一文看懂指纹识别的未来发展

2019-07-16 10:57:40 来源:半导体行业观察
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自从2013年苹果在iPhone 5s之Home键中导入Touch ID指纹识别技术后,电容式指纹识别开始蓬勃发展。更加速了手机上相关生物识别开发的热潮,如2D脸部影像识别、虹膜识别(须按键启动后,注视特定区域)等。但前述方案除了电容式指纹识别之速度、安全性与稳定度较高,其余方案皆无法达到替代指纹识别之水准。

 

直至2017年iPhone X推出自行开发之3D结构光,马上让生物识别主角由手指转移至脸部,但3D脸部识别由于模组成本昂贵且演算法技术门槛高,仅少数品牌于最高阶手机采用。

 

目前智能手机市场,生物识别以指纹识别与3D脸部识别为2大主流技术,其中指纹识别市场产值2018年规模约12.4亿美元,预估2018~2023年之CAGR为3.0%。相较传统开孔式电容方案,光学与超音波屏幕下指纹识别(Fingerprint on Display,简称FoD)应用于手机屏幕下,可促成更高屏占比。

 

 

在Android阵营追逐全屏幕趋势下,中国大陆品牌华为、小米、VIVO等导入动作积极,且据传供应商神盾以2.5美元超低价抢市,2019年光学式指纹识别成长空间大。全球单一出货量最大之业者三星则优先在S10与S10+旗舰机导入高通超音波指纹识别技术。2019年下半年售价更高之Note 10亦有机会搭载,故2019年FoD模组预估出货量可达2.03亿个,2019~2023年之CAGR为35.4%。

 

目前光学式指纹识别以汇顶之解决方案为主流,中国大陆品牌业者2018年开始积极于新旗舰产品上采用如VIVO NEX/X21、华为Mate 20、小米8、OPPO R17等。

 

2019年不仅中国大陆4大品牌高阶机种持续使用,三星亦于中阶机种A50、A70、A80首次引入光学式指纹识别。台湾业者神盾切入三星A系列手机光学式FoD供应链,将打破汇顶垄断之光学式FoD市场,加速价格竞争与提升整体市场渗透率。

 

光学式模组位于OLED面板下方,其硬体结构为镜头、感测器(CMOS/TFT)的组合,因不必紧密贴合面板,可较前一代大幅减少成本。此设计转变也是光学式指纹识别受到手机品牌积极采用之原因,但缺点仍为用户需大力下压,才会开始点亮屏幕并执行识别工作,识别速度较慢。OLED因本身材质问题,长期下来在识别区域可能会有烙印问题。

 

全球智能手机指纹识别模组2018-2023年出货量(资料来源:资策会MIC,2019年4月)

 

高通超音波指纹识别方案最早搭载于2016年小米5S(置于下巴处采无开孔按键),2018年华为荣耀10亦为置于玻璃下之无开孔按键。但前述机型并未经超音波方案创造更高屏占比,故产品诉求与电容式差异不大。目前手机品牌采用者仍不多,仅三星于2019 MWC发表之旗舰S10及S10+采用,并舍弃使用上不甚方便之虹膜识别。

 

2018年12月Snapdragon Technology Summit,高通所发表之855芯片组除效能提升及支援5G基频芯片外,更引人注意的是Qualcomm 3D Sonic Sensor。Snapdragon芯片组从RF到屏幕下指纹识别技术,经水平整合越来越多功能,提升附加价值。因855产品定位且模组成本仍高,故短期目标将以旗舰机种为主。未来3D Sonic Sensor若下放至7或6系列,将有机会冲击光学式指纹识别市场,其硬体架构为在软性OLED面板下置入一个TFT的超音波感测器,讯号透过FPCB传输至ASIC进行处理,最后再传输至SDM 855。

 

主要优势为识别速度较光学快且超音波不受水渍、油污影响识别过程,其所生成之3D感测模型精准度与安全性较光学式2D影像更佳。另可侦测手指血流防止有心人士透过图片或假模型诈骗感测器。此外,高通表示OEM可透过超音波研发健康方面应用,如心律监控、血糖分析、BMI量测,但尚未见到实际案例。目前其缺点为相容面板仅限软性OLED且价格仍高出光学与电容式模组不少,故现阶段仅三星旗舰机种搭载。

 

因为感应器采用TFT非CMOS,故感应面积可扩展性高。据传高通将于2019年H2将会推出尺寸更大的模组(最大约40 x 60mm),约占6吋手机屏幕面积之23.5%。面积加大对超音波方案是重要课题,因本身无须依赖屏幕上之发光导引指标,这将有利使用者盲眼屏幕解锁(如从口袋中取出时)。

