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辨識技術落伍了?全板螢幕也能指紋辨識
超音波指紋辨識解決方案

【作者: 葉奕緯】   2018年01月23日 星期二

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2017年11月蘋果公司推出的iPhone X,其中,最引發民眾熱議、媒體爭先報導的首推「臉部辨識解鎖技術」,蘋果也因此取消了Home鍵設計,實現滿板螢幕,與臉部解鎖相對應的指紋解鎖卻消失在蘋果手機上,難道指紋解鎖已經過時了嗎?


傳統上的指紋解鎖,多是使用垂直感測的電容式技術,如蘋果的Touch ID,然而受限於穿透能力的限制(目前電容式技術約只能穿透300到350μm左右的厚度),多家業者如高通(Qualcomm)和Fingerprint Cards(FPC)也開始研發「指紋超音波傳感技術」(Fingerprints’ ultrasonic sensing technology),而台灣的指紋辨識晶片大廠神盾(Egis)積極研發「光學式指紋辨識晶片」也在第三季送樣,預計2018年開始供貨給三星旗艦機種。


以高通Snapdragon Sense ID指紋超音波辨識技術來說,它可以直接嵌入在玻璃或金屬底下,並在顯示面板上的任何位置捕捉指紋,因此也不需要按鈕(HOME鍵)辨識指紋,正面玻璃從此無須開孔,大大增加手機外觀的一致性。


當前的測試中,高通的技術是少數可以在AMOLED及LCD面板上使用的屏內指紋(in-display)技術,即使是在手指潮濕的情況下,也能夠正常使用,今年6月在上海群雄集聚的世界移動大會(MWC Shanghai)上,中國手機大廠Vivo在展示機Xplay 6的面板中,加裝高通所研發的第二代超音波指紋辨識方案,艷驚四方,並提供民眾實體測試,現場還備有專用水缸,以供測試水下的指紋解鎖技術。



圖1 : 新型指紋辨識可以應用於OLED/LCD面板上。(source:FPC)
圖1 : 新型指紋辨識可以應用於OLED/LCD面板上。(source:FPC)

除此之外,高通的超音波指紋辨識技術還可以運用在各種材料(包括金屬)上,其中一項測試結果顯示,厚玻璃也能夠正常感應,新一代的超音波指紋辨識模組得以穿透厚度達800μm的保護玻璃,或者是厚度達650μm的鋁板,Vivo手機甚至能用超音波的穿透能力來偵測血流與心跳。


高通的指紋辨識技術是有能力感測到手指指紋的表皮層、真皮層,能夠防止橡膠手套做假,抗污、抗汗、防塵干擾的能力更強,前景備受看好。雖然Vivo在世界移動大會上已向民眾展示高通超音波辨識技術的應用,然而當前的成本高於電容式模組的3到5倍,未來具體發布的時程也仍未公布。


生物辨識技術成為兵家必爭地

生物辨識技術一直是全球手機大廠爭相研發,奠定主場的新興領域,其中包括指紋、虹膜、臉部、聲音等不同類型,自從2013年蘋果iPhone 5s率先採用電容式的指紋辨識,並結合了手機開鎖、電子付款、身分確認等功能應用,才開始在智慧型手機上引發熱議,各大手機品牌大廠也隨之跟進,如今,多項品牌旗艦機也已經導入指紋辨識系統。


研發初期因為成本過高,並非每一家手機品牌商都有機會跟進,一直到2015年Android 5.0才內建原生指紋辨識,在指紋模組的價格降低後(近兩年下跌近50%),使用滲透率才大幅提升。


為了因應手機品牌商的需求,上游的IC設計商也積極搶食大餅,除了早期的新思(Synopsys)、Fingerprint Cards(FPC),還有台灣廠商神盾、義隆、敦泰,大陸廠商匯頂、思立微,以及實力雄厚的全球手機晶片龍頭高通。


