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辨识技术落伍了?全板萤幕也能指纹辨识
超音波指纹辨识解决方案

【作者: 葉奕緯】2018年01月23日 星期二

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2017年11月苹果公司推出的iPhone X,其中,最引发民众热议、媒体争先报导的首推「脸部辨识解锁技术」,苹果也因此取消了Home键设计,实现满板萤幕,与脸部解锁相对应的指纹解锁却消失在苹果手机上,难道指纹解锁已经过时了吗?


传统上的指纹解锁,多是使用垂直感测的电容式技术,如苹果的Touch ID,然而受限於穿透能力的限制(目前电容式技术约只能穿透300到350μm左右的厚度),多家业者如高通(Qualcomm)和Fingerprint Cards(FPC)也开始研发「指纹超音波传感技术」(Fingerprints’ ultrasonic sensing technology),而台湾的指纹辨识晶片大厂神盾(Egis)积极研发「光学式指纹辨识晶片」也在第三季送样,预计2018年开始供货给三星旗舰机种。


以高通Snapdragon Sense ID指纹超音波辨识技术来说,它可以直接嵌入在玻璃或金属底下,并在显示面板上的任何位置捕捉指纹,因此也不需要按钮(HOME键)辨识指纹,正面玻璃从此无须开孔,大大增加手机外观的一致性。


当前的测试中,高通的技术是少数可以在AMOLED及LCD面板上使用的屏内指纹(in-display)技术,即使是在手指潮湿的情况下,也能够正常使用,今年6月在上海群雄集聚的世界移动大会(MWC Shanghai)上,中国手机大厂Vivo在展示机Xplay 6的面板中,加装高通所研发的第二代超音波指纹辨识方案,艳惊四方,并提供民众实体测试,现场还备有专用水缸,以供测试水下的指纹解锁技术。



图1 : 新型指纹辨识可以应用於OLED/LCD面板上。(source:FPC)
图1 : 新型指纹辨识可以应用於OLED/LCD面板上。(source:FPC)

除此之外,高通的超音波指纹辨识技术还可以运用在各种材料(包括金属)上,其中一项测试结果显示,厚玻璃也能够正常感应,新一代的超音波指纹辨识模组得以穿透厚度达800μm的保护玻璃,或者是厚度达650μm的铝板,Vivo手机甚至能用超音波的穿透能力来侦测血流与心跳。


高通的指纹辨识技术是有能力感测到手指指纹的表皮层、真皮层,能够防止橡胶手套做假,抗污、抗汗、防尘干扰的能力更强,前景备受看好。虽然Vivo在世界移动大会上已向民众展示高通超音波辨识技术的应用,然而当前的成本高於电容式模组的3到5倍,未来具体发布的时程也仍未公布。


生物辨识技术成为兵家必争地

生物辨识技术一直是全球手机大厂争相研发,奠定主场的新兴领域,其中包括指纹、虹膜、脸部、声音等不同类型,自从2013年苹果iPhone 5s率先采用电容式的指纹辨识,并结合了手机开锁、电子付款、身分确认等功能应用,才开始在智慧型手机上引发热议,各大手机品牌大厂也随之跟进,如今,多项品牌旗舰机也已经导入指纹辨识系统。


研发初期因为成本过高,并非每一家手机品牌商都有机会跟进,一直到2015年Android 5.0才内建原生指纹辨识,在指纹模组的价格降低後(近两年下跌近50%),使用渗透率才大幅提升。


为了因应手机品牌商的需求,上游的IC设计商也积极抢食大饼,除了早期的新思(Synopsys)、Fingerprint Cards(FPC),还有台湾厂商神盾、义隆、敦泰,大陆厂商汇顶、思立微,以及实力雄厚的全球手机晶片龙头高通。


为了做出产品区隔,各家品牌商的按键设计不一,有人设置在HOME键,有人设置在手机背面,或是侧边位置,然而做法都难以两全。


Home键的设计,会占用一部分的萤幕空间;然而移到手机背部,使用的便利性就会稍差,也缺乏直觉;移到侧面与电源按钮结合,则会让边框厚度增加,因此,各家手机品牌商都在努力寻求最隹解方。


如今,三星、苹果两大品牌争相研发的成果━━超音波式指纹辨识,是最有可能让指纹辨识功能隐藏在手机面板之下的技术。


可惜的是,此一技术仍不成熟,原本有意率先导入的三星S8,因为测试结果显示的客户体验性不高,而未即时采用,而苹果的iPhone X则直接转往脸部辨识发展。


然而脸部的成本高,便利性也存有疑虑,因此许多晶片厂仍持续研发指纹辨识技术。目前第一阶段的超音波指纹辨识将隐身於手机萤幕上的特定位置,第二阶段才有机会让客户在手机上的任何位置即时辨识。



图2 : 感测指纹的能力也大幅提升。(source:FPC)
图2 : 感测指纹的能力也大幅提升。(source:FPC)

当前的触控解锁竞赛中,电容式技术已届成熟,神盾、新思等既有指纹辨识晶片供应商,正转而研发光学式取像技术(Optical Imaging or Optical Sensing),而高通则直攻超音波技术,若高通方案被品牌商接受,将会极大地排挤神盾、敦泰、义隆等台湾厂商。


业界指出,神盾明年仅可能接获三星旗舰机种中,传统电容式指纹辨识晶片订单,光学式指纹辨识晶片恐怕是由进度较快的新思拿到三星订单。法人则表示,iPhone X在11月的热卖,恐怕将带起脸部辨识的风潮,若是手机品牌商群起跟风,则会降低其他形态指纹辨识的采用意愿,如在苹果发布会後,神盾的股价便应声下跌,从306.5元下滑至240.5元,跌幅高达21%。


整合面板的内嵌式技术

未来的萤幕辨识趋势,也有朝向内嵌式触控(Embedded Touch)前进的呼声,让萤幕面板不仅仅只有显示功能,还能增加互动能力,将指纹模组的元件整合进面板上,降低手机内部的空间。


近年来,面板的功能性也大幅提升,从长方形的面板,提升到曲面萤幕,甚至是高占比化(Screen-to-body)的无边框,加强了视觉体验。此外,手机的功能键也渐渐地融入萤幕面板,相关指纹感测器也从矽晶片(电容式技术以8寸晶圆为主)转为面板的薄膜电晶体(TFT),转由软体来设定萤幕上的感测区,安全性也大幅提升。


高通的超音波式指纹辨识,是以压电材料PVDF(Poly-vinylidene Fluoride)作为发射端(Tx)与接收端(Rx),接收端布以TFT线路、汇流至後端的特定应用积体电路(ASIC)转成指纹影像判读;作为指纹感测器接收端线路的TFT,将取代昂贵的矽晶圆线路,期中合作的项目与鸿海相关。目前的光学式、电容式都是应用在光源之上,但超音波式则可以应用於光源之下。


虽然苹果发表iPhone X後,引起面板厂一片风声鹤唳,尤其是以指纹辨识研发为主的厂商,更是担??未来趋势是否将以脸部辨识为主,尤其在电容式技术已发展成熟,却受限於穿透能力不隹,而光学式、超音波式指纹解锁技术还尚未普及问世之际,前路十分渺茫。


现在正时值重新定义供应链与生态圈的世代,各大面板纷纷以使用者体验为最高宗旨,并积极较劲创新,对於消费大众来说,未必不是一件好事,同时对蓄力已久的台厂来说,也是接受全球化市场的一次检验机会,2018年即将看出哪家厂牌的的眼光独到且精准。


*刊头图(source:Mashable)


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