指纹识别器解决方案-Ameya360电子元器件平台

发布时间：2020-04-16 00:00
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来源：Ameya360
阅读量：1868

1、前言

指纹识别器是一种利用指纹采集及其配套软件结合起来的为加强个人电脑加密程度的高科技安全产品。使用其配套的应用软件，可以实施开机保密、屏幕保护保密及文件、目录保密。在需要解密的场合，只要将使用者的手指放在指纹窗上即可。

指纹识别器读取指纹有多种不同方式，其中电容式传感技术的基本原理是，它根据活体手指——请注意“活体”一词——表层上的电阻变化传导指纹图像。皮肤的表皮层，包括手指的表皮层的细胞是非活体的。剥掉非活体细胞的表皮层可以看到第一层活体皮肤细胞，这些皮肤细胞具有一定量电阻。它们还在皮肤表层上组成特定形状——常见的指纹嵴线和沟。细胞中的特定电学品质与细胞的排列方式这二者的结合使得皮肤表面的电阻能够被测量到且其变化唯一。

2、方案概述

Ameya360 指纹识别器解决方案主要由传感器模块、显示模块、接口模块、控制模块、电源支持模块等组成。

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深度报告:指纹识别产业链重构带来新机遇

　　自进入2017 年之后，指纹识别行业站到了“产业变革”的时间节点上。在光学式和超声波式指纹识别技术方案还不够成熟，既要实现正面隐藏式指纹识别，又不得不采用电容式方案的背景之下，盲孔电容式指纹识别就成为了近期最有前景的under glass 方案。　　全球指纹识别芯片的产业链构成　　指纹识别芯片的产业链也可以分为两大部分，一部分为芯片传感器电路方案和算法设计，另一大重要环节就是指纹识别芯片传感器的制造、封装以及模组制造：　　1、芯片设计环节　　此前国际电子商情在《指纹识别技术原理及全球芯片厂商大盘点》一文中对指纹识别芯片设计公司有详尽的报道，有兴趣的读者可点击链接阅读。　　2、芯片制造环节　　主要有中芯国际、台积电、联电、Magnachip、华润上华、世界先进、华虹宏力、格罗方德等大型晶圆制造厂。　　3、封装环节　　根据传感器方案而定，如按压式蓝宝石方案采用晶圆级封装，由国内华天科技、晶方科技、长电科技封装，硕贝德科阳的3D封装也属于此种工艺。　　4、模组制造　　模组制造与摄像头模组有相近之处，目前欧菲光、硕贝德、丘钛科技等已积极布局。在封装与模组整合的趋势下，封装环节（华天科技、晶方科技等）、模组环节（欧菲光等）有互相渗透的趋势。　　指纹识别方案发展趋势　　众所周知，指纹识别在手机上的位置，主流为正面和背面，个别方案是放在侧面。比如苹果iPhone系列与三星Galaxy S系列是集成在正面Home键里，小米Note 3、华为Mate 8等放在了手机背部，LG V10植入到手机侧面的电源键里，努比亚Z9也是放在手机侧面。　　从体验上来看，苹果正面指纹识别的体验好于安卓阵营的背部指纹识别方案。但由于AuthenTec被苹果收购之后停止对外服务，恰好 AuthenTec在正面电容按压式指纹识别领域积累了大量的核心专利，同时许多安卓智能手机使用的是虚拟Home键，不具有实体Home键，因此多数安卓智能机的指纹识别是位于手机背面的，包括华为、OPPO、VIVO等主力手机厂。　　1、盲孔式Under Glass指纹识别方案　　自进入2017年之后，随着即将发布的iPhone 8采用屏下Touch ID指纹识别解决方案，安卓阵营的手机厂商势必也会逐渐采用正面隐藏式指纹识别方案。在光学式和超声波式指纹识别技术方案还不够成熟，既要实现正面隐藏式指纹识别，又不得不采用电容式方案的背景之下，盲孔电容式指纹识别就成为了近期最有前景的under glass方案。　　基于电容式原理的三种隐藏式方案是：第一种（Under Cover Glass）是将指纹Sensor置于整个手机玻璃面板下面；第二种（In Glass）更是将Sensor融合进玻璃之中（如IDEX的方案）；第三种（Under Glass Cutout）则将玻璃面板开盲孔（有正面和背面两种）至0.2-0.3mm深，然后在玻璃之下放入Sensor（如汇顶IFS、FPC、LG Innotek的方案）。　　