指纹识别方案与封装

amao · 发表于 2015-1-23 15:04

EDA365欢迎您！

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册

x

本帖最后由 amao 于 2015-1-23 15:05 编辑

91站长微信号：ctphjh（交流与与合作）

九月对于机友们来说是收获的季节，本月截止到今天已经有华为Mate 7、三星 note 4、iPhone 6 ……发布，和往年相比大多旗舰手机增加了一个亮点，那就是支持指纹识别功能。盘点iPhone 5S 发布后的一年里，三星 GALAXY S5、vivo Xplay 3S、HTC One max等主流手机厂商旗舰产品都已经逐渐开始支持指纹识别功能。再从整个移动互联网大环境来看，移动支付已经到了爆发前夜。

　　一、生物识别采集方式：

　　随着移动互联、物联网等新兴技术浪潮的到来，传统的一些对人的认证识别方式已经无法满足社会发展需求。通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定，成为大势所趋。

　　目前，主要的生物识别方式有：指纹识别、掌纹识别、虹膜识别、面部识别、DNA识别、行为识别等。

　　而目前来看，识别方式最简便、最实用、最准确，发展最好的就是“指纹识别”方式。全球来看，指纹识别占整个生物识别市场的将近60%的市场份额，有超过几千家的指纹识别厂商生产数百种以上的指纹识别产品，而其它生物识别技术厂商不足其十分之一。

　　我们能看到最常见的就是指纹打卡、指纹门禁等，不过移动互联网的到来，包括信息安全、移动支付等大量需求生物识别认证，指纹识别已经成为了主流智能设别厂商和消费者能够快速接受的方式。在移动支付爆发前夕，基于智能终端的指纹识别也将迎来大发。

　　二、指纹识别基本原理与采集技术：

　　一个典型的指纹识别系统应该包括：指纹识别Sensor+特征提取/匹配模块+特征模板库+应用软件。而指纹的匹配可分为两步，首先是提取待验证的指纹的特征，然后将其和指纹模板库中的模板指纹进行相似度比较，从而判断两个指纹图像是否来自同一手指。

　　我们可以看到，指纹识别核心的准确、高效的采集指纹分析。指纹识别采集技术的发展大致分为三个方式：光学识别、电容传感器、生物射频

　　光学识别

　　光学识别是较早的指纹识别技术。基于光学发射装置发射的光线，射到手指上再反射回机器以获取数据，并对比资料库看是否一致。光学识别只能到达皮肤的表皮层，而不能到达真皮层，而且受手指表面是否干净影响较大。

　　电容传感器

　　电容传感器识别是利用一定间隔的安装的两个电容，利用指纹的凹凸，在手指滑过指纹检测仪器时接通或断开两个电容的电流以检测指纹资料。电容传感器对手指的干净要求还是比较高，而且传感器表面使用硅材料，比较容易损坏。

　　以技术面来看，电容式指纹辨识技术的供应为Authentec、Validity、FingerPrint Cards AB(FPC)等，Authentec被苹果买下，Validity也被Synaptics收购。电容式指纹传感器也是现在应用最普遍的技术。

　　生物射频

　　射频传感器通过传感器发射微量的射频信号，穿透手指的表皮层获取里层的纹路以获取信息。这种方法对手指的干净程度要求较低。

射频是目前较新的技术方案，射频也是电容方式的一种，但受限于专利问题。射频式是未来发展方向。

　　三、指纹识别采集方式：

　　不管采用什么采集技术，从用户角度用到的就两种录入方式：按压式与滑动式。

　　滑动式

　　将手指从传感器上划过，系统就能获得整个手指的指纹。手指按压上去时，无法一次性采集到完整图像。在采集时需要手指划过采集表面，对手指划过时采集到的每一块指纹图像进行快照，这些快照再进行拼接，才能形成完整的指纹图像。

滑动式传感器，由上向下滑，再完成指纹拼接

　　滑动式的优点是成本低、易集成，可采集大面积的图像，应用传统的特征点算法，但缺点是需要客户有一个连贯规范动作采集图像，体验效果比较差，在之前的应用推广中不太成功。

　　按压式

　　手指平放在设备上以便获取指纹图像。一般为了获得整个手指的指纹，必须使用比手指更大的传感器，整个手指同时按压在传感器之上。

　　按压式的优点是客户体验好，只用一次按压就可以采集图像，与客户在手机应用的操作习惯匹配，无须教育客户。缺点是：成本高，集成难度大，一次采集图像面积相对较小，没有足够的特征点，需要用复杂的图像比对算法进行识别。

