屏内才是终途 手机指纹识别技术大揭秘

2017年，智能手机正式进入全面屏时代，但同时也带来了问题：前面板放不下已经用习惯的前置指纹，不得不移至背面，显示区域的屏幕下指纹成了热点方案。前不久，vivo发布了vivo X20Plus屏幕指纹版，终于让我们看到了一套成熟可量产的屏幕指纹方案。

屏内才是终途 手机指纹识别技术大揭秘

　　屏幕指纹一经推出，很多朋友都在感叹它的神奇，却少有知道其工作原理的。所以本期发烧学堂，我们就在聊一聊手机指纹识别技术的发展，看看它到底是怎么实现识别的，这其中又有哪些技术难点。当然还有个最重要的问题：屏幕指纹会碾压面部识别东山再起吗？

　　这些年我们看到的指纹识别位置

　　生物识别的实现过程其实都大致相同，普通的手机指纹系统包括指纹识别Sensor、特征提取匹配模块、特征模板库、应用软件。指纹的验证可分为两步，首先是提取待验证的指纹特征，然后将其和指纹模板库中的模板指纹进行相似度比较，相似度达到要求时便能实现解锁。

　　简简单单的过程，经过设计后却能呈现出各种各样的方案。就拿位置来说，传统的指纹识别位置就有三种，加上前不久刚刚发布的屏幕指纹共有四种：

　　背面指纹

背部指纹

　　在指纹识别的发展上升期，背面指纹可以说是安卓机上主流的识别方案。其原因就在于前置指纹的技术受限，而且安卓的交互操作主要依靠前面板下巴上的三大金刚键，在当时来说，更加巧妙的交互方式有待开发。

　　就使用体验来说，用户想要解锁就得拿起手机，比较麻烦，而且一般都会有其他功能集成在指纹识别按键上，用户在使用这些功能时背部位置就显得不够直观。

　　侧面指纹

侧面指纹

　　侧面指纹其实是个不错的位置解决方案，既不会影响传统的交互方式，又不需要在面板上开孔影响视觉观感。但侧面指纹也带来不少问题：指纹模组的厚度会对屏幕的边框宽度产生影响，而且在手机越来越薄的当下，允许侧面指纹占据的空间越来越小，指纹识别扫描面积的缩小带来最直接的变化就是指纹识别率降低。

　　正面指纹

正面指纹

　　在新的交互方式被广泛认知后，前置指纹成了最流行的识别方案。相对于前两者，前置指纹使用起来更加直观，放桌面使用不需要拿起手机，并且可以辅助交互。而且从外观上说，前置指纹也成了补足面板空白的手段之一，与上部听筒配合更显协调。

　　屏幕指纹

屏幕指纹

　　全面屏时代到来，前面板额头下巴的进一步缩窄让前置指纹无可放，屏幕下指纹就成了代替传统指纹的最佳位置方案。但目前的屏幕指纹还处在初级阶段，需要在指定的位置才能实现识别。

　　而指纹识别形态，却不是仅有位置差别那么简单。

　　除了位置 指纹识别还有很多讲究

　　大部分人印象中，指纹识别除了位置，貌似也没什么差别。但事实上，市面上已见的指纹识别千差万别。比如最直接的一点就是可按压不可按压。

可按压式的屏幕指纹

　　指纹模组需要通电才能工作。一般来说，可按压式指纹识别只有屏幕亮屏后才对模组通电，这样做的好处是待机时可以在一定程度上省电。不可按压式模组一直通电，这样做的好处是可以随时实现更加快速的识别，一触即解锁。

iPhone不可按压但有压力感应的指纹识别

　　可按压式指纹比较典型的就是iPhone，最初采用的是可按压式物力按键，到后来虽然不可按压，但在home键下加了压力感应器，受到一定压力时才会对识别模组通电，从而实现解锁。

　　除了按压不可按压，指纹识别表面盖板也是颇有讲究的。我们见到的传统指纹识别大概分为四种盖板方案：镀膜、玻璃、陶瓷、蓝宝石。成本上说，镀膜最低，蓝宝石最高。但四种方案，却不仅仅在于成本的差别。

