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超薄屏下光學指紋技術成助燃5G新動力

來源:EEFOCUS 2019-09-11 11:12中投投資咨詢網 A-A+

   什么是屏下指紋技術?

  當蘋果發布了新款iphone的人臉識別解鎖機制時,不少人認為傳統的指紋識別方法很快就會被遺忘。此時,android手機廠商正大力探索一項功能更先進的技術更新,將其作為生物識別技術的首選,標志著指紋傳感技術的某種程度的回歸。

  這種新機制被稱為屏下指紋技術(fingerprint-on-display),也就是常說的FoD。較量一觸即發,FoD技術的誕生早就埋下了競爭的種子,旨在取代手機中其他生物識別方法,如虹膜識別和面部識別。

  屏下指紋識別技術,也稱為“隱形指紋技術”,是通過將指紋識別傳感器放置于屏幕玻璃下方,從而完成指紋識別解鎖過程的新技術。相比傳統的指紋識別,屏下指紋無須在手機正面設置額外的指紋識別窗,因而可以極大地提高手機的屏占比,帶來震撼的視覺效果和極佳的使用體驗。

  屏下指紋技術有哪些?

  目前常用的指紋識別方式分為四種:光學式、超聲波式、電容式和熱感式,其中超聲波和光學方案為主流的屏下指紋方案。

  電容式指紋技術是一種利用指紋sensor與導電的皮下電解液形成電場,指紋的高低起伏會導致二者之間的壓差出現不同的變化,借此可實現準確的指紋測定。電容式指紋技術成熟,成本低廉,但穿透力較弱。

  光學指紋技術目前主要分為專門針對有機發光二極管(organic light emitting diode,OLED) 顯示面板的屏下指紋模組和針對傳統液晶面板(LCD)的屏下指紋模組。在OLED顯示面板中,由于每個像素是否發光可以單獨控制,理論上講,可以將指紋模組置于任一像素下方,在指紋識別模式激活時,相應的像素發光,照亮位于面板玻璃上方的指紋,被指紋反射后的光線經過透鏡準直,被位于發光像素下方的光學識別模組接收,轉化成微弱的電流信號被識別,由于指紋存在脊和谷,其對應的光電流有所不同,通過識別該光電流就可以實現指紋識別。OLED 顯示面板屏下指紋識別的好處在于可以將指紋置于任一像素下方,僅依靠某幾個像素提供照明光,功耗較低。但是,由于屏下指紋識別模組和 OLED 顯示面板成本都比較高,所以整體成本偏高。屏下光學指紋系統包含光學系統設計、圖像傳感器、算法三個部分。

  超聲波指紋技術是一種利用了超聲波具有穿透材料的能力,所使用的超聲波頻率為1×104 ——1×109Hz,能量被控制在對人體無損的程度。在進行指紋識別時,超聲波傳感器發射超聲波,入射到手指上,由于指紋存在脊和谷,導致超聲波傳播路徑長度不同,所以被指紋的脊和谷所反射的回波到達超聲波接收器的時間就有所差異,分析處理這些差異就可以描繪出指紋圖譜,因此抗污能力高。由于超聲波傳感器的尺寸很小,所以在屏下指紋識別領域具有廣闊的應用前景。目前的超聲波屏下指紋技術主要包括兩種實現方式,第一種是將超聲波傳感器置于屏幕的非顯示區域,例如手機的四個邊框內部,通過多個傳感器的協同工作識別指紋,另一種方式是將超聲波傳感器陣列直接置于手機屏幕下方,實現真正意義上的屏下指紋識別。另外,由于超聲波具有比較強的穿透性,可以穿透金屬、玻璃等常用手機材質,因此對手機外觀方面也不會有太多限制,但成本較高。

  5G時代,光學指紋重返戰場

  某項技術出現的早并不與“OUT”劃等號,就像光學指紋一樣,它的誕生早于其他幾種指紋識別方案,但曾經的光學指紋識別由于其防偽度低、功耗大、識別精度較低、體積大等缺點,很快被電容屏趕超,促就了一段電容式指紋技術霸市的歷史。

  而今,5G時代到來,各項相關也太也在悄悄改變。其中,5G手機的三大“特色”與屏下光學指紋技術的發展息息相關。

  “電老虎”:由于5G通信頻段的固有特性, 5G手機耗電量較4G而言高了不少,這對電池的容量提出了挑戰,而在技術相當的條件下,容量越大,電池體積也就越大,同時由于5G手機功耗大導致散熱成為行業熱點,此時采用尺寸更小的元器件無疑至關重要,有效的利用內部結構則也變得愈發重要。

  “天線陣列擴張”:5G手機中除了主通信芯片用于訪問運營商網絡需要天線陣列外,手機還有Wi-Fi功能、藍牙功能、GPS功能、NFC功能以及無線充電功能,都需要不同的天線。因此要在本來就已經很擁擠的手機里面塞進去這么多天線,就必須在其他項目的空間上有所犧牲;同時天線設計的變更對屏下指紋也對抗干擾性能提出了新的挑戰。

  “全面屏”:全面屏是用戶良好體驗的選擇,越來越多的智能手機在向全面屏方向發展,細數今年發布的5G手機,各大廠商不約而同地選擇了全面屏設計,因此必須省去原來 home 鍵的空間預留。

  對比5G手機的三大特色,屏下光學指紋技術具有薄、可安裝于屏下且不影響攝像頭等特點,成為了新一代的寵兒。

  其實,當初基于Wire Bonding技術的COB光學指紋模組體積并不小,并且功耗也相對較大。但隨著技術的不斷發展,CSM (chip-scalemodule)方案中Flip-chip方式的采用使得模組面積可縮減50%,同時在Z軸方向上也實現了薄化,指紋模組小型化成為了可能。

  為什么目前只有OLED+屏下光學指紋?