　　很明显，在用户角度来说，按压式最简单、最方便。以后越来越多的移动设备都将采用按压式指纹识别方案。

　　四、全球手机指纹识别方案厂商分析：

　　全球指纹识别方案厂商较多，但是涉及手机、平板电脑的厂商还比较少，在iphone 5S 以后，一批国外老牌指纹识别方案厂商迅速切入。与此同时，国内触控IC厂商也迅速投入到该领域的研发。目前已经有个别厂商已出样。以下是手机中国联盟编辑根据公开信息整理的主流手机指纹识别方案厂商的发展状况。

　　1.AuthenTec：

　　简介：AuthenTec 是世界领先的PC、无线设备以及访问控制市场指纹认证传感器和解决方案的提供商。2012年7月27日，苹果以3.56亿美元收购 AuthenTec。

　　现状：全球最大的感应性指纹识别传感器最大供应商，产品仅应用在苹果产品中，不向同行业（手机、平板等消费电子产品）提供技术和产品。目前iPhone 5S、iphone6等采用基于电容和无线射频的半导体传感器，与iPhone手机Home键结合，最上层为蓝宝石盖板。由台积电完成晶圆代工——台湾精材、晶方科技完成晶圆级封装——日月光负责后续封装与测试以及SiP模组制作。（技术见下文iphone 5S 详解分析。）

　　客户：苹果收购以后，其指纹识别产品在手机、平板领域仅向苹果提供。不再向同行业提供，不过对于银行安全、管理系统等可以提供。

苹果iphone 5S 采用AuthenTec蓝宝石按压式方案

　　2.Synaptics新思（Validity）：

　　简介：Synaptics总部在美国，成立于1986年。全球领先的移动计算、通信和娱乐设备人机界面交互开发解决方案设计制造公司。2013年10月，Synaptics公司以2.55亿美元的价格收购了生物ID识别公司Validity，正式宣布进军指纹识别领域。

　　现状：目前Synaptics滑动式与按压式都有，采用有源电容式硅成像传感器。三星与HTC采用其产品。对于公司未来技术发展方向，今年初 Synaptics公司高管称，正在计划推出的指纹传感器产品，并不会像苹果iPhone那样只能在Home键上识别，而是将其隐藏在Android或 Windows Phone系统手机的玻璃面板屏幕下方。由台湾南茂和泰林负责系统封装与测试。

　　客户：Synaptics的客户最大是三星，主要产品有三星Galaxy S5 等，与手机Home键结合，滑动式方案。此外，HTC One Max也采用Synaptics，置于与手机后盖，也是滑动式方案。

三星 Galaxy S5 采用Validity滑动式，置于Home 键方案

3.Fingerprint Cards AB（FPC）

　　简介：指纹卡公司（FPC）总部在瑞典哥德堡，并在纳斯达克上市(FING B)。致力于开发、生产和销售生物识别元件和技术，帮助通过分析和比对个人独特的指纹确认用户的身份。

　　现状：曾推出全球首个面向使用安卓（Android）的智能手机和平板电脑的电容式触摸指纹传感器 FPC1020。FPC指纹传感器采用了自己独特的HSPA(高灵敏度像素放大器)技术，允许传感器每个像素单元能检测到非常微弱的信号）。目前已见方案最多的厂商，早起合作包括金立、vivo等，近期与华为合作mate 7 是最新产品。特点是技术成熟，合作伙伴多。由中芯国际等提供封装技术支持。

　　客户：FPC目前客户较多，说明方案成熟，目前有泛泰、富士通、金立、康佳、华为、VIVO 等都采用其技术。三种方案：1.与手机Home键结合，滑动式。典型例子“康佳凡高V981”。2.置于手机后盖，滑动式。典型例子“泛泰 Vega LTE-A”、“vivo xplay 3S” 、“金立 T1”。3.置于手机后盖，按压式。典型例子“华为Mate 7”。

华为Mate 7 采用FPC 按压式，置于手机后盖方案

　　4.CrucialTec

　　简介：CrucialTec韩国企业，世界最大光学触控键生产商。

　　现状：今年初，CrucialTe总裁宣布，公司成功研究出一种全新的玻璃陶瓷材料可以应用于指纹传感器。这种新材料其耐用性是现有高强度玻璃陶瓷材料的两倍，达到8H硬度，接近蓝宝石玻璃的9H硬度，但是价格要低很多。计划在今年现半年能量产。更早之前传闻三星曾考虑引入Galaxy S5。