魅族MX4 Pro的蓝宝石盖板指纹

　　举个例子说，我用过第一款国产正面指纹识别手机是魅族MX4 Pro，这应该也是国产第一款正面可按压式指纹识别手机，其采用的就是来自汇顶的蓝宝石盖板方案。蓝宝石盖板确实表现出了强大的耐磨能力，但实际体验上来说，识别率和识别速度都是有待提升的。原因就在于魅族MX4 Pro采用的是电容式指纹方案，蓝宝石盖板会带来信号的衰减和信噪比问题。与普通的Touch IC相比，灵敏度需要提升约60倍。

魅族PRO 5的镀膜指纹识别

　　当然，相对来说，只进行镀膜的模组自然是识别精度最高的，电容触控的指纹识别驱动IC只需要比普通的Touch IC灵敏度提升大约3倍即可。魅族在其第一款高端机型PRO 5上采用的就是这种方案，相比于MX4 Pro在识别率和识别速度上可以说是拥有了质的提升。但问题就在于这种方案盖板不够耐划。

　　由Under Glass方案引出的指纹封装工艺

　　到后来，我们也看到全新的Under Glass方案，典型机型就是ZUK Edge和华为P10。其技术原理就是来自汇顶的“IFS（Invisible Fingerprint Sensor）指纹识别与触控一体化技术”。相对于传统的电容式指纹识别技术，手机厂商无需在手机前面板或后壳上开通孔放置指纹传感器模块，而是将指纹传感器隐藏于TP面板之下，可支持玻璃面板也可支持蓝宝石面板。

Under Glass电容式指纹

　　IFS技术不需要与手指接触传递信号的金属环，不需要触控开关，不需要芯片正面的粘合材料，即可实现良好的识别。但这种技术需要在玻璃面板上开槽，因为智能手机正面2.5D玻璃面板的厚度超过0.7mm，而根据电容式指纹识别的原理，如果在芯片上方存在的盖板玻璃厚度超过0.3mm时，其识别精确度将大幅降低。开槽让指纹识别处的玻璃面板厚度保持在0.2~0.3mm，才能让信号有效的传达。

Under Glass电容式指纹

　　除此之外，在芯片封装上也是有些讲究的。初期大多指纹识别采用的是wire bonding封装工艺，但这种工艺需要塑封将金属引线隐藏，才能形成平整的表面与盖板贴合，导致芯片的厚度增加，会在一定程度上影响识别精度。

　　为了让更多的识别芯片与盖板接触，减少信号损失，trench工艺后来也被应用其中，简而言之，就是在芯片表面“挖坑”，用于打线使指纹芯片与外界相连，不占用表面空间。iPhone 5s上主要用的就是trench+ wire bonding的工艺。

　　TSV则是相对更加优秀的封装方案。这种方案允许芯片有效探测面积大幅增加，芯片的厚度和模组厚度都可以实现缩减。这种方案可以制作出超薄式的指纹识别模组，甚至可以使厚度不超过盖板玻璃。所以用于Under Glass方案更加合适，TSV让指纹识别模组镶入盖板玻璃成为可能。

　　电容式萎了 超声波和光学才是未来

　　电容式

电容式指纹工作原理（图片来自网络）

　　在刚才我们提到了电容式指纹识别。其原理是利用硅晶元与导电的皮下电解液形成电场，指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的变化，从而实现准确的指纹测定。目前来说，这种方案是最成熟的，除了极个别的几个超声波指纹，我们看到的手机指纹基本都采用的是电容方案。

魅族PRO 6 Plus的活体指纹

　　之所以说电容式成熟，不仅在于这种方案的指纹识别拥有优良的识别率和识别速度，还在于这种方案也拥有提升安全性的附属方案。在魅族PRO 6 Plus上，我们看到了汇顶的活体指纹识别方案。普通式的电容式识别由于只检测指纹纹路，容易被假指纹破解。而汇顶的活体指纹方案将电容指纹传感器和光学检测传感器无缝集成到一个硅传感器中，通过指纹、手指皮肤颜色以及心率信号来验证用户的真实身份。

