指纹识别技术科普贴（三）：超声波式指纹识别传感器将何去何从？
2017-03-18 17:05:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在瞬息万变的消费电子市场，对技术革新的追求永无止境，一个不留神，就有可能错失良机，成为“悲情英雄”。智能手机上指纹识别传感器的“隐形”潮流，可以说由超声波式指纹传感器正式开启。
超声波式指纹识别传感器面临“前有狼，后有虎”的局面
在瞬息万变的消费电子市场，对技术革新的追求永无止境，一个不留神，就有可能错失良机，成为“悲情英雄”。智能手机上指纹识别传感器的“隐形”潮流，可以说由超声波式指纹传感器正式开启。据麦姆斯咨询报道，2016年，乐视LeMax Pro智能手机和小米5S先后携手高通骁龙820，打造“隐形”指纹识别传感器的黑科技。我们也对该超声波式指纹传感器进行了逆向分析，详情：《高通骁龙Sense ID：3D超声波指纹传感器》。然而，在智能手机被电容式指纹识别技术占据90%市场份额的今天，如果想要取代这匹“狼”，则需要性能、价格、工艺同时满足才有戏；与此同时，2017年苹果和汇顶科技两家公司发布的微型光学感测技术，如同一只“拦路虎”，虎视眈眈地瞄准高端智能手机的指纹识别传感器市场。
高通骁龙Sense ID指纹识别第一项“黑科技”——3D超声波指纹识别技术
“热身运动”刚刚做完，超声波式指纹识别传感器就面临“前有狼，后有虎”的局面，业界有声音认为“超声波式指纹识别传感器只是电容式到微型光学感测指纹识别传感器的过渡产品”。超声波式指纹识别传感器是否有机会“突出重围”？让我们从其原理谈起。
“超越”各种领域的超声波识别技术的原理是什么？
我们还是孩子时就了解到蝙蝠和海豚用超声波回声定位。奇怪的是，大多数蝙蝠和海豚并不是完全看不见东西的，它们利用超声波来补充它们的视野，使它们能够确定猎物的大小、范围、位置和速度。它们通过发射高频声波脉冲和接收回波来进行飞行时间的测量。
超声波（Ultrasound）是指任何声波或振动，其频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值20kHz（千赫）。超声波只透过具有弹性与惯性介质（如空气），当空气本身一旦产生膨胀或压缩时，透过其分子的运动而有波动地传播产生。因此，音波无法在真空中进行传播。人类听觉能察觉波动，称之为声音，也称之为可听波。
声波的分类
超声波的应用领域非常广泛，如医疗保健、食品和饮料、汽车、工业制造、石油等领域。医疗保健领域，超声波传感器可以帮助医生采集正常器官、病变病灶等图像。在食品和饮料行业，超声波传感器用于食品和饮料的加工、贮存、灌装和装瓶。汽车应用方面，超声波传感器提供泊车辅助系统停车区信息和车辆位置，控制汽车油门、制动器和转向，从而完成自动泊车。工业制造领域，超声波传感器可以在工厂内执行如物料搬运、移动设备检测、距离测量和液位水平测量等。在石油和天然气行业，超声波传感器用于高粘性液体的液位感应。
我们生活中最熟悉的超声波成像就是B超，其通过超声波对人体器官进行检测，一张张B超图片形象地展示出所探测物的二维或三维模样。就原理而言，超声波指纹识别传感器的基本原理和医学上使用的超声波成像技术类似。具体来讲，扫描芯片表面的换能器发射出超声波脉冲，脉冲在抵达手指表面后会被反射，而传感器则可利用反射回来的飞行时间（Time of Flight，TOF）获取到指纹的三维信息。
超声波飞行时间测距原理
通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为V，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间△t，就可以计算出发射点距障碍物的距离L。那么L=V*△t/2。我们知道指纹上有脊线与皱褶，那么超声波距离脊线的距离近，所以时间△t就短；反之，超声波距离皱褶的距离远，所以时间△t就长。无数个发射波发射出去，反馈回来不同的△t数值，形成特有的指纹信号，再经过复杂的算法，转换为指纹图像，与之前存在于手机中的指纹做比较，就可以完成指纹识别的功能。
超声波指纹识别技术还有个特别之处在于其可以穿透手指表皮层，探测指纹的三维细节，从而实现3D识别。如果说光学感测和电容感测技术只能形成X、Y轴的二维图像，那么超声波技术则增加了Z轴方向的三维图像。从而大大提高了安全指数，识别范围也更加广泛，理论上手指肚侧面、正面等任何位置都可以解锁。
超声波指纹识别技术的3D效果示意图
背负黑科技之名的“优”和“忧”
超声波式指纹传感器一被推出，就被挂上了“黑科技”之名。到目前为止，除了高通在这项技术宣传地比较厉害外，其他厂商已经默默在微型光学感测上崭露头角。故事的开头很美好，但是结尾会如何呢？
超声波指纹技术的优点确实让人有眼前一亮的惊艳感。识别精准度高，不受水、油脂、护手霜等影响，可以隐藏于玻璃、塑料之下，即用户只需要将手放在手机屏幕上，就可以实现解锁。此外，该技术还支持带手套触控操作、用户自定义触控手势、多身份生物识别、快速激活屏幕等。对于手机厂商而言，因无需为手机指纹识别专门预留位置，也无需专门为其设计按钮，可以直接采用玻璃覆盖等外观设计方案，所以不仅设计灵活度更大，而且成本有所降低，这为手机带来更加浑然一体的外观和炫酷新颖的功能。
然而，从小米5S的用户反馈来讲，超声波式指纹传感器的体验并不惊艳。小米5S依然做成了凹槽型，从日常的使用体验来看与普通电容式指纹识别传感器区别不大。这种指纹识别的操作变得很像iPhone 7和一加三的“非按压式Home键”，只是区别就在于它本身并非实体home键，而仅仅只是一个凹槽而已，真正在工作的主要是其下方的传感器。但由于技术还不够成熟，小米5S在多家媒体的测试中显示它的指纹识别速度、精度甚至不如小米以往采用瑞典FPC电容式方案的手机出色，并且在湿手解锁方面也并未有明显优势。
从穿透厚度来讲，超声波式指纹传感器在400微米左右，虽然优于电容式指纹传感器，但是和微型光学感测技术来比并没有明显的优势。况且超声波式指纹传感器的价格并不亲民，未来的道路阻力也不小。对于消费者来说，他们更关心的其实也是技术所实现的效果而并非技术本身，所以超声波指纹识别一定是趋势，但并非是唯一，未来何去何从就交给未来证明吧！同时欢迎您参加『“微言大义”研讨会：指纹识别技术及应用』，一起探讨未来指纹识别技术的未来走向！
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：