在指纹传感器技术发展的道路上，电容式传感技术不断发展演进，希望能够克服其他技术带来的威胁。超声波传感技术正在兴起，但其成本和技术成熟度限制了目前的市场拓展。另一项基于光学传感的指纹识别技术——将指纹识别功能直接集成到显示屏上，也正在从概念演变为即将实现的现实。乐观估计，今年的骁龙8和华为P10有望见证这项“黑科技”。

MEMS 将推出一系列科普文章，详细介绍各种指纹识别传感器技术。在第一篇文章中，我们将从指纹识别传感器技术的演变开始。

指纹——人体携带的生物“密码”神器

密码在我们生活中无处不在：解锁手机、登录网站、在线/移动支付。出于安全考虑，人们往往会为不同类型的账户设置不同的密码。例如手机银行的登录密码和支付密码就不同，还需要定期更改密码。这样带来的问题是，时间长了，密码就混淆了，忘记了，然后又需要一套“找回密码”的过程……密码太多，脑容量不够？忘记密码，找回密码是不是很烦人？

如何才能使复杂的密码设置变得更简单呢？

其实，乔布斯先生在发布第一代手机的时候就说过，触屏手机不应该有实体的笔，因为我们每个人都有一支天然的笔，那就是我们的手指。的确，我们的指纹是独一无二的，难以复制，一般来说，别人也无法窃取密码。指纹是指人的手指末端皮肤正面的凹凸不平的纹路，纹路按规律排列，形成不同的图案，纹路的起点、终点、连接点和分叉点被称为指纹的细部特征点。由于指纹的终生不变性、唯一性以及便捷性，它几乎成了生物识别的代名词。

在整个生物识别（指纹/虹膜/眼球/眼纹识别及人脸识别）传感器市场中，由于历史原因，如美国联邦调查局（FBI）建立的犯罪分子指纹数据库，以及我国《居民身份证法》也规定居民身份证的登记项目包含指纹信息，指纹识别已经成为最常用的生物识别技术，占据了生物识别硬件市场的95%。MEMS 预计指纹识别传感器的出货量将以18%的年复合增长率增长，到2022年将达到47亿美元的市场规模。

消费电子市场“爆发”指纹识别传感器市场

2013年之前，指纹传感器主要应用于工业和安全领域。在1998年西门子展示了集成指纹识别功能的手机后，指纹识别沉寂了十余年。2013年，苹果发布了搭载指纹识别传感器的5S，引爆了指纹识别传感器市场。三年时间，市场规模从几乎为零飙升至数十亿美元。最初，指纹识别传感器用于解锁手机和保护信息。但现在，指纹识别传感器越来越多地应用于在线身份验证和移动支付等安全功能。

过去几年，消费级指纹传感器市场的演进，主要由智能手机中生物识别技术的使用所驱动。2010年，消费级指纹传感器市场营收约数千万美元，主要来自笔记本业务。应用于智能手机的指纹传感器出货量从2013年的2300万颗增长至2016年的6.89亿颗。可以看出，2013-2016年期间，手机应用的指纹传感器出货量年复合增长率高达210%！预计2016-2022年期间，该领域的增长将趋于“理性”，年复合增长率约为18%。

指纹识别传感器技术的发展路径

按照工作原理，指纹识别传感器可分为光学指纹传感器、电容式指纹传感器、电感式指纹传感器、压感式指纹传感器、热指纹传感器、超声波扫描指纹传感器和射频指纹传感器等。

但如果我们将目光聚焦于消费级指纹传感器，MEMS咨询总结了指纹识别技术发展原理如下：

光学传感 → 电容传感 → 超声波传感 → 微光学传感

1. 光学传感

指纹识别传感器最早应用于笔记本电脑，如IBM的系列，采用的是光学识别技术。当时的指纹识别窗口是一条长条形，用户用手指在上面划过，传感器对手指图案进行专门处理，并与存储的指纹图案进行比对。光学指纹识别技术的主要原理是将手指放在光学镜头上，在内置光源的照射下，手指被投影到带有棱镜的电荷耦合器件（CCD）上，从而形成可供指纹识别传感器算法处理的黑脊白谷的数字多灰度指纹图像。由于光线无法穿透皮肤表面（死皮层），所以只能扫描手指皮肤表面，或者扫描死皮层，而无法穿透到真皮层。因此，手指表面的清洁程度对结果有直接的影响。

IBM 采用光学识别技术的指纹传感器

光学指纹识别传感器的缺点是安全性不太好，2012年内蒙古越狱案中，越狱犯人切断狱警的手指验证光学指纹机打开监狱大门。在淘宝上花几十元订购一个硅胶指纹机就可以轻松“骗过”光学指纹机，办公人员可以用它进行指纹考勤。另外光学传感器中有棱镜，体积比较大，一般是半导体器件的几倍甚至十几倍，所以限制了它在小型设备中的应用。