 

尽管Synaptics于2017年发表了屏幕下光学指纹识别后,但终端手机品牌并无采用,故指纹识别产品仍以电容式为主,未来将积极扩大于车用与PC市场地位。2019年蓝天电脑导入Synaptics SecurePad Gamma光学指纹识别模组至Clevo P970、P960、PB70、PB50笔电之触控板选配规格。

 

另一大厂Fingerprint Cards(FPC)约90%营收依赖智能手机产品,2019年1月已完成光学式指纹识别demo,近期将切入屏幕下光学指纹识别市场并提供大尺寸识别区域(2 x 2 cm ~ 3 x 3 cm)。信用卡、智能门锁、行李箱等生活应用产品目前虽仅占营收10%,FPC仍积极开拓市场,将其虹膜结合脸部识别技术(2017年FPC以106百万美元并购Delta ID所取得)与北美后照镜业者Gentex合作试图切入车用市场。但驾驶须多执行一个注视后照镜动作(内建IR镜头),且成本上相较指纹识别是否存优势,有待观察。

 

现代汽车于2018年广州车展展示2019 Santa Fe时即搭载2个指纹识别,分别位于车门、启动按钮。未来使用者除可快速开启车门,还可记录每个人之方向盘与椅子高度,让汽车从传统钥匙知道有人靠近进化成知道谁进入与操驾,创造更多应用空间(如共享租赁、客制保险费率、肇事责任厘清)。且指纹识别模组占整体车之售价极低,车厂导入上阻碍相对较低。但安装车外指纹识别易受到气候影响,须强化防水、防尘能力,而这是过往在手机、NB所未曾遭遇之情形。以2018年全球汽车销量约9,000万台,每部车搭载2个模组推算,潜在市场至少约3.6亿美元。

 

不论是高通超音波或汇顶光学指纹识别方案皆仰赖OLED,而其OLED面板的高价限制了FoD往中低阶手机市场之拓展性。2019年智能手机之指纹渗透率已达近87%,尚未搭载者仅剩13%,接近整体市场天花板。而2019年搭载LCD面板手机仍约占总体市场之大多数(约65%),8.12亿支LCD手机若全部改成FoD设计,每年约可创造24亿美元的新增市场规模(假设每个FoD模组要价3美元)。

 

因此,未来FoD如何扩展至LCD为打开新市场之钥匙。高通超音波方案的专利文件中除OLED外,亦将LCD面板纳入申请范围。可见其并未忽略此潜在市场。由文件中可察觉其感测器,位于面板TFT基板之下,故穿透深度高。

 

2019年1月小米主席林斌于微博展示巨大指纹解锁区域(25mm x 50.2mm)之文章引起网友热烈讨论,同时间VIVO Apex 2原型机内建全屏幕下指纹解锁,而OPPO在中国大陆的技术发表会上光域指纹识别区域为传统之15倍。前述业者均放大光学识别范围,优势为不需于屏幕上标示手指按压位子,有利消费者快速解锁与解决OLED同一区域重复高亮度显示之烙印问题。推测与中国大陆业者合作密切之汇顶已有大面积TFT感测技术布局。

 

高通在2019年MWC上透过三星S10推出超音波指纹识别,且预计在2019下半年释出面积更大的模组。FPC CEO在2018Q4法说会中表示2019年除单点产品(1 x 1 cm)外亦会推出2 x 2或3 x 3 cm之光学识别方案,做为市场后进者FPC光学识别模组更薄、画面解析度更高。

 

Synaptics技术发展重心已转移至IoT装置之语音识别芯片而非指纹识别,前述SecurePad Gamma PC用光学FoD为其与上海箩箕(Oxi Technology)技术合作之产物。

 

LCD大厂JDI于2018年12月开始量产基于LTPS之电容式指纹识别,其材质为可透光之玻璃,首先应用于智能门锁。由JDI所申请之屏幕下指纹识别专利可发现半透明电容感测层位处于cover glass与面板之间,尚无法得知若应用于手机时是否会影响影像清晰度。中国大陆面板龙头BOE亦自行研发OLED电容式指纹识别,专利文件显示感测层位于薄膜与基板之间,与JDI之策略存在些许不同,但可解决OLED烙印问题并降低对供应商之依赖。

 

另外,2019年3月群创光电与指纹识别业者速博思策略合作,让原本生产3.5代TFT-LCD面板厂,供应电容式指纹机感测模组,瞄准印度市场,显示玻璃基板之低成本与可扩大性优势受到越来越多IC厂商采用。由前述面板厂动向,说明其有意切入指纹识别市场做垂直整合,提升面板之附加价值。

 
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