　　但电容式终究还是难以成为最终的识别方案的，原因除了电容式指纹在湿手解锁上表现不佳外，最大的一点原因就是穿透力不强。刚才我们提到，在Under Glass方案中，电容式方案仍需要开槽，这显然不适合全面屏的需求。

　　超声波式

超声波式指纹工作原理（图片来自网络）

　　超声波式（射频式）指纹识别方案倒是一个不错的方案，但目前来说还没有一款成熟的产品为其在全面屏发展上带来信心，典型的失败案例就是小米5S。其原理就是通过超声波的发射与接收获取真皮层的指纹图像。从理论上来说，超声波式指纹识别由于只会对人的真皮皮肤有反射，所以从根本上杜绝了人造指纹的问题，而且对湿手指有高达99%的识别率。

高通第二代超声波指纹识别

　　高通在上海MWC 2017上曾与vivo合作展出了第二代超声波式的屏幕指纹方案产品。据悉该方案能透过厚至1200微米的OLED显示屏实现指纹的扫描、录入和匹配；面向玻璃和金属的高通指纹传感器是首个商用发布的能够透过厚至800微米玻璃面板和厚至650微米铝材质外壳实现扫描的解决方案，在上一代400微米的玻璃或金属穿透能力之上实现了显著提升。

　　而且，第二代方案可以显示水下指纹匹配和设备唤醒，能通过检测心跳和血流带来更好移动认证体验，极大了提升了安全性。但第二代超声波指纹传感器依然仅限于适配OLED屏幕，而对于厚度更高的LCD屏幕来说依然无能为力。

　　光学式

光学式指纹工作原理（图片来自网络）

　　目前唯一上市的产品vivo X20Plus屏幕指纹版的屏幕指纹采用的是光电反射技术，说白了就是光学式指纹。其原理是通过专门适配OLED屏幕的光源发出光线，到达手指后反射出不同的光线纹路，被屏幕下的传感器接收后即可实现识别。目前这种光学指纹也只能在OLED屏幕上实现，OLED的RGB像素点之间的缝隙可以通过相关工艺后，光线可以穿过去达到传感器。

vivo屏幕指纹

　　从体验来看，这种识别方式目前除了识别速度不如传统电容式指纹识别外，其它体检相近。但目前也有不少局限性，比如只能在传感器的指定位置，贴膜需要使用专用高透光贴膜等。

　　光学指纹的形态不止于此。在未来我们或许会看到进化度更好的光学指纹。

　　据悉，在OLED和MicroLED显示屏幕的发光层内加入具备指纹识别功能的传感器，形成“交互像素”，即在每一个传统的RGB像素点旁边添加指纹识别像素点，到那时就不再需要指纹识别芯片这个概念，因为显示屏幕已经成了一块大号的指纹识别芯片。

　　而且，为了与手机显示屏中的RGB可见光相区分，同时减少环境光线的干扰，光学式指纹识别可能采用近红外光的光源。整个产品的核心除了算法之外，在硬件端最重要的变化，就是多了近红外光源、光学器件、图像传感器等。也就是说，这样的屏幕指纹不需要肉眼可见的高光即可实现识别。

　　写在最后

　　屏幕指纹与面部识别相比 哪个才是未来？看到这里，相信很多朋友都有这样的问题。从技术上说，目前两者针锋相对，面部识别有iPhone X的3D结构光，指纹识别有vivo的屏幕指纹，两者在识别速度上相近，使用体验上也各有胜负。

　　但从使用场景来说，两者的最大区别就在于需不需要接触。面部识别为非接触型识别，可以实现无动作解锁，比如可以用于应用锁的无缝隙解锁；不同于智能家居，手机攥在手里使用，就会有指纹接触，而且对于支付来说，接触性识别更加安全。

　　到底哪个更好，一场辩论告诉你——