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智能机指纹识别技术三分天下 江西欧迈斯为主要模组供货商

来源:今日头条

#欧菲光#

2021-12-20

随着近年的发展,指纹识别技术成为现在智能终端市场和移动支付市场中占有率最高的生物识别技术,眼下指纹识别技术凭借高识别率、短耗时等优势,被广泛地运用在门禁系统和考勤管理、智能手机、笔记本电脑、智能门锁等设备上。而疫情期间戴口罩成为了“日常”,为面部识别增加难度,更突出指纹识别的操作便捷。

自2018年后,智能手机大屏、全屏、薄机身等偏好风靡市场,手机指纹模块型态从前、后置按键型态逐渐往屏下指纹及侧边指纹型态渗透。随着国内OLED面板厂商生产能力的逐步提高,适用于OLED屏幕的光学式和超声波式屏下指纹识别的成本逐渐下降,屏下指纹的渗透率也进一步提升,根据CINNO数据,手机指纹的渗透率在2020年已经超过83%并持续升高,超过90%的OLED智能手机使用屏下指纹方案,俨然指纹已经是手机的标配。

电容、光学、超声波技术三分天下 分占低、中、高手机市场

目前主流的指纹识别技术可大致划分为电容式、光学式及超声波式三种。早期市场以光学式指纹为主,因为模块体积大所以多用在考勤应用,2013年苹果发布iphone5S导入电容指纹技术后,驱动OEM在2015年起在Android智能机快速导入电容指纹的功能如Huawei Mate7, OPPO R9, vivo X7, 2017年智能手机指纹的渗透率已经超过50%, 2017 iphoneX 发布后开启智能手机全面屏时代,驱动屏下指纹的渗透,中高端手机导入光学屏下指纹如Huawei P30, Honor Magic 2, Xiaomi Mix4,旗舰级手机导入超声波屏下指纹如三星S10, S20, Note20, Sharp Aquos R6, vivo iQoo8 pro,形成电容、光学、超声波技术分占低、中、高智能机市场的局面。

 图一 指纹技术发展历程及应用

电容式以硅片制成传感器技术成熟,曾经在智能手机领域普及率较高,但信号穿透能力有限,无法应用到屏下指纹识别领域。电容指纹其运用的原理就是平板电容器的电容公式。在传感器上有无数面积相同的小的电容器极板,电容充电后在传感器表面形成无数个小电容场,当手指贴上传感器,指纹的嵴下像素(电容量高)放电较慢,沟下像素(电容量低)放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持电路检测并转换成一个8位输出,形成原始指纹图像(如图二说明)。电容指纹方案主要供货商有FPC, Goodix, Egis, Silead。主要模组供应为OMS(欧迈斯微电子,欧菲光子公司)、邱钛、信利、紫文星、蓝思。

图二 电容指纹原理

光学指纹识别的应用很普遍,例如我们日常上下班的打卡机或门禁等,都采用了光学指纹识别技术,随着光学指纹小型化技术成熟,成为OLED全面屏屏下指纹主要解决方案,占据屏下指纹极高的占有率,其原理是利用了光的折射和反射。手指按压屏幕时,OLED屏幕发出光线将手指区域照亮,照亮指纹的反射光线透过屏幕像素的间隙返回到紧贴于屏下的传感器上。也就是说手指在内置光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图象(如图三说明)。基于光路设计需求,整体光学指纹模块厚度在2.5mm~3.0mm左右,有些方案商提供超薄的光学方案其厚度能达到0.3mm,但是价格为透镜光学模块的2.5~3倍,市场接受度并不高。

图三 光学指纹原理

光学指纹的痛点是会因OLED屏不可避免局部老化问题,使用一两年后识别率下降,而导致解锁的稳定性变差。另外反射光线是透过屏幕像素的间隙返回到屏下的传感器上,随着屏幕像素提高,透光间隙面积变小,反射光线被阻拦,难以回到屏下的传感器,会造成光学指纹图象严重变差。光学指纹方案商主要有Goodix, Egis, Silead。市场出货量超过300kk,主要模组供应为邱钛、OMS、信利。

超声波穿透力强,可穿透玻璃、金属、塑料、液体等各种材料,很适合传感器的应用,超声波指纹sensor技术有陶瓷传感器(ceramic)、硅片(silicon)传感器及TFT压电传感器三类。TFT压电传感器超薄的sensor 厚度(<0.15mm)满足移动装置轻、薄要求,目前已经大量出货技术较为成熟,且超声波特性不受屏幕像素影响,非常适用于手机屏下指纹方案。超声波指纹作用原理为当人的手指触碰到手机前置保护盖板玻璃的指纹解锁区,超声波指纹因压力变化,压电材料感受到压力后即释放微小电荷,然后形成电场变化,激活驱动IC后,驱动IC进行指挥压电材料发送物理机械振荡弦波,形成跟海底声纳相同效果,声波接触到指纹表面的纹路(纹脊/纹谷/汗孔),即反射回压电材料处,压电材料感受声波后,受到声波共振释放微电荷,而底部的玻璃基板(TFT)接收到电场的变化,即将电场变化图性化处理,形成指纹特症照片,并且因超声波发送与接收为不同时间段控制且有距离和深度的表征,所以形成独特的3D防伪功能(如图四说明)。

