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| 本文作者： dragondevil | 2016-03-04 19:23 |
【編者按】本文作者為microarray首席科學家，電子和軟件設(shè)計師。
（Fig1. 小米5的露臉照）
距離小米4發(fā)布19個月后，小米5終于發(fā)布了。在小米手機歷史上，這是時間差最大的兩代產(chǎn)品，而指紋識別的研發(fā)可能是小米5跳票的原因之一。作為中國互聯(lián)網(wǎng)手機第一品牌，小米在沖擊高端時必須做到跟其它主要品牌的差異化，與華為旗艦機對彪乃是米粉們對小米5的期待。如今，小米5不負眾望地超越了背置指紋識別的“華為Style”，將指紋集成入長方形的Home鍵中。
（Fig2 小米5的指紋識別的接觸面積比其他同類產(chǎn)品小一些，按鍵顯得比較細長。）
自iPhone 5S將指紋識別引入智能手機以來，對指紋識別技術(shù)運用一直存在5類紛爭：陣營之爭、類型之爭、材料之爭、前后之爭、尺寸之爭。就著小米5發(fā)布的熱度，我們來分析一下小米5指紋識別背后的技術(shù)原理和行業(yè)故事。
（Fig3. 主要供應(yīng)商的信息。編者注：Goodix或有發(fā)明專利授權(quán)）
選擇有經(jīng)驗的長期從業(yè)者和無經(jīng)驗的跟進者，是為小米5選擇指紋識別供應(yīng)商的第一道關(guān)。
指紋傳感不是某種特定的傳感技術(shù)，因為指紋是人體生理特征，而傳感器所采集的是某一種物理量。共有“聲光電熱壓”五類物理方法用作指紋圖像采集。其中光類型應(yīng)用超過30年，但體積不適合智能手機；電類型（電容/微波/電感在物理上是等價的）的市場應(yīng)用約10年光景；其余類型尚未市場應(yīng)用。由于人體差異大，指紋傳感器很容易出現(xiàn)對一些人好使而對另一些人失效的毛病，甚至在一段時間后對同一個人失效。所以指紋傳感器的設(shè)計者要對所選物理測量下的人體差異性心中有數(shù)，否則就會造成大量的技術(shù)性失效。由于這是商業(yè)秘密型的知識，只有經(jīng)歷過長期試錯才能累積設(shè)計經(jīng)驗。
去年某指紋供應(yīng)商曇花一現(xiàn)，第一次設(shè)計就做大量的小品牌試單，在面對面銷售的時候?qū)е孪M者無法使用，透支了信譽敗掉了未來。另一指紋供應(yīng)商為避免面對面銷售的“立即死”效應(yīng)，專做電商平臺出貨的互聯(lián)網(wǎng)手機品牌。可惜互聯(lián)網(wǎng)手機都有粉絲論壇，在手機銷售一段時間后累積了海量的對指紋失靈和誤識別的投訴。
鑒于互聯(lián)網(wǎng)投訴任何人都可以查證和統(tǒng)計，阿里巴巴的安全部門也可以，于是這些手機的指紋支付之路就被黑心供應(yīng)商埋下了障礙。哪怕已經(jīng)開通指紋支付的手機，在ROM升級后被關(guān)閉支付寶指紋支付的例子，大家不得不引以為戒。
小米作為中國最大的互聯(lián)網(wǎng)手機品牌，在沖擊全球一線品牌的過程中，手機指紋支付是必須的一張牌。這就是小米5選擇了Fingerprint Cards（簡稱FPC）作為指紋Sensor供應(yīng)商的原因。
