，只能用光學(xué)的方案。與外掛的方式不同，外掛的光學(xué)指紋識別芯片無論是硅基CMOS，還是玻璃基CMOS，都不會(huì)與顯示像素的制程集成在一起。如果采用Full in-cell的方式來設(shè)計(jì)光學(xué)式指紋識別芯片，則必須是off-chip的方式，而且是CMOS in Pixel的形式。這會(huì)存在如下幾個(gè)問題，第一，光路的距離太短，無法形成有效的信號；第二，CMOS中的光電二極管分散在顯示像素中，無法設(shè)計(jì)或難以設(shè)計(jì)透鏡和鏡頭，無法對信號進(jìn)行放大；第三，不會(huì)有上文中提到的小孔結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)小孔成像的信號放大效果；第四：CMOS靠近屏幕外部，環(huán)境光的干擾如何彌補(bǔ)？第五：即使我們在玻璃基上制備了光電二極管，那么產(chǎn)生的電信號如何導(dǎo)出到外圍的驅(qū)動(dòng)芯片中？在導(dǎo)出的過程中如何避免信號的丟失？種種這些都表明了這種技術(shù)的大膽與難度。目前只停留在專利申請階段。

即便是蘋果申請的屏內(nèi)指紋識別技術(shù)，

也是歸于Si wafer的技術(shù)，并沒有提到off-chip的概念

我們聊了這么多指紋識別與顯示屏集成的話題，其實(shí)歸根結(jié)底，就是傳感器與屏幕的集成，再具體一些就是傳感器off-chip的設(shè)計(jì)能否與display Panel的工藝制程集成。再落地一些，就是玻璃基的傳感器制程能力和外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)能力能否達(dá)到硅基生態(tài)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。