超薄屏下光學(xué)指紋技術(shù)成助燃5G新動(dòng)力

什么是屏下指紋技術(shù)？

當(dāng)蘋(píng)果發(fā)布了新款 iphone 的人臉識(shí)別解鎖機(jī)制時(shí)，不少人認(rèn)為傳統(tǒng)的指紋識(shí)別方法很快就會(huì)被遺忘。此時(shí)，android 手機(jī)廠(chǎng)商正大力探索一項(xiàng)功能更先進(jìn)的技術(shù)更新，將其作為生物識(shí)別技術(shù)的首選，標(biāo)志著指紋傳感技術(shù)的某種程度的回歸。

這種新機(jī)制被稱(chēng)為屏下指紋技術(shù)（fingerprint-on-display），也就是常說(shuō)的FoD。較量一觸即發(fā)，F(xiàn)oD 技術(shù)的誕生早就埋下了競(jìng)爭(zhēng)的種子，旨在取代手機(jī)中其他生物識(shí)別方法，如虹膜識(shí)別和面部識(shí)別。

屏下指紋識(shí)別技術(shù)，也稱(chēng)為“隱形指紋技術(shù)”，是通過(guò)將指紋識(shí)別傳感器放置于屏幕玻璃下方，從 而完成指紋識(shí)別解鎖過(guò)程的新技術(shù)。相比傳統(tǒng)的指紋識(shí)別，屏下指紋無(wú)須在手機(jī)正面設(shè)置額外的指紋識(shí)別窗，因而可以極大地提高手機(jī)的屏占比，帶來(lái)震撼的視覺(jué)效果和極佳的使用體驗(yàn)。

屏下指紋技術(shù)有哪些？

目前常用的指紋識(shí)別方式分為四種：光學(xué)式、超聲波式、電容式和熱感式，其中超聲波和光學(xué)方案為主流的屏下指紋方案。

電容式指紋技術(shù)是一種利用指紋 sensor 與導(dǎo)電的皮下電解液形成電場(chǎng)，指紋的高低起伏會(huì)導(dǎo)致二者之間的壓差出現(xiàn)不同的變化，借此可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的指紋測(cè)定。電容式指紋技術(shù)成熟，成本低廉，但穿透力較弱。

光學(xué)指紋技術(shù)目前主要分為專(zhuān)門(mén)針對(duì)有機(jī)發(fā)光二極管（organic light emitting diode，OLED） 顯示面板的屏下指紋模組和針對(duì)傳統(tǒng)液晶面板（LCD）的屏下指紋模組。在 OLED 顯示面板中，由于每個(gè)像素是否發(fā)光可以單獨(dú)控制，理論上講，可以將指紋模組置于任一像素下方，在指紋識(shí)別模式激活時(shí)，相應(yīng)的像素發(fā)光，照亮位于面板玻璃上方的指紋，被指紋反射后的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直，被位于發(fā)光像素下方的光學(xué)識(shí)別模組接收，轉(zhuǎn)化成微弱的電流信號(hào)被識(shí)別，由于指紋存在脊和谷，其對(duì)應(yīng)的光電流有所不同，通過(guò)識(shí)別該光電流就可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。OLED 顯示面板屏下指紋識(shí)別的好處在于可以將指紋置于任一像素下方，僅依靠某幾個(gè)像素提供照明光，功耗較低。但是，由于屏下指紋識(shí)別模組和 OLED 顯示面板成本都比較高，所以整體成本偏高。屏下光學(xué)指紋系統(tǒng)包含光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖像傳感器、算法三個(gè)部分。

超聲波指紋技術(shù)是一種利用了超聲波具有穿透材料的能力，所使用的超聲波頻率為 1×104 ～1×109Hz，能量被控制在對(duì)人體無(wú)損的程度。在進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，入射到手指上，由于指紋存在脊和谷，導(dǎo)致超聲波傳播路徑長(zhǎng)度不同，所以被指紋的脊和谷所反射的回波到達(dá)超聲波接收器的時(shí)間就有所差異，分析處理這些差異就可以描繪出指紋圖譜，因此抗污能力高。由于超聲波傳感器的尺寸很小，所以在屏下指紋識(shí)別領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前的超聲波屏下指紋技術(shù)主要包括兩種實(shí)現(xiàn)方式，第一種是將超聲波傳感器置于屏幕的非顯示區(qū)域，例如手機(jī)的四個(gè)邊框內(nèi)部，通過(guò)多個(gè)傳感器的協(xié)同工作識(shí)別指紋，另一種方式是將超聲波傳感器陣列直接置于手機(jī)屏幕下方，實(shí)現(xiàn)真正意義上的屏下指紋識(shí)別。另外，由于超聲波具有比較強(qiáng)的穿透性，可以穿透金屬、玻璃等常用手機(jī)材質(zhì)，因此對(duì)手機(jī)外觀方面也不會(huì)有太多限制，但成本較高。

5G 時(shí)代，光學(xué)指紋重返戰(zhàn)場(chǎng)