說到FPC不得不八卦一下。這個瑞典廠商的中國情結(jié)頗深，于1997年成立，但直到2014年華為Mate7發(fā)布之前完全依賴中國銀行系統(tǒng)的訂單而存活。我們在各銀行柜臺看見的柜員指紋認證器大部分是FPC1011。FPC跟我本人的淵源也頗深，我對面型電容式指紋應(yīng)用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計就主要是基于FPC1011。如今我發(fā)明了第四代“C-Q-T”技術(shù)，建立邁瑞微來與老基友同堂競技，在商言商之外，也惺惺相惜。因為供應(yīng)鏈的交疊，F(xiàn)PC的技術(shù)發(fā)展有相當比重沾了邁瑞微研發(fā)成果的光，例如微晶鋯蓋板會在下面提到。
前面提到“聲光電熱壓”五大類里只有光和電有應(yīng)用，考慮到這本身是市場選擇的結(jié)果，所以分析物理規(guī)律本身還是有必要的。
從成像原理講，指紋成像分集束成像和接近成像。
所謂集束成像，通俗點講就是利用物理量傳播的集束性（方向性）成像。光有最好的集束性，可以通過光學系統(tǒng)以非常高的分辨率成像。光學式指紋傳感器中，與手接觸的是光學系統(tǒng)，脆弱的傳感器件因光學系統(tǒng)而得到保護，從而達到應(yīng)用條件。
（Fig4. 光學集束型成像示意圖）
所謂接近成像就是利用指紋脊線谷線交替的空間結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生某種受該空間差異影響的物理量場。可以選擇的有電場、熱場和壓力場，而決定這3類成敗的是哪一種物理量場在穿透足以保護傳感部件的介質(zhì)之后衰減量最小。市場之所以選擇了電容式指紋傳感器，正是因為電場穿過足以保護指紋傳感器的介電物質(zhì)后，衰減尚可接受。
（Fig5. 電容指紋傳感器接近成像原理）
超聲波是介于集束成像和接近成像之間的物理量。如果采用接近成像，除了能穿透金屬相對于電容式而言有點差異外，沒有什么性能優(yōu)勢。如果采用集束成像，原理上是可以穿透較厚的介質(zhì)，但由于聲波集束性取決于波長和發(fā)射接收極的尺度關(guān)系，當波長遠小于發(fā)射接收極的尺度時才有集束性。考慮到指紋傳感器的像素大小是50um，利用聲波集束性要求頻率達到100MHz以上。雖然制造這個頻率的單點聲發(fā)射接收極很簡單，但制造過萬點的陣列又是另一回事，所以即使有高通的支持，Ultrascan還是沒能實現(xiàn)量產(chǎn)。而且即使勉強量產(chǎn)，缺乏應(yīng)用經(jīng)驗的大坑還等著呢。
到今天為止，電容式指紋傳感器一共發(fā)展出4代技術(shù)。
第1代被動型產(chǎn)生于1980年代，屬于未認識到電場傳感規(guī)律時代的產(chǎn)物，要求指紋非常貼近像素電極，所以像素電極的尺度是50um，而第1代電容式指紋傳感器能容忍的介質(zhì)厚度上限也就50um，超過這個值就衰減很快。
第2代主動型產(chǎn)生于1990年代，是認識到電場傳感規(guī)律后的產(chǎn)物，除了使用激勵發(fā)生器外，傳感器內(nèi)部也根據(jù)此時的傳感信號特點做了優(yōu)化。
第3代RF型產(chǎn)生于2000年代初，是第2代的升級版，區(qū)別是第2代采用直流電場，而第3代采用交流電場，提高了靈敏度。
第4代“C-Q-T”型產(chǎn)生于2010年代初，是當代集成電路設(shè)計技術(shù)和第3代理論結(jié)合的產(chǎn)物，提高了可靠性、可測性和可制造性。
