指纹识别传感器科普贴（二）：开启消费电子市场先河的电容感测技术
2017-03-10 20:22:29   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

智能手机上的电容式指纹识别传感器的“姿势”

iPhone 5s采用的Touch ID技术开启了电容式指纹识别传感器的先河。直至今日，智能手机上采用的指纹识别传感器仍然以电容感测技术为主流。目前指纹识别传感器集成在手机上的形式以前置和后置为主，当然也有少部分放置在侧边。

以iOS系统为代表的苹果公司将指纹识别传感器集成在手机正面圆形HOME键里的设计不禁让人感叹其巧妙至极！放置在正面的好处是直观易用，手机放置在桌上时也很方便直接用手指按压解锁，缺点就是不可避免地在屏幕正面添加一块实体按键区域，减小了屏占比。

以安卓系统为代表的华为手机等，将指纹识别传感器放置在手机背面。这样使得手机正面的屏幕不被破坏，而且在用户正常持握手机时，食指在后面触摸指纹识别区域也非常顺手，但是手机放置在桌面上使用起来就略显不便了。

侧面按压的方案（如努比亚Z9），相比前置增大了手机屏占比，对背面的设计也没有干扰，但是为了保证准确度，手机的厚度却会与“轻薄”的趋势背道而驰。

智能手机指纹识别传感器的三种位置：正面、侧面、背面

电容式指纹识别传感器的“模样”

电容式指纹识别传感器存在于智能手机的“模样”大致有以下三种：

目前主流的电容式指纹识别传感器都放置于实体键，采用正面（这里的正面指手机屏幕或背面盖板的上层，并非单指手机正面屏幕）挖槽后放置。其模组主要包括：保护层（蓝宝石玻璃、玻璃、陶瓷或者涂层）、金属检测（装饰）环、指纹传感器、按键开关（后置、前置）。

正面挖槽减薄放置的电容式指纹识别模组结构

Fingerprint Cards（简称FPC）和LG选择的是第二种“模样”，在屏幕背面开凹槽，将指纹传感器填充进去。这种设计可以提升智能手机外观线条美感，使整个手机看起来更平滑，从而带来创新的工业设计。FPC在2016年推出FPC 1268所使用的技术基于电容感测技术，这种技术应用在现代高端智能手机指纹传感器上。FPC 1268可以置于厚度为300微米玻璃之下。此外，这种传感器还能够兼容钢化玻璃，后者目前广泛应用在智能手机上，起到防跌落保护作用。2017年初传言小米6将采用FPC的该项技术。LG Innotec也曾在2016年5月宣布已经成功开发一体玻璃指纹识别模组，它将指纹识别传感器植入到钢化玻璃中。

直到今日，由于这种技术对玻璃品质和工艺的要求高出第一种“模样”很多，市场采用这种“模样”的手机少之又少。2016年12月，联想ZUK Edge发布，作为第一个“吃螃蟹”的商家，将指纹识别第一次做到屏幕下面，采用汇顶科技的IFS（Invisible Fingerprint Sensor，指纹识别与触控一体化技术），实现方式是在2.5D玻璃背面开槽完成。

LG Innotec发布的玻璃指纹识别模组

联想ZUK Edge指纹识别模组采用汇顶科技的IFS技术

第三种“模样”最先由汇顶科技提出，面板玻璃正反面都不需要开孔，直接将指纹识别传感器放置玻璃下面。这样的方案的挑战是：一方面对指纹识别传感器的性能和算法要求相当高，传感器需要更高的信噪比，可以穿透更厚的玻璃，但是穿透0.3mm以上的玻璃需要搭配更加先进的算法，而且其识别精度和速度还无从知晓；另一方面，对于手机的2.5D玻璃来说，薄一点的可以做到0.4mm，正常在0.7~0.8mm，因此这种方案很难行得通。

汇顶科技的IFS技术

电容式指纹识别传感器的“大脑”

首先我们来回顾下平板式电容器的定义：两个平行排布、距离为d的极板，在极板间充满了相对介电常数为ε的电介质，此时两极板间的电容为C=（εε0*S）/d。

电容的表达式

电容式指纹识别传感器就是在传感器上有无数面积S相同的小电容器极板，当用户将手指按在传感器上时，皮肤表面与传感器上的极板一一匹配。无数个平板电容器出现了，由于指纹表面与传感器极板的距离d各有不用，因此各自的电容值不一样。贴在指纹脊线下的电容距离小电容大，而贴在皱褶下的电容距离大电容小。传感器给所有的电容充电，电容被充到预先设计好的电压值后，再进行放电。那么，贴在指纹脊线下的像素因为电容量高而放电慢，而贴在皱褶下的像素则放电快，此信号转换为数字输出，形成原始的指纹图像，再用复杂的算法进行指纹识别。

电容式指纹识别传感器又可进一步细分为主动式和被动式，虽然都是基于电容原理采集指纹，但工作原理差异巨大。

主动式的原理主要是通过外加的驱动信号（如金属环）加载到手指上以增强手指表面的电荷，使底下的感应阵列接收电场信号并对信号进行放大。根据指纹凹凸不平的纹理致底下芯片感应到的电场也不一致，从而重现指纹。我们看到的HOME键上的金属环，那可是集美貌和实用于一身的不可或缺的一部分。

主动式电容感测技术的工作原理

被动式的工作原理是利用手指按在芯片表面时，指纹的凹凸不平的表面对芯片内部电容上下电极电荷分配的比例影响程度来对指纹进行重现，无需额外增加驱动源，芯片结构非常简单（如下图），也因为无额外驱动信号，所以模组也无需外置金属环。

被动式电容感测技术的工作原理

用照相机拍照来打个形象的比喻：如果照相时需要打开闪光灯进行补光才能拍摄到照片，这种采图方式就是主动式，闪光灯就是驱动源；而拍照的时候不需要开闪光灯进行补光也能拍摄到图形，这种采图方式就是被动式，因为是靠外界本身的光信号影响来形成图的，照相机本身没有进行补光。

电容式指纹识别传感器因为体型轻薄、价格便宜，自iPhone 5s推出后，市场增量成指数型的增长。不过最近两年，随着超声波技术和微型光学感测技术的成熟，以及玻璃面板工艺的愈发先进，未来电容式指纹识别传感器的市场份额将有可能被其它技术瓜分。那么，风靡当今的电容式感测技术会不会有一天在高端智能手机上寿终正寝？让我们参加『“微言大义”研讨会：指纹识别技术及应用』，了解未来发展趋势吧！

推荐会议：

2017年9月12日，『“微言大义”研讨会：指纹识别技术及应用』将在上海隆重举行，本次研讨会邀请指纹识别技术业界精英进行深入交流和探讨，内容涉及指纹识别传感器应用及市场分析、指纹识别技术原理及技术路线、指纹识别传感器剖析及算法解析等。

拟邀请单位：苹果（AuthenTec）、高通（Qualcomm）、 新思（Synaptics）、Fingerprint Cards、Yole Developpement、汇顶科技（Goodix）、思立微、箩箕技术、敦泰电子、集创北方、比亚迪微电子、信炜科技、神盾（Egistec）、迈瑞 微电子、欧菲光、华天科技等。

同期展会：2017年中国（上海）传感器技术与应用展览会

如果贵司希望参加演讲或展会，请联系王懿，邮箱：wangyi@memsconsulting.com，电话：18217468860

延伸阅读：

《指纹传感器应用和技术-2017版》

《指纹传感器市场-2016版》

《自动指纹识别系统市场-2016版》