隐藏式指纹离我们到底有多远?

作者:邓邓大人

自从 98 年西门子展示了带指纹识别的手机后,指纹识别并没有沉寂,而是经过了十几年的不断发展,在 iPhone5s 之后掀起一股指纹风,引来了手机指纹识别的元年。

指纹识别集成在手机上的形式无外乎就是这几种:后置和前置,还有侧边等等。


大家挖空心思的结果只有一个,就是让指纹识别在手机上做到优雅美观大方,而且又方便使用。

几年过去了,在体验上貌似没有人打破和超越过 Touch ID。实际上,经过指纹大爆发之后,衍生出来的商机令各大指纹技术公司更热衷开发新技术。他们不断地向外界展示自家的新技术,也开始尝试指纹识别的新可能——隐藏式指纹。


可隐藏式指纹技术公司


2014 年 9 月

汇顶是世界上第一个提出隐藏式指纹识别方案的厂家,叫做 IFS 指识别与触控一体化技术(Invisible Fingerprint Sensor)。然而两年快过去了,并没有引来手机厂家的青睐,仅在 2016 国际消费电子展(CES)上收获两项嵌入式技术创新大奖。


2015 年 7 月

挪威 IDEX 也是一家老牌生物识别技术公司,它几乎不生产指纹芯片,但是拥有浑厚的专利技术,更多是通过技术授权来获利,甚至连苹果都跟它有一些指纹方面交叉专利许可。IDEX 开发出玻璃指纹技术,可以将指纹芯片做进玻璃中。


2015 年 11 月

Synaptics 在触控芯片领域一直是霸主般的存在,嗅到指纹商机时果断收购了 Validity 并致力于 Natural ID 指纹识别技术。三星手机一直采用他家的指纹芯片,他不仅有芯片设计能力,还能进行封装等一条龙服务。Synaptics 仅仅只是宣布可实现隐藏式指纹,并没有实体东西。但是一想到他家的指纹表面还是涂层,前不久才搞定玻璃覆盖,要想实现隐藏式指纹,需要花费的时间估计有点长。


2016 年 2 月

这几年在指纹识别领域可谓一帆风顺,销量猛增,联合从事玻璃面板和层压技术的 TPK,成功地将 FPC1268 指纹传感器跟面板玻璃结合在一起。并发布了工程机视频,演示了这项技术。


2016 年 5 月

LG 子公司 Innotek 向外界展示其融合了指纹功能的玻璃面板,但是 Innotek 之前并没有做过指纹芯片,也没有手机采用,对于他家的隐藏式指纹我持观望态度。

看完这几家的方案,我们现在来细聊一下他们所说的隐藏式指纹识别到底有何特别之处?


指纹模组拆解分析


我们先来了解一下现有的指纹模组,从图中可以看到,一个指纹识别模组包括:保护层(蓝宝石玻璃、玻璃、陶瓷或者涂层)、金属检测(装饰)环、指纹 Sensor、按键开关(后置或有一些前置没有按键开关)。


剔除掉开关和装饰环后,就是一个纯粹的指纹模组,就如上面拆解图的中间那部分。

例如手机中后置的指纹,也就只有一个指纹 Sensor 和保护层,这两个部分就可以组成一个指纹识别装置。


通过进一步的拆解可以看到,苹果的 Touch ID 指纹芯片贴合在蓝宝石玻璃上面,实际上指纹芯片的面积是一个厂为 6.4mm 的正方形,表面的蓝宝石玻璃直径为 9.6mm 的圆,指纹芯片厚度为 0.2mm,而蓝宝石玻璃的厚度则为 0.3mm 左右(去掉丝印后应该是 0.28mm)。

我又拆解了两个指纹模组,指纹保护层的厚度分别为(MX4 Pro)0.27mm 和(PRO 6)0.2mm。因为玻璃的介电常数没有蓝宝石那么高,所以同样做盖板保护,需要比蓝宝石更薄。

从拆解中基本上可以得到这样一个观点:现在主流的指纹芯片的信号能穿透 0.3mm 厚的蓝宝石和 0.2mm 厚的玻璃。既然这样,把手机屏幕的面板玻璃做薄到 0.2mm 后,再把指纹 Sensor 贴在下面,行不行?

其实可行,上面说的几家隐藏式指纹的解决方案,其实就是将保护层的玻璃换成手机屏幕的保护玻璃,然后把指纹 Sensor 贴在玻璃下面,引出一根排线跟手机相连。

问题来了,手机的保护玻璃目前见过最薄的是 0.4mm 厚,再薄的话就起不到保护性作用,所以把手机的玻璃做到 0.2mm 薄那样子是不现实了,怎么办?

三种隐藏式指纹识别技术细节


所以,在这几家出了隐藏式指纹方案的厂家中,分别用了图中的三种方案。

**第一种是将指纹 Sensor 置于整个手机玻璃面板下面。**

**第二种则将玻璃面板掏个洞至 0.2-0.3mm 厚,然后将 Sensor 装进去。**

**第三种更是将 Sensor 融合进玻璃之中。**


值得注意的是,目前这些隐藏式指纹方案,都只是将保护玻璃下巴的 Home 键位置由原来需要开孔变成无孔,识别的区域还是原来的 Home 键区域,严格意义上应该叫做无按钮指纹识别。

例如汇顶这种最早搞的使用的是第一种方案,面板玻璃不需要开洞,考验的是指纹 Sensor 的性能和算法。提高芯片的性能后具有更高的信噪比,可以穿透更厚的玻璃,但是穿透 0.3mm 以上的玻璃还需要搭配更先进的算法,但是最终识别精度怎么样,无从得知。