　　客户：传与三星洽谈，应用在三星Galaxy S5，但因该公司产能无法满足三星需求而夭折。

　　5. IDEX

　　简介：IDEX是一家挪威的专门从事指纹识别和成像技术的生物识别科技公司。成立于1996年。2013年公司在美国开设了两间办事处，分别位于加州硅谷和波士顿马萨诸塞。Idex主要为身份证、银行卡、门禁控制和移动设备提供指纹传感器，生物识别软件以及其它安全解决方案。

　　现状：拥有滑动式电容传感器专利，其产品已经广泛使用在门禁、信息安全等领域，暂未了解到智能手机案例。

　　客户：暂未了解到智能手机或平板案例。

　　6. Goodix汇顶科技

　　简介：汇顶科技成立于2002年，2006年开始进军触控行业。视MTK唯一战略合作伙伴，两者关系密切，MTK战略投资汇顶。

　　现状：汇顶是目前大陆指纹识别方案公司唯一有样机公开的公司。今年连续发布两套方案。

　　2014年 5月15日，正式对外推出适用于移动设备的触摸式指纹识别芯片。采用按压式蓝宝石方案（与iphone 5S 基本一致），基于电容触摸的原理。消息称，封装伙伴硕贝德或长电科技。

　　2014 年9月12日，发布指纹识别与触控一体化技术--IFS。它有别于传统的模块式指纹传感器，手机厂商无需在手机前面板或者后壳上开孔放入指纹传感器模块，而是将指纹传感器隐藏于TP面板之下，该技术并不改变手机原有设计的ID风格，也无需改变用户使用习惯。从开发原理上看，IFS技术既可支持玻璃面板，又可支持蓝宝石面板。

　　汇顶IFS技术方案样机，Home键完好，指纹识别置于下方

　　客户：据悉，汇顶目前与国内主流手机厂商都有接触。有消息称，魅族MX4 Pro 采用汇顶，蓝宝石按压式指纹识别方案。对于指纹识别与触控一体化技术—IFS技术方案，汇顶表示今年内导入1~2家大客户，明年Q1量产。

　　7：敦泰

　　简介：敦泰于2005年由数名来自美国硅谷IC业界的资深华人专家在美国注册成立，并于2006年迁址回亚洲，在深圳及台湾设立了研发及工程服务中心。 2007年开始投入并逐渐全面专注于电容式触摸屏控制芯片的设计研发、制造及销售，是一家具有全球影响力的华人IC设计公司。

　　现状：据敦泰高管介绍，敦泰的指纹识别采用基于软件无线电的高灵敏检测技术，与AuthenTec，FPC，Validity等芯片原理不同，敦泰采用了大量通信领域信道技术，完全不同的原理，更好的性能，也不存在相关行业的专利问题。目前滑动式和按压式的系列产品样品，正确明年初量产。

　　客户：暂未了解到智能手机或平板案例。

　　8：思立微

　　简介：上海思立微电子科技有限公司，位于上海浦东张江高科技园区，由多名硅谷归国高级技术及管理人员组成核心团队，于2010年10月创立。专注于多点电容触控IC芯片的研发和销售。

　　现状： 2014年5月份发布国内首颗按压式指纹识别芯片GSL6162。这颗芯片是主动电容形式实现，能支持蓝宝石和镀膜两种方案，而且通过提供整体解决方案，便于下游方案商和终端厂商的导入。配合Home按键使用。

　　客户：暂未了解到智能手机或平板案例。

　　9：迈瑞微电子

　　简介及现状：在指纹门锁市场商用化获得成功，采用该架构的指纹芯片成功经验，结合按压式与滑动式的不同特点，在手机指纹技术上，创新设计了采样滑动比对按压复合式技术。应用于手机的指纹芯片即将推出小批量试产

　　客户：暂未了解到智能手机或平板案例。

　　10.比亚迪

　　简介及现状：比亚迪进入指纹识别领域的消息是去年12月曝光的，当时比亚迪高管给出的信息为：“预计在明年5、6月份可以上市，当然也不排除时间会提前。”但是，目前手机中国联盟并没有找到更多产品信息。