图四 超声波指纹原理

超声波技术更具安全性和应用性 OMS为主要模组供货商

指纹普遍应用在开机解锁及支付领域,因此除了快速识别体验外,如何确保指纹识别的安全性及防伪性也是一个重要的课题。电容式和光学式指纹识别技术都是在一个二维平面内,通过传感器检测手指表面的纹路信息,一般统称为2D 指纹检测与识别技术,在某些特定场景下,这类技术有可能被破解,例如采用打印的假手指就可以轻松破解光学指纹识别技术,存在较大的安全隐患。而超声波指纹识别技术既可以检测二维手指纹路信息,还可以穿过表皮层到手指内部的真皮层、血管等,获取真皮层生理信息,进行活体和 3D 指纹检测,因此被破解难度更大,用于个人身份识别更加安全。目前市场大量生产的超声波指纹方案以高通为主,出货量超过130kk,OMS为主要模组供货商。

根据CINNO数据,2020年中国智能手机的指纹方案占比,屏下指纹已经超过40%。由于侧边指纹使用体验不如屏下指纹,OEM持续提升导入屏下指纹渗透率,某些OEM的屏下指纹方案占比已经超过50%。而屏下指纹基本上必须搭配OLED屏使用,因此OLED的技术方向将影响屏下指纹的方案趋势。

智能手机面板要求轻薄及高画质,因此手机OLED的发展趋势基本在提高分辨率、改善功耗、提高色彩饱和度、及降低成本等方向,高阶OLED往高分辨率发展(2K、4K、8K) ,更高的pixel值意味着OLED屏的光线透过率将越低,造成屏下光学指纹影像辨识率会大幅度下降,严重影响指纹识别的方便性和安全性。 在OLED能耗改善方向上,各家OLED厂推出各自的解决方案如OCP(On Cell Polarizers) 和 COE(Color On Encapsulation),这是一种无偏光片OLED显示器技术,这种OLED屏对于亮度及色彩饱和度(NTSC)都能进一步提升,因而达到降低功耗的效果。省去偏光片降低OLED厚度也降低成本,因此去偏光片技术被视为未来OLED的重要发展趋势。以COE技术结构的显示屏说明如图五,在AMOLED完成薄膜封装之后,再经过Color Filter制程,在R/G/B像素上对应沉积R/G/B彩膜,这些彩膜通过黑矩阵(BM)间隔开来,使得原来透光的面板成为完全不透光的特性,因此OLED屏下的光学指纹无法利用反射光截取用户的指纹(图六),同时光学指纹在折迭屏上使用也会发生错位问题,而超声波屏下指纹不受OLED屏光线透过率降低及折迭屏应力拉扯的影响,因此我们认为随着OLED屏的进化,未来超声波屏下指纹的市占率将进一步提升。

图五 COE典型结构

图六 COE屏阻断入射光,使得屏下光学指纹无法正常运作

图七 去除偏光片大幅降低OLED屏幕厚度

自从2013年苹果发布指纹手机以来,指纹的使用型态一直围绕着解锁的功能,受限电容指纹及光学指纹技术因素,手机指纹使用场景并没有多大的突破。TFT压电超声波技术因为高穿透性能力及大面积sensor 设计,将全面提升指纹性能、安全及扩增使用场景:

1)超声波可穿透液体,因此无畏湿手指,甚至水中指纹解锁。

2)防伪功能,超声波技术可以穿透手指皮肤表面,最远可到骨头区,利用这种技术可以辨别真假手指。

3)心率测试功能,超声波能感测手指血管的胀缩信号,通过检测这种胀缩信号就可以检测心率等生物特征状况。

4)支持笔写感测,超声波大面积指纹模组可以感应笔杆书写的压力,从而带来压力感测的反馈,可实现在特定区域进行笔杆书写签名功能。

目前已经量产的超声波指纹传感器大小有4x9mm、8x8mm、20x30mm,因为TFT 基板成本远低于硅片,所以大面积TFT超声波指纹传感器将具有相当高的性价比。

目前行业普及的指纹技术还是电容式、光学式及超声波式三分天下的局面。指纹在智能机的渗透持续升高,笔电指纹的渗透率35%也持续创高,在IOT领域智能锁的渗透也快速提升至超过80%。近年来虽然人脸识别技术也快速发展抢占生物识别应用领域,但是并没有因此降低指纹识别在行业的渗透率及普及化,为了满足消费者多样化的需求,相信指纹识别的应用将在行业上持续扩展下去。

责编: 爱集微

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