指纹识别的技术分类以及未来走向

随着全面屏手机的全面兴起，指纹识别技术也开始了进化。不论是高通的超声波指纹识别，还是Synaptics、汇顶科技的光学式屏下指纹，都可以支持全面屏手机在屏幕上直接进行指纹识别。与此同时，一些新的基于玻璃基板的透明的电容式指纹识别传感器也开始出现，这也意味着 ，未来指纹识别可能会像触摸屏一样被现实屏技术融合。

在谈论指纹识别技术的未来走向之前，我们还是有必要从指纹识别的技术分类来谈起吧。虽然这很炒冷饭了！

指纹识别的技术分为三大类：电容式、光学式、超声波式。看过芯智讯此前一些关于指纹识别技术相关文章的读者们恐怕再熟悉不过了。

电容式指纹识别 

我们先来聊聊电容式，太多技术细节的原理笔者不想多谈了，大家可以把电容式的指纹识别想像为dpi达到了508以上的电容式Touch。从技术原理上来讲，你们可以把电容式的Touch和电容式的Fingerprint划等号。但为什么电容式的指纹识别芯片却不能向电容式的Touch那样很好地和Display Panel结合呢？

笔者认为这是指纹识别与电容式Touch的技术需求所带来的。对Touch来说，我们的通道数要少，精细度也远远没有指纹的要求，我们只需驱动IC衡量且监测Rx和Tx之间的电容变化就可以了，技术需求简单，且通道少信噪比要求低。但往往就是这样，我们在调试Touch时，Display和Touch的信号相互干扰，优化信噪比也是一个比较头疼的话题。所以，对于电容式的Fingerprint来说，通道数更多，信噪比更难优化，对介质的穿透能力也大大降低。我们不仅要识别每一个通道的电容量，还要将它们绘制成用户手指指纹的形貌。所以电容式指纹识别技术想像电容式Touch技术那样集成进Display Panel内部的难度就可想而知了。

这也是为什么市面上绝大部分的指纹识别产品都是以Si-Wafer衬底来加工了。在硅片上可以轻松制备dpi508以上的指纹识别Sensor阵列，并很好的集成外围的存储和驱动单元。所以在全面屏时代到来之前，我们看到的指纹识别芯片往往在Display Panel的外部，外挂一颗油墨涂布，或者蓝宝石玻璃封装的Si-Wafer指纹识别芯片。当然这颗芯片可以放在正面Home键的位置，也可以放置在手机的背面。

全面屏的到来，把指纹识别技术逼上了绝境，一旦手机的A面全部变为屏幕，意味着电容式指纹识别芯片就要藏在玻璃下方。这恐怕是它的穿透能力所不能实现的。我们都知道，电容式指纹识别模组的极限穿透能力仅仅在350微米，而且这还不考虑用户自定义为手机贴膜。

我想这个穿透能力几乎等于在全面屏时代在手机A面判了电容式指纹识别技术的死刑。笔者曾经和各个指纹识别方案商讨论过，询问他们的电容式指纹识别的极限穿透能力是多少？得到的答案让笔者寒心，能达到350微米的公司也不多呀！所以一些公司如Goodix早期的产品设想为开盲孔的方案，在Display内部开一个槽，这个槽专门用来存放电容指纹识别模块，以应付350微米的穿透要求。

所以就在这个时刻，光学式指纹识别的第二春到来了。因为光学式指纹识别不存在信号穿透的问题，只要是透光的介质，下面都可以藏光学指纹识别的芯片。而且，现在我们的光学CMOS传感器发展得这样成熟，在银行系统和大型商用系统中应用的光学指纹识别技术在智能手机中的应用就理所应当了。

光学式指纹识别

这里需要强调的是，光学指纹识别所应用的CMOS传感器比我们照相机成像摄像头的CMOS传感器要简单很多。因为照相机摄像头的目的是成像，需要我们把真实世界中的颜色通过CMOS传感器用电位的信号表达出来，所以需要在CMOS中的光电二极管上制备红绿蓝彩膜。而指纹识别不需要完美的成像，只需要把指纹信息的信号用CMOS传感器表达为电位信号即可。所以我们可以把光学指纹识别的CMOS传感器理解为低配版的照相机CMOS传感器。

这时，我们只需要我们的Display是透明的就行了。或者说，局部透明，也或者说，局部满足光学指纹识别临界信噪比的阈值透过率就可以了。且Display的透明区域呈小孔分布，小孔成像的原理不难理解——小孔对信号有增强的效果，且小孔成的是实像。这对我们的光电转换是十分有利的。

