全屏幕都能识别:超声波指纹识别解决方案

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，实现满板屏幕，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，然而受限于穿透能力的限制(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)，而台湾的指纹辨识芯片大厂神盾(Egis)积极研发「 光学式指纹辨识芯片」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于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块得以穿透厚度达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，然而当前的成本高于电容式模块的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， 才开始在智能型手机上引发热议，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，在指纹模块的价格降低后(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芯片龙头高通。

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，会占用一部分的屏幕空间；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佳解方。

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，而未实时采用，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，因此许多芯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于手机屏幕上的特定位置，第二阶段才有机会让客户在手机上的任何位置实时辨识。



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芯片供货商，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芯片订单，光学式指纹辨识芯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，如在苹果发布会后，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

未来的屏幕辨识趋势，也有朝向内嵌式触控(Embedded Touch)前进的呼声，让屏幕面板不仅仅只有显示功能，还能增加互动能力，将指纹模块的组件整合进面板上，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，提升到曲面屏幕，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屏幕面板，相关指纹传感器也从硅芯片(电容式技术以8吋晶圆为主)转为面板的薄膜晶体管(TFT)，转由软件来设定屏幕上的感测区，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、汇流至后端的特定应用集成电路(ASIC)转成指纹影像判读 ；作为指纹传感器接收端线路的TFT，将取代昂贵的硅晶圆线路，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于光源之下。

虽然苹果发表iPhone X后，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，更是担忧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，却受限于穿透能力不佳，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，各大面板纷纷以用户体验为最高宗旨，并积极较劲创新，对于消费大众来说，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。