為了做出產品區隔,各家品牌商的按鍵設計不一,有人設置在HOME鍵,有人設置在手機背面,或是側邊位置,然而做法都難以兩全。


Home鍵的設計,會占用一部分的螢幕空間;然而移到手機背部,使用的便利性就會稍差,也缺乏直覺;移到側面與電源按鈕結合,則會讓邊框厚度增加,因此,各家手機品牌商都在努力尋求最佳解方。


如今,三星、蘋果兩大品牌爭相研發的成果──超音波式指紋辨識,是最有可能讓指紋辨識功能隱藏在手機面板之下的技術。


可惜的是,此一技術仍不成熟,原本有意率先導入的三星S8,因為測試結果顯示的客戶體驗性不高,而未即時採用,而蘋果的iPhone X則直接轉往臉部辨識發展。


然而臉部的成本高,便利性也存有疑慮,因此許多晶片廠仍持續研發指紋辨識技術。目前第一階段的超音波指紋辨識將隱身於手機螢幕上的特定位置,第二階段才有機會讓客戶在手機上的任何位置即時辨識。



圖2 : 感測指紋的能力也大幅提升。(source:FPC)
圖2 : 感測指紋的能力也大幅提升。(source:FPC)

當前的觸控解鎖競賽中,電容式技術已屆成熟,神盾、新思等既有指紋辨識晶片供應商,正轉而研發光學式取像技術(Optical Imaging or Optical Sensing),而高通則直攻超音波技術,若高通方案被品牌商接受,將會極大地排擠神盾、敦泰、義隆等台灣廠商。


業界指出,神盾明年僅可能接獲三星旗艦機種中,傳統電容式指紋辨識晶片訂單,光學式指紋辨識晶片恐怕是由進度較快的新思拿到三星訂單。法人則表示,iPhone X在11月的熱賣,恐怕將帶起臉部辨識的風潮,若是手機品牌商群起跟風,則會降低其他形態指紋辨識的採用意願,如在蘋果發布會後,神盾的股價便應聲下跌,從306.5元下滑至240.5元,跌幅高達21%。


整合面板的內嵌式技術

未來的螢幕辨識趨勢,也有朝向內嵌式觸控(Embedded Touch)前進的呼聲,讓螢幕面板不僅僅只有顯示功能,還能增加互動能力,將指紋模組的元件整合進面板上,降低手機內部的空間。


近年來,面板的功能性也大幅提升,從長方形的面板,提升到曲面螢幕,甚至是高占比化(Screen-to-body)的無邊框,加強了視覺體驗。此外,手機的功能鍵也漸漸地融入螢幕面板,相關指紋感測器也從矽晶片(電容式技術以8吋晶圓為主)轉為面板的薄膜電晶體(TFT),轉由軟體來設定螢幕上的感測區,安全性也大幅提升。


高通的超音波式指紋辨識,是以壓電材料PVDF(Poly-vinylidene Fluoride)作為發射端(Tx)與接收端(Rx),接收端布以TFT線路、匯流至後端的特定應用積體電路(ASIC)轉成指紋影像判讀;作為指紋感測器接收端線路的TFT,將取代昂貴的矽晶圓線路,期中合作的項目與鴻海相關。目前的光學式、電容式都是應用在光源之上,但超音波式則可以應用於光源之下。


雖然蘋果發表iPhone X後,引起面板廠一片風聲鶴唳,尤其是以指紋辨識研發為主的廠商,更是擔憂未來趨勢是否將以臉部辨識為主,尤其在電容式技術已發展成熟,卻受限於穿透能力不佳,而光學式、超音波式指紋解鎖技術還尚未普及問世之際,前路十分渺茫。


現在正時值重新定義供應鏈與生態圈的世代,各大面板紛紛以使用者體驗為最高宗旨,並積極較勁創新,對於消費大眾來說,未必不是一件好事,同時對蓄力已久的台廠來說,也是接受全球化市場的一次檢驗機會,2018年即將看出哪家廠牌的的眼光獨到且精準。


*刊頭圖(source:Mashable)


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