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探秘先进科技 小米5的指纹识别技术

2016-03-04 00:12
龙凰
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  接下来讲“类型之争”

  前面提到“声光电热压”五大类里只有光和电有应用,考虑到这本身是市场选择的结果,所以分析物理规律本身还是有必要的。

  从成像原理讲,指纹成像分集束成像和接近成像。

  所谓集束成像,通俗点讲就是利用物理量传播的集束性(方向性)成像。光有最好的集束性,可以通过光学系统以非常高的分辨率成像。光学式指纹传感器中,与手接触的是光学系统,脆弱的传感器件因光学系统而得到保护,从而达到应用条件。

  

  光学集束型成像示意图

  所谓接近成像就是利用指纹脊线谷线交替的空间结构,产生某种受该空间差异影响的物理量场。可以选择的有电场、热场和压力场,而决定这3类成败的是哪一种物理量场在穿透足以保护传感部件的介质之后衰减量最小。市场之所以选择了电容式指纹传感器,正是因为电场穿过足以保护指纹传感器的介电物质后,衰减尚可接受。

  

  电容指纹传感器接近成像原理

  超声波是介于集束成像和接近成像之间的物理量。如果采用接近成像,除了能穿透金属相对于电容式而言有点差异外,没有什么性能优势。如果采用集束成像,原理上是可以穿透较厚的介质,但由于声波集束性取决于波长和发射接收极的尺度关系,当波长远小于发射接收极的尺度时才有集束性。考虑到指纹传感器的像素大小是50um,利用声波集束性要求频率达到100MHz以上。虽然制造这个频率的单点声发射接收极很简单,但制造过万点的阵列又是另一回事,所以即使有高通的支持,Ultrascan还是没能实现量产。而且即使勉强量产,缺乏应用经验的大坑还等着呢。

  到今天为止,电容式指纹传感器一共发展出4代技术。

  第1代被动型产生于1980年代,属于未认识到电场传感规律时代的产物,要求指纹非常贴近像素电极,所以像素电极的尺度是50um,而第1代电容式指纹传感器能容忍的介质厚度上限也就50um,超过这个值就衰减很快。

  第2代主动型产生于1990年代,是认识到电场传感规律后的产物,除了使用激励发生器外,传感器内部也根据此时的传感信号特点做了优化。

  第3代RF型产生于2000年戴初,是第2代的升级版,区别是第2代采用直流电场,而第3代采用交流电场,提高了灵敏度。

  第4代“C-Q-T”型产生于2010年代初,是当代集成电路设计技术和第3代理论结合的产物,提高了可靠性、可测性和可制造性。

  由于第3代技术被苹果独占专利,作为国际化品牌的小米自然不会去接触任何第3代技术的跟随者。而第4代技术还在成长期,所以小米5也没有选择第4代技术,在采用第2代技术的基础上借鉴了第4代技术研发中的延伸成果,就是“微晶锆”盖板。

  这就要从材料之争说起

  iPhone 5S起苹果坚持在Touch ID上使用“蓝宝石”盖板,学名叫三氧化二铝单晶体。

  小米5则使用了能对标蓝宝石的“微晶锆”盖板,学名叫二氧化锆陶瓷。

  微晶锆盖板的供应商是潮州三环(深交所股票代码“三环集团”),以前介绍过的“国产Touch ID”的盖板就是由这家中国本土的高科技材料公司研发的。2014年3季度起,三环公司与迈瑞微共同研发适合指纹传感器盖板的二氧化锆陶瓷材料,并在“国产Touch ID”这个项目上进行了量产,并依靠迈瑞微的支持和华强北的试用,在小米5这个项目上,潮州三环靠产品品质把同期研发的日本京瓷给淘汰掉,为国产新材料长了脸面。

  

  华强北才是世界上最早应用微晶锆指纹盖板的地方

  “微晶锆”在指纹传感器盖板应用上优势极大。

  氧化锆的莫氏硬度8.5,氧化铝为9.0,都大于把手机屏幕磨花的罪魁祸首石英的莫式硬度8.0,都能完全避免磨损。(和微晶锆比起来,谈H硬度的渣渣都可以死一边去,H硬度指铅笔硬度,莫式硬度是矿石硬度,再硬的铅笔能和矿石比吗?)

  在电容介质的角度,氧化锆的相对介电常数接近氧化铝的3倍,这能大幅度降低指纹电场的衰减;陶瓷结构使微晶锆的韧性比蓝宝石优越得多,同时成本却低得多。

  可是为什么这么好的材料苹果不用,难道苹果也只选贵的不选对的么?其实是因为微晶锆陶瓷本体显色,不像透明的蓝宝石用油墨显色,颜色的纯度要通过深入的材料研究来实现。

  

  彩色微晶样品展示

  正是看到了氧化锆作为材料的优势,以及有一定能研发成功的底气,迈瑞微当仁不让成为微晶锆指纹盖板的伯乐和共同研发单位。

  不过,盖板强度除了靠材料,也靠尺度来实现。迈瑞微在2014年就可以量产使用200um厚微晶锆盖板的指纹模组,但到了2016年FPC还只能采用不超过100um厚的微晶锆盖板。所以在坚强程度上面,迈瑞微领先FPC这个老基友一程。至于有些国内厂商坚持使用的玻璃,介电常数低、脆、不耐磨,除了廉价没优势。通常性能低的廉价材料只运用在低端产品上,在智能手机上塑料外壳搭配恰好。

  所以在材料选择上,小米5紧跟华强北,第一次走在了所有国产品牌手机的前面。

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