由于第3代技術(shù)被蘋果獨占專利，作為國際化品牌的小米自然不會去接觸任何第3代技術(shù)的跟隨者。而第4代技術(shù)還在成長期，所以小米5也沒有選擇第4代技術(shù)，在采用第2代技術(shù)的基礎(chǔ)上借鑒了第4代技術(shù)研發(fā)中的延伸成果，就是“微晶鋯”蓋板。
iPhone 5S起蘋果堅持在Touch ID上使用“藍寶石”蓋板，學名叫三氧化二鋁單晶體。
小米5則使用了能對彪藍寶石的“微晶鋯”蓋板，學名叫二氧化鋯陶瓷。
微晶鋯蓋板的供應(yīng)商是潮州三環(huán)（深交所股票代碼“三環(huán)集團”），以前介紹過的“國產(chǎn)Touch ID”的蓋板就是由這家中國本土的高科技材料公司研發(fā)的。2014年3季度起，三環(huán)公司與邁瑞微共同研發(fā)適合指紋傳感器蓋板的二氧化鋯陶瓷材料，并在“國產(chǎn)Touch ID”這個項目上進行了量產(chǎn)，并依靠邁瑞微的支持和華強北的試用，在小米5這個項目上，潮州三環(huán)靠產(chǎn)品品質(zhì)把同期研發(fā)的日本京瓷給淘汰掉，為國產(chǎn)新材料長了臉面。
（Fig6. 華強北才是世界上最早應(yīng)用微晶鋯指紋蓋板的地方）
“微晶鋯”在指紋傳感器蓋板應(yīng)用上優(yōu)勢極大。
氧化鋯的莫氏硬度8.5，氧化鋁為9.0，都大于把手機屏幕磨花的罪魁禍首石英的莫式硬度8.0，都能完全避免磨損。（和微晶鋯比起來，談H硬度的渣渣都可以死一邊去，H硬度指鉛筆硬度，莫式硬度是礦石硬度，再硬的鉛筆能和礦石比嗎？）
在電容介質(zhì)的角度，氧化鋯的相對介電常數(shù)接近氧化鋁的3倍，這能大幅度降低指紋電場的衰減；陶瓷結(jié)構(gòu)使微晶鋯的韌性比藍寶石優(yōu)越得多，同時成本卻低得多。
可是為什么這么好的材料蘋果不用，難道蘋果也只選貴的不選對的么？其實是因為微晶鋯陶瓷本體顯色，不像透明的藍寶石用油墨顯色，顏色的純度要通過深入的材料研究來實現(xiàn)。
（Fig7. 彩色微晶樣品展示）
正是看到了氧化鋯作為材料的優(yōu)勢，以及有一定能研發(fā)成功的底氣，邁瑞微當仁不讓成為微晶鋯指紋蓋板的伯樂和共同研發(fā)單位。
不過，蓋板強度除了靠材料，也靠尺度來實現(xiàn)。邁瑞微在2014年就可以量產(chǎn)使用200um厚微晶鋯蓋板的指紋模組，但到了2016年FPC還只能采用不超過100um厚的微晶鋯蓋板。所以在堅強程度上面，邁瑞微領(lǐng)先FPC這個老基友一程。至于有些國內(nèi)廠商堅持使用的玻璃，介電常數(shù)低、脆、不耐磨，除了廉價沒優(yōu)勢。通常性能低的廉價材料只運用在低端產(chǎn)品上，在智能手機上塑料外殼搭配恰好。
所以在材料選擇上，小米5緊跟華強北，第一次走在了所有國產(chǎn)品牌手機的前面。
指紋識別設(shè)計該放前面還是后面？
產(chǎn)品是美學和工業(yè)設(shè)計的妥協(xié)，無論美學角度還是工業(yè)設(shè)計角度都很主觀。當小米5在官網(wǎng)秀出露臉照，與華為Mate8在官網(wǎng)的露背照對比時，美學上還能有疑義么？至于工業(yè)設(shè)計，一直以來，Android手機以窄邊框為趨勢，LCD只能從上方或者下方出線，但上方有攝像頭，為了回避散熱和結(jié)構(gòu)的沖突，只能在下方出線，這就與實體按鈕發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉。
所以難的不是前置指紋按鈕，而是前置一個實體按鈕。既然小米5承擔了小米品牌沖擊高端的重任，美型和手感上來不得半點馬虎，于是前置就成為必然選擇。