某項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)的早并不與“OUT”劃等號(hào)，就像光學(xué)指紋一樣，它的誕生早于其他幾種指紋識(shí)別方案，但曾經(jīng)的光學(xué)指紋識(shí)別由于其防偽度低、功耗大、識(shí)別精度較低、體積大等缺點(diǎn)，很快被電容屏趕超，促就了一段電容式指紋技術(shù)霸市的歷史。

而今，5G 時(shí)代到來(lái)，各項(xiàng)相關(guān)也太也在悄悄改變。其中，5G 手機(jī)的三大“特色”與屏下光學(xué)指紋技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。

“電老虎”：由于 5G 通信頻段的固有特性, 5G 手機(jī)耗電量較 4G 而言高了不少，這對(duì)電池的容量提出了挑戰(zhàn)，而在技術(shù)相當(dāng)?shù)臈l件下，容量越大，電池體積也就越大，同時(shí)由于 5G 手機(jī)功耗大導(dǎo)致散熱成為行業(yè)熱點(diǎn)，此時(shí)采用尺寸更小的元器件無(wú)疑至關(guān)重要，有效的利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)則也變得愈發(fā)重要。

“天線(xiàn)陣列擴(kuò)張”：5G 手機(jī)中除了主通信芯片用于訪(fǎng)問(wèn)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)需要天線(xiàn)陣列外，手機(jī)還有 Wi-Fi 功能、藍(lán)牙功能、GPS 功能、NFC 功能以及無(wú)線(xiàn)充電功能，都需要不同的天線(xiàn)。因此要在本來(lái)就已經(jīng)很擁擠的手機(jī)里面塞進(jìn)去這么多天線(xiàn)，就必須在其他項(xiàng)目的空間上有所犧牲；同時(shí)天線(xiàn)設(shè)計(jì)的變更對(duì)屏下指紋也對(duì)抗干擾性能提出了新的挑戰(zhàn)。

“全面屏”：全面屏是用戶(hù)良好體驗(yàn)的選擇，越來(lái)越多的智能手機(jī)在向全面屏方向發(fā)展，細(xì)數(shù)今年發(fā)布的 5G 手機(jī)，各大廠(chǎng)商不約而同地選擇了全面屏設(shè)計(jì)，因此必須省去原來(lái) home 鍵的空間預(yù)留。

對(duì)比 5G 手機(jī)的三大特色，屏下光學(xué)指紋技術(shù)具有薄、可安裝于屏下且不影響攝像頭等特點(diǎn)，成為了新一代的寵兒。

其實(shí)，當(dāng)初基于 Wire Bonding 技術(shù)的 COB 光學(xué)指紋模組體積并不小，并且功耗也相對(duì)較大。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，CSM (chip-scalemodule)方案中 Flip-chip 方式的采用使得模組面積可縮減 50%，同時(shí)在 Z 軸方向上也實(shí)現(xiàn)了薄化，指紋模組小型化成為了可能。

為什么目前只有 OLED+屏下光學(xué)指紋？

LCD 屏幕厚度過(guò)高，透光性不好，傳感器很難讀取到指紋。再加上 LCD 不能主動(dòng)發(fā)光，其背光光源會(huì)干擾光學(xué)指紋識(shí)別，所以現(xiàn)在還沒(méi)有量產(chǎn)的 LCD 屏下指紋手機(jī)。對(duì)比 LCD 屏幕，OLED 更薄，透光性更好，系統(tǒng)可以控制屏幕每一個(gè)像素點(diǎn)的發(fā)光狀態(tài)，可大幅減少干擾光源，所以無(wú)論是基于 CMOS 圖像傳感器的光學(xué)成像機(jī)制還是利用超聲波技術(shù)的解決方案，目前只有 OLED 滿(mǎn)足要求，也因此 OLED 成為了目前屏下指紋手機(jī)的首要選擇。

LCD+屏下光學(xué)指紋今年有望技術(shù)突破

LCD 并沒(méi)有被宣判死刑，LCD 屏下指紋的研發(fā)一直在進(jìn)行中。

國(guó)內(nèi)指紋識(shí)別廠(chǎng)商匯頂科技在 2019 半年報(bào)投資者交流會(huì)上表示 LCD 的屏下光學(xué)指紋產(chǎn)品正在緊鑼密鼓的研發(fā)中，預(yù)計(jì)今年年內(nèi)量產(chǎn)，與此同時(shí)，5G 手機(jī)的超薄屏下指紋方案也將進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)。

同樣的，京東方高管劉曉東在 MWC 分論壇 ——2019 全球顯示精英峰會(huì)上也表示：全屏手機(jī)在折疊屏真正普及前將有較穩(wěn)定的形態(tài)，京東方將于 2019 年底量產(chǎn) LCD 屏下光學(xué)指紋傳感方案，LCD 屏下指紋將成為未來(lái)兩年的發(fā)展方向。

屏下指紋技術(shù)發(fā)展前景

隨著手機(jī)廠(chǎng)商的大規(guī)模應(yīng)用,屏下光學(xué)指紋識(shí)別在智能手機(jī)市場(chǎng)上的滲透率也會(huì)迅速攀升,其中又以屏下光學(xué)技術(shù)發(fā)展最具突破性。

