什么是屏下指纹技术?

 


当苹果发布了新款 iphone 的人脸识别解锁机制时,不少人认为传统的指纹识别方法很快就会被遗忘。此时,android 手机厂商正大力探索一项功能更先进的技术更新,将其作为生物识别技术的首选,标志着指纹传感技术的某种程度的回归


这种新机制被称为屏下指纹技术(fingerprint-on-display),也就是常说的FoD。较量一触即发,FoD 技术的诞生早就埋下了竞争的种子,旨在取代手机中其他生物识别方法,如虹膜识别和面部识别。


屏下指纹识别技术,也称为“隐形指纹技术”,是通过将指纹识别传感器放置于屏幕玻璃下方,从 而完成指纹识别解锁过程的新技术。相比传统的指纹识别,屏下指纹无须在手机正面设置额外的指纹识别窗,因而可以极大地提高手机的屏占比,带来震撼的视觉效果和极佳的使用体验。


屏下指纹技术有哪些?


目前常用的指纹识别方式分为四种:光学式超声波式电容式热感式,其中超声波和光学方案为主流的屏下指纹方案。


电容式指纹技术是一种利用指纹 sensor 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,借此可实现准确的指纹测定。电容式指纹技术成熟,成本低廉,但穿透力较弱。

 


光学指纹技术目前主要分为专门针对有机发光二极管(organic light emitting diode,OLED) 显示面板的屏下指纹模组和针对传统液晶面板(LCD)的屏下指纹模组。在 OLED 显示面板中,由于每个像素是否发光可以单独控制,理论上讲,可以将指纹模组置于任一像素下方,在指纹识别模式激活时,相应的像素发光,照亮位于面板玻璃上方的指纹,被指纹反射后的光线经过透镜准直,被位于发光像素下方的光学识别模组接收,转化成微弱的电流信号被识别,由于指纹存在脊和谷,其对应的光电流有所不同,通过识别该光电流就可以实现指纹识别。OLED 显示面板屏下指纹识别的好处在于可以将指纹置于任一像素下方,仅依靠某几个像素提供照明光,功耗较低。但是,由于屏下指纹识别模组和 OLED 显示面板成本都比较高,所以整体成本偏高。屏下光学指纹系统包含光学系统设计、图像传感器、算法三个部分。

 


超声波指纹技术是一种利用了超声波具有穿透材料的能力,所使用的超声波频率为 1×104 ~1×109Hz,能量被控制在对人体无损的程度。在进行指纹识别时,超声波传感器发射超声波,入射到手指上,由于指纹存在脊和谷,导致超声波传播路径长度不同,所以被指纹的脊和谷所反射的回波到达超声波接收器的时间就有所差异,分析处理这些差异就可以描绘出指纹图谱,因此抗污能力高。由于超声波传感器的尺寸很小,所以在屏下指纹识别领域具有广阔的应用前景。目前的超声波屏下指纹技术主要包括两种实现方式,第一种是将超声波传感器置于屏幕的非显示区域,例如手机的四个边框内部,通过多个传感器的协同工作识别指纹,另一种方式是将超声波传感器阵列直接置于手机屏幕下方,实现真正意义上的屏下指纹识别。另外,由于超声波具有比较强的穿透性,可以穿透金属、玻璃等常用手机材质,因此对手机外观方面也不会有太多限制,但成本较高

 


5G 时代,光学指纹重返战场

 


某项技术出现的早并不与“OUT”划等号,就像光学指纹一样,它的诞生早于其他几种指纹识别方案,但曾经的光学指纹识别由于其防伪度低、功耗大、识别精度较低、体积大等缺点,很快被电容屏赶超,促就了一段电容式指纹技术霸市的历史。


而今,5G 时代到来,各项相关也太也在悄悄改变。其中,5G 手机的三大“特色”与屏下光学指纹技术的发展息息相关。


“电老虎”:由于 5G 通信频段的固有特性, 5G 手机耗电量较 4G 而言高了不少,这对电池的容量提出了挑战,而在技术相当的条件下,容量越大,电池体积也就越大,同时由于 5G 手机功耗大导致散热成为行业热点,此时采用尺寸更小的元器件无疑至关重要,有效的利用内部结构则也变得愈发重要。


“天线阵列扩张”:5G 手机中除了主通信芯片用于访问运营商网络需要天线阵列外,手机还有 Wi-Fi 功能、蓝牙功能、GPS 功能、NFC 功能以及无线充电功能,都需要不同的天线。因此要在本来就已经很拥挤的手机里面塞进去这么多天线,就必须在其他项目的空间上有所牺牲;同时天线设计的变更对屏下指纹也对抗干扰性能提出了新的挑战。


“全面屏”:全面屏是用户良好体验的选择,越来越多的智能手机在向全面屏方向发展,细数今年发布的 5G 手机,各大厂商不约而同地选择了全面屏设计,因此必须省去原来 home 键的空间预留。


对比 5G 手机的三大特色,屏下光学指纹技术具有薄、可安装于屏下且不影响摄像头等特点,成为了新一代的宠儿。


其实,当初基于 Wire Bonding 技术的 COB 光学指纹模组体积并不小,并且功耗也相对较大。但随着技术的不断发展,CSM (chip-scalemodule)方案中 Flip-chip 方式的采用使得模组面积可缩减 50%,同时在 Z 轴方向上也实现了薄化,指纹模组小型化成为了可能。

 


为什么目前只有 OLED+屏下光学指纹?