第一种方案（Under Cover Glass）识别精确存在较大的问题，超出电容原理极限，效果不理想。因为目前智能手机正面盖板玻璃厚度普遍超过0.5mm，如果是2.5D玻璃的话厚度超过0.7mm，而根据电容式指纹识别的原理，如果在芯片上方存在的盖板玻璃厚度超过0.3mm时，其识别精确度将大幅降低，因为信号在穿透玻璃时会发生强烈的衰减。尽管多家厂商在算法方面极力优化，提高信号的信噪比，但是该方案仍然难以达到理想的效果。　　第二种方案（In Glass）具有非常高的技术难度，中短期内不具备量产的条件。需要将指纹识别芯片集成在盖板玻璃内部，这需要芯片商与玻璃厂等多个环节的通力合作，中短期内大规模量产是不现实的。　　第三种方案盲孔式Under Glass被普遍看好，具有较大的可行性。汇顶科技、FPC与LG Innotek等厂商的力推的本方案，是在盖板玻璃上方或下方挖槽，直接减薄玻璃的厚度至0.2-0.3mm，此时臵于玻璃下方的指纹芯片，信号可以穿透玻璃，从而实现较高的识别精度。相比于第一种方案，本技术方案识别精度遥遥领先，相比于第二种方案，本技术方案加工难度较低。　　目前Under Glass方案的难点在于：首先玻璃本身非常脆弱，如果挖槽，会降低整块玻璃的强度，加大玻璃加工的难度，这对康宁、AGC、肖特等玻璃原材料供应商和蓝思、伯恩、星星科技等玻璃加工商而言，具有一定的挑战性；为了提高信号的信噪比，减少信号在塑封材料中的损失，芯片的封装需要采用先进的TSV技术（可有效缩减芯片厚度）；盲孔的深度及平整度公差很难控制，而采用TSV 的指纹芯片需要直接与玻璃贴合，因此对于玻璃加工而言有较高的技术要求。　　2016年12月，采用汇顶IFS技术的联想ZUK Edge手机发布。2017年2月，华为发布全新旗舰机P10，部分手机采用了汇顶的IFS技术，这表明盲孔电容式UnderGlass指纹技术已经具备量产所需的成熟度。　　2、正面盖板“超薄式指纹识别方案　　前文提到，目前电容式Under Glass 方案在玻璃加工方面存在非常大的困难，即使已经有商业化的产品推出（如联想ZUK Edge和华为P10），但是产品的良率和成本问题仍然是很大的瓶颈。　　与此同时，基于现在主流的正面开通孔式方案的升级产品——可以嵌入玻璃的“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板模组的指纹识别，由于可以提高屏占比，今年也可能被一些旗舰机型采用，也是重要趋势之一。　　采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别模组，可以有效缩小整个模组的体积，尤其是厚度，从而使得整个模组的厚度不超过盖板玻璃。这样的话，手机的显示屏幕便可以向下拓展，与指纹Home键的距离更加紧密（甚至可以覆盖Home键位臵），从而大幅提升整个屏幕的屏占比。　　目前，该方案已经开始在多家手机厂商测试，有望成为今年的趋势之一。由于传统的wire bonding封装是难以有效缩减芯片厚度的，采用TSV 封装可以解决该问题。　　电容式Underglass方案与正面盖板“超薄式”方案产业链分析　　现阶段，开通孔的指纹识别方案仍然是主流，按照正面盖板材料的不同，可以分为Coating（镀膜）、蓝宝石盖板、玻璃盖板和陶瓷盖板四类。　　Coating方案是直接在芯片正面镀膜（高光涂料），信号强，成本低，缺点是容易损坏，不耐磨；蓝宝石方案美观，耐磨，但是加工难度大，成本高，用于中高端手机上；玻璃方案被众多中低端手机所采用，成本比蓝宝石低许多；陶瓷（氧化锆）方案最近开始流行，与蓝宝石相比其强度大，成本低，产能良率还存在一定问题。　　从产业链结构方面来说，上述四种方案是类似的，区别就在于盖板材料的不同。我们以蓝宝石方案代表——iPhone5s的指纹识别为例来说明，主要的模组结构分为：蓝宝石盖板、金属环、粘合材料、传感器芯片、触控开关、电路板等。　　图：苹果iPhone5s 指纹识别模组拆解　　电容式Under Glass指纹识别方案相比于目前的指纹识别会有非常大的变化。不需要专门的蓝宝石、玻璃、陶瓷等盖板材料，不需要金属环，不需要触控开关，不需要芯片正面的粘合材料；芯片制造并不会发生大的变化，目前的8英寸0.18um工艺可以满足需求；但是芯片设计和芯片封装，以及玻璃加工的重要性越发明显。　　