手指里的黑科技 淺析手機指紋識別技術

曾幾何時，指紋識別都是iPhone或Android頂配旗艦機的專利，誰又能想到哪怕是699元的手機都用上了這個技術呢？不過，都是指紋，它們背后的技術和原理還是有著很大不同，全新的隱藏式指紋模塊也已經箭在弦上。那么，未來的指紋識別又將是怎樣的體驗呢？

追溯指紋手機的歷史

提起指紋識別，很多用戶首先就會想到蘋果在2013年推出的iPhone5s。誠然，iPhone 5s的指紋識別體驗在當時堪稱完美，但它卻并非第一款集成指紋識別功能的手機。

早在15年前（1998年），西門子就曾展示過集成指紋識別模塊的原型機，采用Bromba公司的刮擦式（滑動式）指紋識別技術，可惜最終沒能量產上市。2000年，法國品牌SAGEM推出了業內首款量產的指紋識別手機（圖1），可惜當年的指紋并非用于加密，只是用于驗證PIN碼，成本高又沒有意義，所以在隨后的功能機時代就鮮有涉獵的品牌了（富士通算是對指紋情有獨鐘的品牌，在功能機時代推出過十余款帶指紋的手機）。

步入智能機時代后，摩托羅拉旗下的Atrix 4G（國內又稱MB860，2011年上市）成為了首款集成指紋模塊的智能手機，它采用了來自AuthenTec的刮擦式指紋識別技術，并與電源鍵合二為一（圖2）。可惜，當年的刮擦式指紋技術的體驗和識別率都很差，再加上當時的Android系統并沒針對指紋功能進行優化，所以這款手機并沒有引起太大的波瀾。真正讓大家記住Atrix 4G的，還是其為業內首款搭載雙核處理器的手機身份。

2013年上市的iPhone 5s，才算是真正定義和規范了指紋識別功能在智能手機領域的體驗模式和功能上的發展方向。

在此之前的指紋識別技術都還停留在刮擦式，需要將手機緩慢地劃過指紋模塊，待傳感器采集所有指紋信息后才能和系統內保存的完整指紋圖像進行比對，從而完成解鎖。速度慢不說，準確率也難以保證。

而iPhone 5s則首次引入了正面按壓式的指紋識別技術，同時還將指紋功能與Touch ID有機結合，不僅可以用于開機解鎖，還能用于替代支付密碼（圖3）。至此，指紋解鎖、指紋加密、指紋支付，這三大功能就成為了指紋識別的三駕馬車。

誰是幕后英雄

還記得MOTO Atrix 4G嗎？給這款手機提供指紋識別技術的AuthenTec公司，在2012年正式發布了正面按壓式的指紋識別技術，于是iPhone5s就成為了第一個“吃螃蟹的手機”，結果大獲成功。蘋果為了保持技術的領先，直接將AuthenTec公司收購，斷絕了Android陣營的競爭對手們也使用AuthenTec按壓式指紋技術的念想。

因此，雖然隨后三星Galaxy S5、HTC One Max和vivo Xplay 3S等旗艦機也都引入了指紋識別技術，但它們卻只能采用來自Synaptics（原Validity，后被Synaptics收購）和瑞典的FingerPrintCard（FPC）公司旗下過時的刮擦式指紋識別技術，只是S5（Synaptics方案）將刮擦式指紋模塊放在了前面并與Home鍵合二為一（圖4），而One Max（Synaptics方案）和Xplay 3S（FPC方案）則將其放在了手機背面。

還好，在蘋果的“技術壟斷”維持了一年左右的時間后，FPC和國內的GOOdix（匯頂）公司就先后打破了按壓式指紋識別的技術壁壘。其中，華為Mate 7是FPC按壓式指紋技術的客戶代表，將其安置在了手機背面，并提出了“息屏解鎖”概念（圖5）。而魅族MX4 Pro則和Goodix聯手，成為了第一款將按壓式指紋模塊和Home鍵結合的Android手機（圖6），在體驗上無限接近于iPhone家族。

隨后，Synaptics也推出了按壓式指紋識別技術，并被當年的三星Galaxy S6家族所武裝。可惜，當時Synaptics的按壓式指紋技術還不夠成熟，芯片表面無法覆蓋藍寶石且凸出于機身表面（圖7），所以很容易被磨花而影響識別效率。

截至目前為止，AuthenTec只為蘋果所用，三星是Synaptics的主要客戶，FPC網羅了除三星以外的絕大多數Android客戶資源，而Goodix則相對小眾（見表）。

誰在影響指紋識別率

如今幾乎所有的新款智能手機都將指紋識別技術納為標配，但不同品牌型號手機的指紋識別成功率卻有高有低，有些手機哪怕手指沾水也能成功解鎖（濕手解鎖），有些卻必須擦拭干凈才能識別。這又是怎么回事呢？