LCD 屏幕厚度过高,透光性不好,传感器很难读取到指纹。再加上 LCD 不能主动发光,其背光光源会干扰光学指纹识别,所以现在还没有量产的 LCD 屏下指纹手机。对比 LCD 屏幕,OLED 更薄,透光性更好,系统可以控制屏幕每一个像素点的发光状态,可大幅减少干扰光源,所以无论是基于 CMOS 图像传感器的光学成像机制还是利用超声波技术的解决方案,目前只有 OLED 满足要求,也因此 OLED 成为了目前屏下指纹手机的首要选择。


LCD+屏下光学指纹今年有望技术突破


LCD 并没有被宣判死刑,LCD 屏下指纹的研发一直在进行中。


国内指纹识别厂商汇顶科技在 2019 半年报投资者交流会上表示 LCD 的屏下光学指纹产品正在紧锣密鼓的研发中,预计今年年内量产,与此同时,5G 手机的超薄屏下指纹方案也将进入规模量产。


同样的,京东方高管刘晓东在 MWC 分论坛 ——2019 全球显示精英峰会上也表示:全屏手机在折叠屏真正普及前将有较稳定的形态,京东方将于 2019 年底量产 LCD 屏下光学指纹传感方案,LCD 屏下指纹将成为未来两年的发展方向。


屏下指纹技术发展前景


随着手机厂商的大规模应用,屏下光学指纹识别在智能手机市场上的渗透率也会迅速攀升,其中又以屏下光学技术发展最具突破性。


IHS Markit 2019 年显示指纹技术和市场报告显示,今年 FOD 模块出货量将达到近 2 亿台,较 2018 年约 2900 万台的低基数增长近 580%,考虑到一些影响因素的变化,包括 FOD 模块的可用性和价格,对今年市场业态十分有利,2019 年的出货量可能高达 2.4 亿台。另外据 IHS Markit 预测,三星今年对 FoD 的需求可能达到 7000-8000 万台,而中国顶级品牌则需要 1.2-1.3 亿台。

 

     
来源:IHS Markit


国内外业态分析


2019 作为 5G 的元年,通讯业高速发展,各大手机厂商调整发展方向,进军 5G 领域。作为全球手机三巨头的三星、华为、苹果都对各自旗舰机种的指纹识别策略进行着重大变革,影响了全球指纹识别产业格局的分布,指纹识别模组厂商也因 FoD 技术的兴起,终于在“跌跌不休”的传统指纹模组市场中有了起色,进而促使这条产业链上的厂商重燃激情,积极布局下一代指纹识别技术的研发与量产。


指纹识别产业链主要分为芯片设计环节、芯片制造环节、封装环节、模组制造环节以及整机厂商。根据不同方式的屏下指纹识别技术分,光学式指纹技术的供应商主要有美国的 Synaptics、中国的 Goodix、中国台湾的 Egis Tech 和韩国的 CrucialTec;电容式指纹技术的供应商主要有美国的 Synaptics、中国的 Goodix、中国台湾的 Egis Tech 和韩国的 CrucialTec;超声波式指纹技术的供应商主要有美国的高通、韩国的三星、美国的 AuthenTec(被苹果公司收购)、瑞典的 FPC 以及中国的思立微。

 


光学式指纹识别技术产业链进行细分,大致归总如下: 


演算法晶片: Synopsys、FPC、三星、汇顶、思立微、阜时和神盾。 


Lens & 滤光片: 大立光、舜宇光学、玉晶光、关东辰美、水晶光电。

 
CMOS:SONY、三星、海力士、安森美、豪威科技。

 
模组封装: 欧菲科技、丘钛科技、信利国际。 


终端客户: 华为、OPPO、vivo、小米、三星。


下面用一张表格来介绍一下目前国内外的手机终端厂商在光学指纹方案供应商方面的选择,图表也验证了汇顶科技今年的业绩颇丰。

 


总结语


随着 5G 时代的到来,全面屏时代的开启,传统指纹识别方案中需要独立实体触摸区的设计将逐渐被替代,屏下指纹具有广阔的应用前景。


从应用的角度来看,屏下电容式指纹识别技术成熟,但是穿透力很差将逐步被替代,未来是属于光学指纹技术和超声波指纹技术的天地。光学屏下指纹和超声波屏下指纹是未来一段时间内屏下指纹识别的两种主要方式,各有优点和不足。


从屏下指纹芯片发展趋势来看,未来的屏下光学指纹识别势必会朝着操作方便、可靠性高、速度快、准确度高、自适应性好、体积更小,高度更薄的方向发展。


从产业链上的企业发展来看,谁能率先掌握突破性的技术并提升制造良率,谁就能在同质化严重的手机市场脱颖而出,占据市场有利地位。

 

 

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