图：蓝宝石的指纹识别模组成本结构　　1、芯片封装地位提升，TSV封装将成为必然之选　　目前，大多数指纹识别方案，芯片采用wire bonding工艺进行封装，技术成熟，成本低。由于表面需要与盖板材料贴合，因此在芯片的正面会进行塑封处理，将金属引线掩埋起来，形成平整的表面。塑封的存在会影响信号识别的精度，同时增加芯片的厚度，但是对于如今主流的开孔指纹形式来说，问题并不大，因为芯片+盖板材料（或Coating）直接与手指接触，仍然可以实现较好的指纹识别体验。　　9　　图：目前主流的正面开孔指纹芯片封装-wire bonding　　2016年以来，一些手机厂商开始向苹果学习，对指纹识别芯片进行小规模的trench或TSV封装，如华为Mate9 Pro采用的是trench+TSV封装工艺（比直接TSV工艺容易一些）。因为先进封装直接的好处就是信号变强，指纹识别精度体验更佳，更重要的是芯片厚度变薄，从而缩减指纹模组的高度，可以扩大屏占比。　　前文提到，电容式Underglass方案与正面盖板“超薄式”方案是指纹识别两个重要的趋势。一方面，对于 “超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别方案，由于玻璃非常薄，传统的wire bonding封装难以有效缩减芯片厚度，采用TSV封装可以解决该问题。　　另一方面，对于电容式Under Glass方案——在盖板玻璃的正面或背面开盲孔，芯片是直接内置于盖板玻璃之下的，本来电容信号穿透玻璃就已经存在较大困难，如果还有塑封材料的话，信号质量将更加堪忧。如果不采用塑封的话，wire bonding的键合线直接暴露在外，会导致芯片正面不够平整，是无法与盖板玻璃紧密贴合的。采用TSV封装可以解决该问题。因此，我们认为TSV封装将取代wire bonding是必然的，“TSV+SiP”的封装工艺将成为整个指纹芯片的关键，具备先进的TSV和SiP封装工艺的厂商将受益。　　9　　图：TSV封装　　11　　图：正面盲孔Underglass 指纹识别TSV 封装结构　　2、玻璃加工至关重要，工艺难度大，良率问题是瓶颈　　对于电容式Under Glass指纹识别，目前非常大的困难在于玻璃挖槽的良率问题，因为现如今的手机正面2D玻璃非常薄（0.5mm左右），2.5D玻璃0.7-0.8mm，直接进行挖槽的话，极容易造成玻璃的损坏。　　13　　图：盲孔式指纹识别玻璃加工要求高　　手机越来越薄是趋势，这也是手机的重要卖点，因此各大厂商竞相追逐更加薄的盖板玻璃，目前普通的手机2D盖板玻璃厚度在0.5mm左右（2.5D玻璃为0.7mm左右）。根据我们前文的分析，如果采用玻璃挖盲孔（正面或背面）的方式来实现指纹识别的话，为了保证电容式指纹识别的效果，需要将玻璃挖出0.2-0.3mm的方形盲孔，同时，玻璃在减薄之后，剩下的部分厚度仅为0.2-0.3mm，玻璃槽面的平整度、直角的弧度、锲边的垂直度对于指纹识别的最终效果影响极大，是最关键的几个因素，这对于玻璃加工的要求非常之高，远高于目前玻璃加工企业的良率保证水平。　　图：CNC 精雕机用于玻璃开孔和磨边　　对手机玻璃进行开孔和磨边的主要设备是CNC精雕机，目前大多数CNC产品的尺寸精度为0.01mm，崩边量不大于0.01mm，如此的精度对于玻璃挖盲孔而言是不够的。　　3D玻璃受到追捧，已经开始大规模应用。智能手机外壳材料经历了塑料、金属、玻璃的发展过程。目前主流的旗舰手机大多正面采用2D/2.5D玻璃、背面为金属机身。三星2016年发布的Galaxy S7 Edge采用了3D曲面玻璃的外观设计，被称为是当前颜值最高的手机，并受到了市场的热捧，一季度Galaxy S7/Edge销量达到1000万台。　　2D玻璃盖板或外壳是普通的平面玻璃，而2.5D玻璃盖板或外壳正面是平的，但边缘部分向下凹陷成一个弧形，3D玻璃盖板或外壳的整个正面都会发生弯曲，凸出向外。　　对于2.5D和3D来说，在玻璃上挖盲孔是更加困难的。普通的2D玻璃是完全平面的，而2.5D和3D玻璃时经过热弯处理之后，玻璃的厚度已经变的不均匀，在这种情况下，继续进行挖孔的话，更加难以控制槽内的平整度和垂直度。　　综上所述，我们认为，在电容式Under Glass方案中，玻璃加工的重要性越发的明显，玻璃加工的良率将直接影响指纹芯片的效果和成本，具备高品质、高技术玻璃加工的公司将显著受益。　　