还需要面临一个问题,对于手机 2D 玻璃时代,薄一点的可以做到 0.4mm,现在 2.5D 玻璃已经成为标配,厚度达到 0.7--0.8mm 了,汇顶如果还是用以前的方案估计行不通。

看样子,把指纹芯片放在玻璃后面貌似行不现实,后来的 FPC 和 LG 就选择了一个相对靠谱的方案,在玻璃种掏一个凹槽,使之最薄的地方仅为 0.2--0.3mm 厚,这个厚度跟现有的指纹玻璃的厚度基本一致,信号和识别精度上可以得到保证。

然而,IDEX 明显是不走寻常路,它凭借自己在专利方面的积累,直接把指纹 Sensor 做进了玻璃中,不是掏洞,而是完全无缝融合。


我现在想想都觉得概念性太强,既然 Sensor 最薄可以做到 0.2mm,做进一块厚度为 0.7mm 的玻璃中理论上可行,但是如何把它完好无损地封装进玻璃里,非常困难,IDEX 也并没有展示成品,估计还是专利申请和概念阶段。

这三种隐藏式指纹解决方案,我觉得切实可行的是 FPC 和 LG 选择的第二种,在玻璃种开个凹槽,把指纹填补进去。


隐藏式指纹面临的几个问题


即使要这种方案,仍需面临几个问题。

**玻璃品质要求更高**


做指纹保护盖板的玻璃跟手机屏幕上的保护玻璃还是有差别,指纹上的玻璃需要介电常数更高,品质要求更高,从以前指纹模组大小的玻璃到现在整个手机玻璃都要达到这种要求,一般玻璃做不到。还有玻璃面板开凹槽,精度不低。总结起来就是工艺和品质都要高很多,直接导致的结果就是成本大幅上升。

**可靠性**

玻璃上面开了一个凹槽,厚度只有 0.2-0.3mm,这本身就很脆弱,还会降低整块玻璃的强度,无论是跌落还是日常使用的可靠性都有所降低。

**更复杂的供应链**

隐藏式指纹很重要的一部分就是玻璃,有需要最上游的玻璃供应商康宁、AGC、肖特的特殊支持,还有玻璃的加工方来加工,再到把指纹芯片组装进玻璃里面的封装,相比之前要复杂多了。


说到这里,我想大家也明白了。

大家以为的隐藏式指纹是可以按屏幕中任意位置可解锁,可事实上目前几大主流的指纹厂家提出的方案仅仅只是在原来需要开孔的地方不开孔,指纹模组并没有质的提升。

相比现在开洞的按键的方案,隐藏式做到了手机正面无按键一体,外观更漂亮了,也符合科技对隐形的追求,体验会如何呢?


面板一体 VS 实体按键


想象一下,把现有的 Home 键做成了跟面板一体,玻璃下面是一个指纹识别模块。以前手机解锁的时候是一个按下 Home 按键的动作的同时,指纹 Sensor 顺势工作识别成功亮屏解锁。

而现在换成隐藏式的指纹,指纹需要整体待命,用手指往玻璃上一模,手机解锁。但是没有了按键反馈和手指用力按的这种感觉,也就好比那些把指纹做在正面,却阉割掉了物理按键功能一样。


这种简洁的做法换来了外观上的一体感却失去了按压时的物理手感。同时,在成本和体验还有可靠性上面相比现有的前置按键指纹,并没有优势。像指纹识别这种功能性驱动的技术,首要条件是先做到好用,好用的同时再追求好看。

那么,有厂商愿意花更多的钱去做一件起来很酷,但体验并没有革命性变化的事情呢?

我并不是不看好隐藏式指纹的前景,只是我们应该认清楚现有技术的局限性。当然,应该为这些在不断探索隐藏式指纹识别技术的公司喝彩,他们在技术上的你争我赶才会有更快的技术革新。他们做的也许只是技术层面,但是如何将技术艺术化般融合进手机的设计里面,还差一个手机厂商来带头,整合一个完善供应链,让技术普惠。


几点展望


希望未来一两年,有手机厂商尝试采用玻璃开凹槽的隐藏式指纹,哪怕体验没有现有的好,但是这个举动是指纹技术公司的希望所在。

未来三年,苹果做出可隐藏式的指纹,代替现有的实体 Home 键,并加入 Force Touch 功能,跟 taptic engine 协作,模拟出真实的按键反馈(参照 Mac 的触控板)以弥补隐藏式指纹在体验上的不足。

未来五年,超声波指纹能够做出全屏幕的指纹触控方案。

未来八年,迎来真正的全屏幕隐藏式指纹识别普及。

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PS:看完全篇,可能有人会问,为什么没有提到超声波指纹。

是的,超声波指纹的技术跟现在普遍的电容式识别的指纹技术不一样,在手机上的研究也远远晚于电容式,可以看到的新闻,都是高通一个人在强行吹。可实际上几年过去了我才在前不久一款新出的手机上体验了超声波指纹,样子跟现有的后置指纹并无二致,而实际用下来的效果只能用糟糕两个字形容,跟三年前的电容式相比都没有优势。

所以,超声波是一个被新闻美化得很好的一项技术,原理上是更好做全屏幕的指纹识别,但是这是个看结果的社会,有本事就亮出来,所以还是就把它列在未来八年里面吧。

欢迎探讨,如有疏漏,多多包涵。

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