2. 电容式感应

电容式感应的原理是当使用者将手指按压在传感器上时，会测量指纹所引起的非常微小的电导率变化信号，再利用测量到的数据来形成指纹的图像。手指的皮肤最外层也就是指纹是不导电的，而指纹内部的皮下层则是导电的。这样一来，它的优势就显现出来了，相比光学式感应，对手指表面洁净度的要求较低，而且可以识别手指内层的纹路，从而提高安全性。电容式指纹识别传感器目前在智能手机上应用非常广泛，比如手机上用的ID。

ID采用电容式指纹识别原理

3.超声波传感

超声波指纹识别是一种新技术，利用超声波穿透材料的能力，根据材料的不同产生不同大小的回声。因此，利用皮肤和空气之间声阻抗的差异，可以区分指纹的凹凸不平的图像，甚至可以穿透皮肤表面之下，识别指纹独特的3D特征。超声波技术使用的超声波量相当于医学诊断的强度，对人体无害。

超声波指纹识别技术示意图

超声波指纹传感器可以放在玻璃、金属、塑料下面，给全面屏手机带来福音。2016年2月，乐视Pro智能手机集成了首款高通ID玻璃内层（-）金属指纹传感器——基于创新的超声波传感原理。同年9月发布的小米5也采用了这一技术。但在实际用户体验上，除了湿手操作不会失效、准确率略高的优势外，采集指纹的速度比目前的电容式指纹识别慢、价格高、传感器本身体积大，而且真正的全面屏手机也未能实现。

4. 微光学传感

无论是目前主流的电容式指纹识别传感器，还是新晋的超声波指纹识别传感器，都需要额外的指纹传感器，但前者需要在屏幕上打孔，而后者可以隐藏在屏幕下方。绕了一大圈之后，我们又回到了光学传感的路上。不同的是，如今的微光学传感技术已经足够先进，足以引发智能手机的全面革新。

今年2月14日，苹果的专利授权浮出水面，表明苹果正寻求利用收购公司的技术，在新产品上采用可读取指纹的显示屏。同月27日，在西班牙举行的MWC（世界移动通信大会）上，汇顶科技还揭晓了一项新的黑科技——隐藏在OLED显示屏下的光学指纹。这意味着传统的指纹识别传感器或将“消亡”。

汇顶科技的屏幕指纹识别技术将指纹识别功能完全融入显示屏，用户可直接触碰移动终端显示屏指定区域实现指纹识别。相较于传统需要独立物理按键或虚拟按键进行指纹识别的方案，全新的屏幕指纹识别方案可大幅提升移动设备的屏占比，为用户带来无与伦比的使用体验。华为旗舰机型P10将采用该技术，这也意味着汇顶科技研发3年多的IFS技术终于量产了！

汇顶科技首创全球首创自主知识产权IFS指纹触控一体化技术

美国专利商标局公布了苹果的美国专利号“集成红外二极管的交互式显示面板”，详细介绍了这种带有传感技术的触摸显示屏。专利描述中，指纹的读取是通过在屏幕中安装多个层来实现的，包括屏幕层、透明导电层和用于指纹读取的层。按压屏幕后，透明导电层会受到影响，生物传感器通过监测这一层的电压变化来读取指纹，从而实现这一功能。指纹识别是通过将用户手指反射的红外光返回到传感二极管来实现的。在操作过程中，集成了交互式像素的屏幕的特定区域或几行扫描用户的指纹信息。如果距离达到足以感应的距离，就会生成位图，并通知系统大致的定位数据。在某些情况下，位图包括入射光强度信息，可以对物体及其表面进行深入分析。例如，通过检查位图的暗点和亮点，样本系统可以检测到用户指纹中相应的脊线和皱纹。

苹果的美国专利号为“集成红外二极管的交互式显示面板”

显然，这项技术看上去非常不错，取消了HOME键，不再需要接近传感器、环境光传感器、指纹识别传感器等模块，却具备了这些器件的功能。不过从工艺上看，这意味着一块成品上会有上百万个基本发光器件——也就是“微晶体”。如何把这么多具有​​电极性的半导体晶体“焊接”（组装）在驱动基板（TFT）上，是一个相当复杂的工艺。但从长远来看，这是未来的大势所趋！

指纹传感器技术演进的讨论到此结束，后续美思咨询将详细讲解电容式指纹传感器、超声波指纹传感器、微光学指纹传感器的原理、应用、优缺点，敬请期待！

推荐课程：

2017年9月12日，“微言大义”研讨会：指纹识别技术与应用”将在上海举办。本次研讨会邀请指纹识别技术行业精英进行深入交流与探讨。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（涉及电容式、超声波、光学式等）、指纹识别技术分析及算法分析等。

意向邀请单位：苹果（）、高通（）、（）、、Yole、汇顶科技（）、思立微、罗辑科技、东泰电子、集创北方、比亚迪微电子、信威科技、神盾（）、迈瑞微电子、欧菲光、华天科技等。

同期展会：2017中国（上海）传感器技术与应用展览会

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