3、芯片设计和算法是识别效果的核心因素　　由于电容式识别方案在原理上，其信号是难以穿透玻璃的。尽管指纹识别芯片设计公司详尽一切办法（包括成功添加射频功能），使得指纹信号勉强可以突破0.1mm 厚度的蓝宝石/玻璃/陶瓷，但是检测到的信号是非常弱的，识别的算法仍然是至关重要的。　　对于电容式Under Glass 方案而言，指纹信号需要穿透的玻璃厚度为0.2-0.3mm，传统的电容式算法是无法回收足够信噪比的信号。除了要提升驱动IC 的信噪比外，软件算法的know how 更重要。算法方面的另一个难点则是由于图像距离变远，图像是比较虚的，如何让图像变得更清晰？这里涉及图像预处理的问题；另一个则是图像匹配的问题，由于图像质量比前一代的要差，图像匹配就会变得更困难，这里算法就更复杂了。　　例如，国内的汇顶科技，就针对IFS 方案专门开发了自适应深度传感技术和可变增强图像处理技术。　　17图：汇顶科技针对IFS 的自适应深度传感技术　　未来超声波式指纹识别产业链分析　　对于未来的光学式Under Display指纹识别方案，产业链与电容式方案将大为不同。出于信号信噪比的考虑，为了与手机显示屏中的RGB可见光相区分，同时减少环境光线的干扰，光学式指纹识别将采用近红外光的光源。类似于虹膜识别、主动式人脸识别的产业链结构，整个产品的核心除了算法之外，在硬件端最重要的变化，就是多了近红外光源、光学器件（RGBIR滤色片）、图像传感器等。因此近红外LED光源提供商、光学滤色片供应商和光学图像传感器厂商将显著受益于本方案。　　整个超声波指纹识别产业链可以划分为三大部分：算法、硬件和模组制造。　　图：超声波指纹识别产业链结构　　1、算法方面　　成熟的技术方案主要掌握在少数大厂手中，如高通旗下的Ultra-Scan，与苹果合作的Sonavation，芯片大厂Invensense，国内公司还不具备相应的技术实力。　　2、硬件方面　　主要包括MEMS 超声波传感器、ASIC 芯片、柔性PCB 板和IC 分立器件等。其中，MEMS 超声波传感器主要部件为超声波发射层与接收层（压电材料）和TFT（薄膜晶体管）电路层。　　（1）压电材料　　目前，高通采用的是PVDF 有机聚合物压电材料，InvenSense 采用的是AlN 压电陶瓷，Sonavation 采用的也是压电陶瓷材料。PVDF 的功耗低，适合移动终端，但是效率和频率都低于压电陶瓷材料，器件性能一般。而压电陶瓷材料，如AlN、PZT、ZnO等，产业链相对成熟，器件的响应效率高。其中，AlN 声速高、热导率高、损耗低、可以与CMOS 工艺兼容，因此比较利于实现声表面波器件的高频化、高功率化、高集成化，是潜力材料，现在的问题就是相比于PZT、ZnO 的压电系数偏低。　　在压电陶瓷材料方面，国内公司有三环集团、捷成科创等，其中在最佳的AlN 压电材料方面，目前国内参与的公司或机构较少，清华大学微电子学院在AlN 方面具备一定实力，北京中科汉天下正在建设AlN 生产线，计划用于FBAR 滤波器。　　（2）MEMS 制造　　MEMS 超声波传感器是由大量的超声波传感器阵列构成，技术难度大，壁垒高，主要通过MEMS 和CMOS 工艺结合的形式进行制造和封测。因此具备MEMS 设计、制造和封测技术的厂商将显著受益这一些市场。　　目前Invensense 的MEMS 超声波传感器主要是新加坡IME+格罗方德代工，其中新加坡IME 负责AlN 压电陶瓷的研发，格罗方德负责MEMS 的量产。　　（3）ASIC 芯片　　由于具备3D 指纹图像信息采集，甚至有望实现皮肤组织结构和血管内血流信息采集，因此超声波指纹识别对图像的处理要求更高，这使得高通等公司直接在其技术方案里集成了专用的ASIC 芯片。　　3、模组制造方面　　由于超声波指纹识别技术还没有大规模商业化普及，高通的技术方案刚刚被小米采用。因此，在模组制造方面，国内公司还不具有相关经验。但是，在电容式指纹识别领域，国内公司舜宇光学、欧菲光、丘钛科技、硕贝德等已经积累了丰富的指纹识别模组制造经验，有望在未来的超声波指纹识别市场中受益。
2017-08-17 00:00 阅读量：1951
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