小孔成像技术是天文爱好者的必备职业素质

三星指纹识别专利，预计在note9中使用，专利中诠释了小孔的作用

所以，这也就是为什么我们近期发布的机型大都偏偏喜欢OLED屏幕的原因了。LCD显示模式需要光学部件，需要背光结构，很难在Display的内部设计一个透明的结构出来。而OLED显示屏，只有在发光区域内部是不透明的微腔结构，在外围驱动电路的位置，排开金属走线，其他区域都是透明的。也可以说，OLED面板的设计结构完全满足光学指纹识别芯片的透光率要求。我们只需要在模组设计时，将那个区域的泡棉和导热石墨片挖空即可。

vivo X20Play暴力拆机！

vivo发布的x20plus和x21就采用了这种光学式的指纹识别芯片。Synpatics和Goodix的出货比例各占46成。其实，早在vivo20发布的时候，本来vivo的计划就是上一颗光学指纹识别芯片，但是最后在品质关没有通过，也就是和量产要求差了0.1%左右，可以说已经做得很不错了。据说这最后的0.1%仅仅在极端环境下，如手上沾满了稻草，或手指大量出汗的前提下才无法解锁。但最后无奈还是将指纹识别放在了手机背面，采用电容式做法。（别问我怎么知道的，我才不说呢，但是我们可以认识到，vivo的内部品控实在是严格）。至于vivo发布的APEX概念机，据说指纹识别的设计可以满足半个屏幕的可用区域，那究竟是如何做的呢？请等笔者在下文中慢慢道来。

vivo APEX半屏指纹识别示意图

超声波指纹识别

最后再来聊聊超声波指纹识别，其实超声波指纹识别比光学式指纹识别更早地应用在了手机中，小米5s和乐视乐Max都采用了这种技术。但是这种技术的并没有令消费者满意：

对比小米5的指纹识别，5S的超声波指纹黑科技的确让手机正面更好看了一些，但是指纹识别体验可以说是大倒退啊。小米5的指纹识别速度很高，也就0.1秒到0.2秒左右，然后不管是识别成功还是失败，就会有反馈。

而5S的超声波指纹的识别速度就非常不稳定，有的时候0.5秒内就能成功解锁，有的时候手指放上去要等大概2秒才会解锁，更要命的是如果识别失败，至少也要等1秒多才会有反馈，而且有的时候根本就没有反馈。

这样在使用5S指纹解锁的时候，经常是手指放上去，等个2，3秒，发现没有反馈，就换个姿势再把手指放上去等着，直到成功解锁。

说实话，指纹识别率的高低倒是没有感到太大的差距，但是反馈速度的差距实在是太大了，而且经常会有识别失败却没有反馈的情况，导致整体的指纹解锁体验比小米5差了很多啊。 

可见，超声波技术并没有我们想象的那样成熟，因为声波为机械波，用MEMS器件制备机械波发射器，寿命和信赖性能否达到消费电子的需求是个很大的问题。且似乎必须要搭载高通的平台才可以使用，这恐怕对于一些非高通平台的产品来说有些尴尬。但是我们还是应当尊重超声波技术，他的穿透能力和抗干扰能力都是光学和电容式指纹识别无法比拟的。

指纹识别技术的未来

现在让笔者带着大家来谈谈未来，指纹识别技术应当如何去发展呢？这次在广州和IHS的朋友聊了很久，我们都认为，指纹识别技术会遵循Touch和显示屏结合的思路，从外挂，到半集成，最后走向全集成。

谈到指纹识别与面板技术集成，就不得不聊聊off-chip的指纹识别方案。chip，特指基于硅基wafer衬底的的芯片技术，但是读者们有没有想过，芯片并不是必须做在硅片上的呀！所以，基于非硅片衬底的芯片技术我们在这里归为off-chip技术。显然指纹识别技术要想与显示技术结合，就必须要把指纹识别的传感器制备在玻璃上，也就必须要采取off-chip技术了。

所以，JDI公司将他们在显示屏中使用的Pixel eyes技术的dpi提升，提出了基于玻璃基的Pixel eyes指纹识别技术。这也就不难想象，为什么JDI的Pixel eyes指纹识别技术一开始的产品定位是安防市场，而并非手机市场了。因为安防产品不需要移动，不需要跌落，不需要经常频繁使用。且不需要使用厚度较大的Coverlens盖板，用油墨或塑料膜之类的盖板保护就可以了。

JDI玻璃基透明指纹识别芯片参数

JDI玻璃基透明指纹识别芯片

芯智讯记者现场体验JDI玻璃基透明指纹识别芯片，

可以看到，得到的指纹图形还是非常清晰的

在日前的CITE2018展会上，JDI工作人员还向芯智讯透露，接下来计划将这种透明的玻璃基电容式指纹识别技术应用到智能手机领域。

笔者猜测，他们很可能通过提高Hybrid in-cell Touch的dpi到508以上的方式来制备，并且摒弃传统的玻璃盖板方案，将偏光片的硬度提高，以偏光片来充当盖板，这时的偏光片厚度在200微米左右，足以满足350微米的电容式指纹识别穿透能力。