電容式指紋方案

目前智能手機領域的指紋識別技術主要以電容式指紋方案以及射頻式指紋方案為主。其中，電容式指紋方案的原理是利用硅晶元與導電的皮下電解液形成電場，通過指紋的山谷和山脊之間的凹凸來形成指紋圖像（圖8）。這個方案成本低、適用性強，只是對臟手或濕手指的識別率一般。

射頻式指紋方案

為了提升臟手或濕手下的識別成功率，射頻式指紋方案就此出爐。它可細分為無線電波探測與超聲波探測兩種，而超聲波探測則是時下的主流技術。簡單來說，超聲波Sense ID指紋識別是由高通主導的技術。它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，以及皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異來區分指紋嵴與峪所在的位置，實現指紋的采集與識別工作（圖10），并提升濕手情況下識別的成功率（圖11）。

實際上，超聲波指紋方案的優勢不僅限于此。利用超聲波的特性，這種指紋方案甚至不需要電容傳感器或者按鈕，可直接隱藏在多種材質表面之下，比如玻璃、塑料甚至金屬。翻譯過來，就是無需在手機的屏幕玻璃或機身上開孔！

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電容式指紋方案的基本構成為保護層（藍寶石玻璃、玻璃、陶瓷或者涂層）、金屬環、指紋傳感器等等（圖9）。傳感器和軟件層面的算法將決定指紋識別的成功率；而保護層的作用是防止因劃傷傳感器導致靈敏度降低，現在公認最佳的保護層材料就是藍寶石；至于金屬環則是可有可無的存在了，曾經它的用途是檢測手指和傳遞信號，但如今已經出現了無需金屬環的指紋方案，而且不會影響到識別率。

隱藏式指紋時代來臨

在指紋模塊的位置之爭中，正面指紋的設計正占據越來越大的優勢。同時，正面指紋也正在從傳統的實體按鍵（Home鍵可以按下，如iPhone 6s）向輕觸式按鍵（如一加3、iPhone 7和OPPO R9s，Home鍵無法按下）的轉型期。

這種轉型的優勢是無須擔心實體按鍵的耗損和掉漆等問題，壽命更持久。輕觸按鍵的設計也更能保證手機屏幕玻璃的整體性，可進一步提升顏值。特別是在射頻式指紋方案（聲波）的幫助下，可以讓傳感器完全隱藏于玻璃之內，讓指紋模塊和屏幕玻璃面板結合為一個整體。

作為超聲波指紋識別技術的代表，小米5s就實現了指紋模塊的“半隱藏”。它的Home鍵（指紋模塊）和屏幕就是“連體設計”，沒有任何開孔。但是，小米5s卻在Home鍵“挖出”了一個凹槽（圖12），官方的解釋是為了方便用戶定位，輕松找到Home鍵（指紋）對應的位置。

事實果真如此嗎？

答案并沒有這么簡單。現階段手機屏幕玻璃的厚度多在0.5mm左右，而超聲波指紋識別技術的穿透量則約為0.3mm～0.4mm，小米5s“挖坑”的另一個目的就是保證聲波穿透的余量和識別率。那么，如何才能真正做到無孔無坑的全隱藏式指紋模塊設計呢？

現階段有3個解決思路（圖13）：

其一是將手機屏幕玻璃從內部掏個洞，然后將超聲波指紋傳感器塞進去，減小傳感器與玻璃表面之間的距離；

其二是將整個傳感器都集成進玻璃之中：

其三則是將傳感器老老實實地放在玻璃之下。

顯而易見，前兩種需要對玻璃進行深加工，而手機屏幕玻璃本來就很薄，這種“手術”的成本和良品率很難保證。因此，采用第三種思路，并想辦法提升傳感器的穿透量即可。

好消息是，Synaptics最近就曝光了一款最新的光學指紋傳感器FS9100，它最大的特色就是可透過1mm蓋板玻璃進行掃描，而這個厚度別說是手機屏幕了，就連平板電腦的屏幕玻璃都不在話下。這意味著，應用該傳感器的手機能真正做到不在屏幕挖坑和開孔就能獲得完美的指紋識別效果（圖14）。據悉，FS9100將于今年Q1出樣，Q3量產，年底就能看到相關的手機產品了。

小結

有消息稱蘋果新iPhon可能會干掉Home鍵，直接將指紋識別模組集成在玻璃下方（圖15）。可以預見，未來的智能手機都將逐漸過渡到這種隱藏式的指紋識別設計上。隨著指紋識別技術的不斷革新，相信在不遠的將來，整塊屏幕都能用于指紋識別（無需找到指紋識別的指定點）也將不是夢想。