  LCD屏幕厚度過高,透光性不好,傳感器很難讀取到指紋。再加上LCD不能主動發光,其背光光源會干擾光學指紋識別,所以現在還沒有量產的LCD屏下指紋手機。對比LCD屏幕,OLED更薄,透光性更好,系統可以控制屏幕每一個像素點的發光狀態,可大幅減少干擾光源,所以無論是基于CMOS圖像傳感器的光學成像機制還是利用超聲波技術的解決方案,目前只有OLED滿足要求,也因此OLED成為了目前屏下指紋手機的首要選擇。

  LCD+屏下光學指紋今年有望技術突破

  LCD并沒有被宣判死刑,LCD屏下指紋的研發一直在進行中。

  國內指紋識別廠商匯頂科技在2019半年報投資者交流會上表示LCD的屏下光學指紋產品正在緊鑼密鼓的研發中,預計今年年內量產,與此同時,5G手機的超薄屏下指紋方案也將進入規模量產。

  同樣的,京東方高管劉曉東在MWC分論壇 ——2019全球顯示精英峰會上也表示:全屏手機在折疊屏真正普及前將有較穩定的形態,京東方將于2019年底量產LCD屏下光學指紋傳感方案,LCD屏下指紋將成為未來兩年的發展方向。

  屏下指紋技術發展前景

  隨著手機廠商的大規模應用,屏下光學指紋識別在智能手機市場上的滲透率也會迅速攀升,其中又以屏下光學技術發展最具突破性。

  IHS Markit 2019年顯示指紋技術和市場報告顯示,今年FOD模塊出貨量將達到近2億臺,較2018年約2900萬臺的低基數增長近580%,考慮到一些影響因素的變化,包括FOD模塊的可用性和價格,對今年市場業態十分有利,2019年的出貨量可能高達2.4億臺。另外據IHS Markit預測,三星今年對FoD的需求可能達到7000-8000萬臺,而中國頂級品牌則需要1.2-1.3億臺。

  國內外業態分析

  2019作為5G的元年,通訊業高速發展,各大手機廠商調整發展方向,進軍5G領域。作為全球手機三巨頭的三星、華為、蘋果都對各自旗艦機種的指紋識別策略進行著重大變革,影響了全球指紋識別產業格局的分布,指紋識別模組廠商也因FoD技術的興起,終于在“跌跌不休”的傳統指紋模組市場中有了起色,進而促使這條產業鏈上的廠商重燃激情,積極布局下一代指紋識別技術的研發與量產。

  指紋識別產業鏈主要分為芯片設計環節、芯片制造環節、封裝環節、模組制造環節以及整機廠商。根據不同方式的屏下指紋識別技術分,光學式指紋技術的供應商主要有美國的Synopsys、中國的Goodix、中國臺灣的Egis Tech和韓國的CrucialTec;電容式指紋技術的供應商主要有美國的Synopsys、中國的Goodix、中國臺灣的Egis Tech和韓國的CrucialTec;超聲波式指紋技術的供應商主要有美國的高通、韓國的三星、美國的AuthenTec(被蘋果公司收購)、瑞典的FPC以及中國的思立微。

  將光學式指紋識別技術產業鏈進行細分,大致歸總如下:

  演算法晶片: Synopsys、FPC、三星、匯頂、思立微、阜時和神盾。

  Lens & 濾光片: 大立光、舜宇光學、玉晶光、關東辰美、水晶光電。

  CMOS:SONY、三星、海力士、安森美、豪威科技。

  模組封裝: 歐菲科技、丘鈦科技、信利國際。

  終端客戶: 華為、OPPO、vivo、小米、三星。

  下面用一張表格來介紹一下目前國內外的手機終端廠商在光學指紋方案供應商方面的選擇,圖表也驗證了匯頂科技今年的業績頗豐。

  總結語

  隨著5G時代的到來,全面屏時代的開啟,傳統指紋識別方案中需要獨立實體觸摸區的設計將逐漸被替代,屏下指紋具有廣闊的應用前景。

  從應用的角度來看,屏下電容式指紋識別技術成熟,但是穿透力很差將逐步被替代,未來是屬于光學指紋技術和超聲波指紋技術的天地。光學屏下指紋和超聲波屏下指紋是未來一段時間內屏下指紋識別的兩種主要方式,各有優點和不足。

  從屏下指紋芯片發展趨勢來看,未來的屏下光學指紋識別勢必會朝著操作方便、可靠性高、速度快、準確度高、自適應性好、體積更小,高度更薄的方向發展。

  從產業鏈上的企業發展來看,誰能率先掌握突破性的技術并提升制造良率,誰就能在同質化嚴重的手機市場脫穎而出,占據市場有利地位。

關鍵詞:光學指紋
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