手指里的黑科技 浅析手机指纹识别技术

曾几何时，指纹识别都是iPhone或Android顶配旗舰机的专利，谁又能想到如今哪怕是699的手机都用上这个技术呢？不过，都是指纹，它们背后的技术和原理还是有很大不同，全新的隐藏式指纹模块也已经箭在弦上。那么，未来的指纹识别又将是怎样的体验呢？

追溯指纹手机的历史

提起指纹识别，很多用户首先就会想到苹果在2013年推出的iPhone 5s。诚然，iPhone 5s的指纹识别体验在当时堪称完美，但它却并非第一款集成指纹识别功能的手机。

早在15年前（1998年），西门子就曾展示过集成指纹识别模块的原型机，采用Bromba公司的刮擦式（滑动式）指纹识别技术，可惜最终没能量产上市。2000年，法国品牌SAGEM推出了业内首款量产的指纹识别手机（图1），可惜当年的指纹并非用于加密，只是用于验证PIN码，成本高又没有意义，所以在随后的功能机时代就鲜有涉猎的品牌了（富士通算是对指纹情有独钟的品牌，在功能机时代推出过十余款带指纹的手机）。

步入智能机时代后，摩托罗拉旗下的Atrix 4G（国内又称MB860，2011年上市）成为了首款集成指纹模块的智能手机，它采用了来自AuthenTec的刮擦式指纹识别技术，并与电源键合二为一（图2）。可惜，当年的刮擦式指纹技术的体验和识别率都很差，再加上当时的Android系统也没针对指纹功能进行优化，所以这款手机并没有引起太大的波澜，真正让大家记住Atrix 4G的，还是其是业内首款搭载双核处理器的手机身份。

2013年上市的iPhone 5s，才算是真正定义和规范了指纹识别功能在智能手机领域的体验模式和功能上的发展方向：

在此之前的指纹识别技术都还停留在刮擦式，需要将手机缓慢地划过指纹模块，待传感器采集所有指纹信息后才能和系统内保存的完整指纹图像进行比对，从而完成解锁。速度慢不说，准确率也难以保证。

而iPhone 5s则首次引入了正面按压式的指纹识别技术，同时还将指纹功能与Touch ID有机结合，不仅可以用于开机解锁，还能用于替代支付密码（图3）。至此，指纹解锁、指纹加密、指纹支付，这三大功能就成为了指纹识别的三驾马车。

谁是幕后英雄

还记得MOTO Atrix 4G吗？给这款手机提供指纹识别技术的AuthenTec公司，在2012年正式发布了正面按压式的指纹识别技术，于是iPhone 5s就成为了第一个“吃螃蟹的手机”，结果大获成功。苹果为了保持技术的领先，直接将AuthenTec公司收购，绝了Android阵营的竞争对手们也使用AuthenTec按压式指纹技术的念想。

因此，虽然随后三星Galaxy S5、HTC One Max和vivo Xplay 3S等旗舰机也都引入了指纹识别技术，但它们却只能采用来自 Synaptics（原Validity，后被Synaptics收购）和瑞典的FingerPrintCard（FPC）公司旗下过时的刮擦式指纹识别技术，只是S5（ Synaptics方案）将刮擦式指纹模块放在了前面并与Home键合二为一（图4），而One Max（ Synaptics方案）和Xplay 3S（FPC方案）则将其放在了手机背面。

还好，在苹果的“技术垄断”维持了一年左右的时间后，FPC和国内的Goodix（汇顶）公司就先后打破了按压式指纹识别的技术壁垒。其中，华为Mate 7是FPC按压式指纹技术的客户代表，将其安置在了手机背面，并提出了“息屏解锁”概念（图5）。而魅族MX4 Pro则和Goodix联手，成为了第一款将按压式指纹模块和Home键结合的Android手机（图6），在体验上无限接近iPhone家族。

随后，Synaptics也推出了按压式指纹识别技术，并被当年的三星Galaxy S6家族所武装。可惜，当时Synaptics的按压式指纹技术还不够成熟，芯片表面无法覆盖蓝宝石且凸出于机身表面（图7），所以很容易被磨花影响识别效率。

截止目前为止，AuthenTec只为苹果所用，三星是Synaptics的主要客户，FPC网罗了除三星以外的绝大多数Android客户资源，而Goodix则相对小众（见表）。

谁在影响指纹识别率

如今几乎所有的新款智能手机都将指纹识别技术纳为标配，但不同品牌型号手机的指纹识别成功率却有高有低，有些手机哪怕手指沾水也能成功解锁（湿手解锁），有些却必须擦拭干净才能识别，这又是怎么回事呢？