除了JDI以外，off-chip方案的公司还有很多，比如挪威专利鲨鱼公司IDEX，他们的专利布局非常广，且一直热衷于收购专利，至于产品，并没有见到很多。

其实笔者认为，即使指纹识别芯片不与显示面板集成，off-chip也是非常有必要的。因为硅片很昂贵，但是玻璃和塑料、树脂却很便宜。且硅片的wafer尺寸有限，而塑料、树脂、玻璃的面积是无穷无尽的。这就意味着指纹识别的Sensor可以做得很大，Sensor做得大了以后，可以提取的指纹特征点就越多，这也就意味着指纹识别的安全级别就会越高。

笔者与IDEX公司沟通之时，恰逢他们有一款off-chip的产品在向华为送样，可后来却没有在市面上看到这款产品，不知道这种技术为何会不了了知，很可能可手机内部结构空间位置有限有关。这似乎也是JDI将off-chip的产品首先放到安防市场的原因——Sensor越大，安全级别越高。其实呢，IDEX一开始的off-chip指纹识别芯片的最初产品定位也是在智能IC卡上，并非手机产品中。

IDEX最初的产品设想——黑色的区域为塑料基板指纹识别芯片

还记得上文中我们说到的vivo APEX半个屏幕都支持指纹识别的做法吗？我想当你们知道off-chip的方案时，就不会觉得半个屏幕的指纹识别有什么难度了，如果可以的话，整个屏幕的指纹识别也是没有问题的。

现在，笔者了解到的是，vivo APEX的半屏指纹识别可能采取两种方案，第一种就是硅基的CMOS传感器阵列，一个CMOS面积太小，那我就多来几个嘛，CMOS的阵列能够对应满足半个屏幕的大小就可以了。另一种方式就是off-chip的方式，而这个off-chip的方案商，芯智讯此前就曾爆料过，它就是上海箩箕（OXI）。目前OXI的玻璃基光学指纹识别传感器已经在OXI的官网上宣传了，而OXI正是从天马的低温多晶硅背板中走出来的——显示技术的非显示应用。用低温多晶硅TFT制备玻璃基的CMOS光学传感器。

另外，需要指出的是，玻璃和硅之间存着一个微妙的灰色地带，这个地带属于硅片生态环境中的低工艺节点，却恰恰是玻璃基生态环境的高工艺节点。在这个灰色地带，硅片做起来不赚钱，而玻璃基做起来却能消耗产能。这样一来，玻璃基传感技术自然而然地就成为了硅片生态环境中低端产品的继承者。且玻璃的大面积优势又会带来单个传感器成本的降低。也就有了类似GOA，Full in-cell等一系列基于玻璃基的传感器应用，OXI就恰恰抓住了这个巧妙的灰色地带，开始了基于玻璃基的光学指纹识别芯片技术的研究。我们可以想象，只要玻璃基的工艺能力一直提升，是足够有能力继续分食硅生态环境中的应用，但我们还是要明确差距，毕竟硅片的工艺节点和玻璃的工艺节点要相差1000倍。

至于指纹识别功能的Full in-cell设计，笔者认为很难，因为Full in-cell的方案用电容式的做法显然无法实现，只能用光学的方案。与外挂的方式不同，外挂的光学指纹识别芯片无论是硅基CMOS，还是玻璃基CMOS，都不会与显示像素的制程集成在一起。如果采用Full in-cell的方式来设计光学式指纹识别芯片，则必须是off-chip的方式，而且是CMOS in Pixel的形式。这会存在如下几个问题，第一，光路的距离太短，无法形成有效的信号；第二，CMOS中的光电二极管分散在显示像素中，无法设计或难以设计透镜和镜头，无法对信号进行放大；第三，不会有上文中提到的小孔结构，不会出现小孔成像的信号放大效果；第四：CMOS靠近屏幕外部，环境光的干扰如何弥补？第五：即使我们在玻璃基上制备了光电二极管，那么产生的电信号如何导出到外围的驱动芯片中？在导出的过程中如何避免信号的丢失？种种这些都表明了这种技术的大胆与难度。目前只停留在专利申请阶段。

即便是苹果申请的屏内指纹识别技术，

也是归于Si wafer的技术，并没有提到off-chip的概念

我们聊了这么多指纹识别与显示屏集成的话题，其实归根结底，就是传感器与屏幕的集成，再具体一些就是传感器off-chip的设计能否与display Panel的工艺制程集成。再落地一些，就是玻璃基的传感器制程能力和外围驱动电路设计能力能否达到硅基生态环境的标准。