IHS Markit 2019 年顯示指紋技術(shù)和市場(chǎng)報(bào)告顯示，今年 FOD 模塊出貨量將達(dá)到近 2 億臺(tái)，較 2018 年約 2900 萬(wàn)臺(tái)的低基數(shù)增長(zhǎng)近 580%，考慮到一些影響因素的變化，包括 FOD 模塊的可用性和價(jià)格，對(duì)今年市場(chǎng)業(yè)態(tài)十分有利，2019 年的出貨量可能高達(dá) 2.4 億臺(tái)。另外據(jù) IHS Markit 預(yù)測(cè)，三星今年對(duì) FoD 的需求可能達(dá)到 7000-8000 萬(wàn)臺(tái)，而中國(guó)頂級(jí)品牌則需要 1.2-1.3 億臺(tái)。

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來(lái)源：IHS Markit

國(guó)內(nèi)外業(yè)態(tài)分析

2019 作為 5G 的元年，通訊業(yè)高速發(fā)展，各大手機(jī)廠(chǎng)商調(diào)整發(fā)展方向，進(jìn)軍 5G 領(lǐng)域。作為全球手機(jī)三巨頭的三星、華為、蘋(píng)果都對(duì)各自旗艦機(jī)種的指紋識(shí)別策略進(jìn)行著重大變革，影響了全球指紋識(shí)別產(chǎn)業(yè)格局的分布，指紋識(shí)別模組廠(chǎng)商也因 FoD 技術(shù)的興起，終于在“跌跌不休”的傳統(tǒng)指紋模組市場(chǎng)中有了起色，進(jìn)而促使這條產(chǎn)業(yè)鏈上的廠(chǎng)商重燃激情，積極布局下一代指紋識(shí)別技術(shù)的研發(fā)與量產(chǎn)。

指紋識(shí)別產(chǎn)業(yè)鏈主要分為芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、芯片制造環(huán)節(jié)、封裝環(huán)節(jié)、模組制造環(huán)節(jié)以及整機(jī)廠(chǎng)商。根據(jù)不同方式的屏下指紋識(shí)別技術(shù)分，光學(xué)式指紋技術(shù)的供應(yīng)商主要有美國(guó)的 Synaptics、中國(guó)的 Goodix、中國(guó)臺(tái)灣的 Egis Tech 和韓國(guó)的 CrucialTec；電容式指紋技術(shù)的供應(yīng)商主要有美國(guó)的 Synaptics、中國(guó)的 Goodix、中國(guó)臺(tái)灣的 Egis Tech 和韓國(guó)的 CrucialTec；超聲波式指紋技術(shù)的供應(yīng)商主要有美國(guó)的高通、韓國(guó)的三星、美國(guó)的 AuthenTec（被蘋(píng)果公司收購(gòu)）、瑞典的 FPC 以及中國(guó)的思立微。

將光學(xué)式指紋識(shí)別技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行細(xì)分，大致歸總?cè)缦拢?

演算法晶片: Synopsys、FPC、三星、匯頂、思立微、阜時(shí)和神盾。?

Lens & 濾光片: 大立光、舜宇光學(xué)、玉晶光、關(guān)東辰美、水晶光電。

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CMOS:SONY、三星、海力士、安森美、豪威科技。

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模組封裝: 歐菲科技、丘鈦科技、信利國(guó)際。?

終端客戶(hù): 華為、OPPO、vivo、小米、三星。

下面用一張表格來(lái)介紹一下目前國(guó)內(nèi)外的手機(jī)終端廠(chǎng)商在光學(xué)指紋方案供應(yīng)商方面的選擇，圖表也驗(yàn)證了匯頂科技今年的業(yè)績(jī)頗豐。

總結(jié)語(yǔ)

隨著 5G 時(shí)代的到來(lái)，全面屏?xí)r代的開(kāi)啟，傳統(tǒng)指紋識(shí)別方案中需要獨(dú)立實(shí)體觸摸區(qū)的設(shè)計(jì)將逐漸被替代，屏下指紋具有廣闊的應(yīng)用前景。

從應(yīng)用的角度來(lái)看，屏下電容式指紋識(shí)別技術(shù)成熟，但是穿透力很差將逐步被替代，未來(lái)是屬于光學(xué)指紋技術(shù)和超聲波指紋技術(shù)的天地。光學(xué)屏下指紋和超聲波屏下指紋是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)屏下指紋識(shí)別的兩種主要方式，各有優(yōu)點(diǎn)和不足。

從屏下指紋芯片發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)的屏下光學(xué)指紋識(shí)別勢(shì)必會(huì)朝著操作方便、可靠性高、速度快、準(zhǔn)確度高、自適應(yīng)性好、體積更小，高度更薄的方向發(fā)展。

從產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)發(fā)展來(lái)看，誰(shuí)能率先掌握突破性的技術(shù)并提升制造良率，誰(shuí)就能在同質(zhì)化嚴(yán)重的手機(jī)市場(chǎng)脫穎而出，占據(jù)市場(chǎng)有利地位。

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