电容式指纹方案

目前智能手机领域的指纹识别技术主要以电容式指纹方案以及射频式指纹方案为主。其中，电容式指纹方案的原理是利用硅晶元与导电的皮下电解液形成电场，通过指纹的山谷和山脊之间的凹凸来形成指纹图像（图8）。这个方案成本低，适用性强，只是对脏手或湿手指的识别率一般。

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电容式指纹方案的基本构成为保护层（蓝宝石玻璃、玻璃、陶瓷或者涂层）、金属环、指纹传感器等等（图9）。传感器和软件层面的算法将决定指纹识别的成功率；而保护层的作用是防止因划伤传感器导致灵敏度降低，现在公认最佳的保护层材料就是蓝宝石；至于金属环则是可有可无的存在了，曾经它的用途是检测手指和传递信号，但如今已经出现了无需金属环的指纹方案，而且不会影响到识别率。

射频式指纹方案

为了提升脏手或湿手下的识别成功率，射频式指纹方案就此出炉。它可细分为无线电波探测与超声波探测两种，而超声波探测则是时下的主流技术。简单来说，超声波Sense ID指纹识别是由高通主导的技术。它利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波，以及皮肤与空气对于声波阻抗的差异来区分指纹嵴与峪所在的位置实，实现指纹的采集与识别工作（图10），并提升湿手情况下识别的成功率（图11）。

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超声波指纹识别同样可以用于背部指纹设计

实际上，超声波指纹方案的优势不仅限于此。利用超声波的特性，这种指纹方案甚至不需要电容传感器或者按钮，可直接隐藏在多种材质表面之下，比如玻璃、塑料甚至金属。翻译过来，就是无需在手机的屏幕玻璃或机身上开孔！

隐藏式指纹时代来临

在指纹模块的位置之争中，正面指纹的设计正占据越来越大的优势。同时，正面指纹也正在从传统的实体按键（Home键可以按下，如iPhone 6s）向轻触式按键（如一加3、iPhone 7和OPPO R9s，Home键无法按下）的转型期。

这种转型的优势是无须担心实体按键的耗损和掉漆等问题，寿命更持久。轻触按键的设计也更能保证手机屏幕玻璃的整体性，可进一步提升颜值。特别是在射频式指纹方案（声波）的帮助下，可以让传感器完全隐藏于玻璃之内，让指纹模块和屏幕玻璃面板结合为一个整体。

作为超声波指纹识别技术的代表，小米5s就实现了指纹模块的“半隐藏”。它的Home键（指纹模块）和屏幕就是“连体设计”，没有任何开孔。但是，小米5s却在Home键“挖出”了一个凹槽（图12），官方的解释是为了方便用户定位，轻松找到Home键（指纹）对应的位置。

事实果真如此吗？

答案并没有这么简单。现阶段手机屏幕玻璃的厚度多在0.5mm左右，而超声波指纹识别技术的穿透量则约为0.3mm~0.4mm，小米5s“挖坑”的另一个目的就是保证声波穿透的余量和识别率。那么，如何才能真正做到无孔无坑的全隐藏式指纹模块设计呢？

现阶段有3个解决思路（图13）：

其一是将手机屏幕玻璃从内部掏个洞，然后将超声波指纹传感器塞进去，减小传感器与玻璃表面之间的距离；

其二是将整个传感器都集成进玻璃之中；

其三则是将传感器老老实实地放在玻璃之下。

显而易见，前两种需要对玻璃进行深加工，而手机屏幕玻璃本来就很薄，这种“手术”的成本和良品率很难保证。因此，采用第三种思路，并想办法提升传感器的穿透量即可。

好消息是，Synaptics最近就曝光了一款最新的光学指纹传感器FS9100，它最大的特色就是可透过1mm盖板玻璃进行扫描，而这个厚度别说是手机屏幕了，就连平板电脑的屏幕玻璃都不在话下。这意味着，应用该传感器的手机能真正做到不在屏幕挖坑和开孔就能获得完美的指纹识别效果（图14）。据悉，FS9100将于今年Q1出样，Q3量产，年底就能看到相关的手机产品了。

小结

有消息称苹果新iPhon可能会干掉Home键，直接将指纹识别模组集成在玻璃下方（图15）。可以预见，未来的智能手机都将逐渐过渡到这种隐藏式的指纹识别设计上。随着指纹识别技术的不断革新，相信在不远的将来，整块屏幕都能用于指纹识别（无需找到指纹识别的指定点）也将不是梦想。

新iPhone的概念图