（FigN. 華為Mate8的官網(wǎng)露背照）
蘋果第一代Touch ID僅88 x 88 @ 508 dpi = 19.36平方毫米，從iPhone 6S起，蘋果悄悄把圖像面積提高到96 x 112 @ 508dpi = 26.88平方毫米。
小米5選型的FPC1140的圖像面積是192 x 56 @ 508 dpi = 26.88平方毫米，是不是跟第二代（iPhone 6S）Touch ID一模一樣？
指紋圖像的面積相當于數(shù)字密碼的長度，信息量越大安全性越高。Authentec（蘋果）和FPC對Sensor圖像面積的答卷都是26.88平方毫米，這就是長期從業(yè)者對技術(shù)的敬畏和對產(chǎn)品的節(jié)操。邁瑞微的產(chǎn)品圖像面積在32平方毫米以上，比兩個老基友更加有節(jié)操。這并不是因為算法能力弱，而是為了更高的使用體驗留下空間。
例如華為旗艦機作為背置指紋傳感器里使用體驗最好的，就得有160 x 160 @ 508dpi = 64平方毫米的大個頭，才能使消費者按偏時也能識別。與此同時有些二線手機品牌論壇上不遺余力地教育消費者保養(yǎng)手指皮膚，正向細心輕重適宜的按壓指紋，不正是差距么？
說到使用體驗，F(xiàn)PC1140的圖像面積雖然和Touch ID一致，但畢竟形狀上有不足。當注冊指紋圖像和匹配指紋圖像有旋轉(zhuǎn)角度時，指紋圖像越接近正方形越能保證重疊面積。對于長方形，尤其是長寬比較大的長方形指紋傳感器，唯一的辦法是在注冊時盡可能多的采集各區(qū)域的圖像，并將其拼起來，從而使得任何方向按壓指紋都可以與注冊圖像有足夠的重疊面積。盡管小米5的真機還沒到手，不妨猜想小米5的注冊次數(shù)會遠遠高于iPhone 6S，也許會達到24次之多。如果處理得當?shù)脑挘@對使用體驗的影響應(yīng)該還是可以接受的。
小米5在指紋識別技術(shù)上的慎重是有原因的，在web2.0和大數(shù)據(jù)年代，作為互聯(lián)網(wǎng)智能手機的開山鼻祖，小米公司必然很清楚口碑的重要性。如果選錯指紋技術(shù)，只因為指紋不好用導致大量的退換貨也就罷了，最怕的是無節(jié)操的供應(yīng)商為了提高使用中的通過率而降低匹配相似度門限，爆出大比率的誤識別。
要知道，中國大數(shù)據(jù)分析最強的云平臺和最大的支付平臺都屬于阿里巴巴集團。但現(xiàn)實中卻有一些手機公司的管理人員刻意回避指紋識別行業(yè)資深人士的專業(yè)意見，“選錯陣營、選錯材料、選錯尺寸”，既對消費者不負責任，也作死了該手機品牌的指紋支付之路。因為如果再進一步把錯誤升級到未市場驗證的物理類型，指紋支付的路說不定就斷了。新技術(shù)有風險，互聯(lián)網(wǎng)公司在擴展硬件產(chǎn)品的過程中不能像在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一樣激進，而要注意硬件的深技術(shù)特點，多聽聽業(yè)內(nèi)資深人士意見，兼聽則明。
最后再一次為小米5鼓掌，希望雷布斯始終堅持對米粉的承諾，做一流的手機。
編者注：關(guān)于iPhone6s的指紋識別作者曾做過深度分析，具體可看雷鋒網(wǎng)文章：《Touch ID變大！iPhone 6s的Home鍵下面隱藏著什么秘密？》
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