　　以上总结了涉足指纹识别的10个公司的基本情况，实际上正处研发阶段的公司更多，由于没有信息披露和产品推出，这里就不在列举。

五、手机厂商指纹识别技术案例分析：

　　iphone 5S 指纹识别分析：

　　如今，苹果的产品引领着电子消费产品的潮流，每一项新的技术应用都有可能带动一个产业的发展。iphone 5S 采用指纹识别后的一年，指纹识别技术有越来越多的厂商加入。下面我们就分析一下iphone 5S 的指纹识别技术。

　　iPhone 5S指纹识别的原理：

　　iPhone5s 的Touch ID指纹传感器被放置在Home键，这个用户与iPhone自然而然频频接触的地方。按钮表面由激光切割的蓝宝石水晶制成，可精确聚焦手指，保护传感器；该传感器会识别和记录指纹信息。按钮周围是不锈钢环，用于监测手指，激活传感器和改善信噪比。随后，软件将读取指纹信息，查找匹配指纹来解锁手机。

　　指纹传感器部分：iPhone 5S采用了一种基于电容和无线射频的半导体传感器，为指纹读取做了两层验证。

　　第一层，借助了一个指纹电容传感识别器。手指构成电容的一极，另一边一个硅的传感器阵列构成电容另一极，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘整个接触面的指纹图像。

　　第二层，Touch ID还引入了无线射频。射频技术是将一个低频的射频信号发射到真皮层。因为人体细胞液是导电的，读取真皮层的电场分布而获得整个真皮层最真皮层。因为人体细胞液是导电的，读取真皮层的电场分布而获得整个真皮层最精确的图像。Touch ID外面有一个驱动环，由它将射频信号发射出来，然后蓝宝石片下面的感应组件读取从真皮层反射回来的信号，形成一幅指纹图像。

　　算法部分：苹果采用的AuthenTec公司的算法，在指纹验证过程，获得指纹扫描图像后，能够360°全方位的与数据库进行判断比对。当新的指纹图像与数据库样本指纹互相匹配成功，该图像便用于加强和完善数据库的样本信息，这种算法所形成的指纹模板异常强大，能够在各种角度成功识别指纹。

　　封装部分：之前的电容式指纹识别装置一直没有一种合适的材料能涂在指纹传感器表面来保护其硅传感器阵列。由于电场很微弱，需要手指和传感器保持较近的距离，因此保护层不能太厚。在经过一段时间的使用以后保护层就会磨损，导致识别失败，此外手指上经常会有油脂，盐分和沙粒，加上潮气和温度，成为保护层杀手。苹果用来保护传感器的保护层，就是蓝宝石水晶。苹果发明了一种将指纹传感器的硅芯片和遮档板集成模塑为一体的技术，封装结构可以保护传感器芯片和遮挡板，特别是允许保持一个比已知的所有设计更小的距离。苹果这项技术可以把蓝宝石的厚度减小到1mm，从而应用在Home键上，用来保护传感器。

　　解答疑问：

　　1.苹果或者美国NSA会窃取我的指纹吗？

　　指纹特征不会上传或者备份到苹果的服务器，芯片硬件上也不允许除指纹识别传感器之外的软件读取。即便苹果或NSA能拿到你的指纹特征，也不能反向复制出你的指纹。

　　2.手指脱皮，受伤，沾水或油污怎么办？

　　单纯的脱皮应该不会导致无法识别，因为传感器识别的是活体皮肤，而不是脱落的死皮。iPhone 5S可以保存5个指纹，因此即使一个手指受伤也可以换一个手指。沾水或者油污有可能会降低识别率，但是不等于说完全无法识别。

　　3.手机被偷了，小偷能通过刷机解锁手机吗？

　　iOS7新增加的功能，把手机跟Apple ID绑定。即便小偷让手机进入恢复模式（DFU），清掉所有内容，重新激活手机的时候还是需要输入Apple ID的密码，否则不能激活手机。基本上小偷只能拆了你的手机当零件卖。至少你手机里边的信息是安全的。

　　4.指纹除了解锁和在App Store买东西，还能干什么？

　　目前来说，指纹锁可以让你快速解锁和在App Store，Apple Store， iTunes Store， iBooks等苹果服务内快捷支付。尚不知道苹果是否会对第三方开放指纹功能。

　　三星Galaxy S5 指纹识别分析：

　　三星Galaxy S5 采用了Validity 滑动式指纹识别技术。

　　Galaxy S5 的指纹识别传感器跟苹果一样集成在Home键下，手指通过向下以一定的速度划过识别区后被Home键上的传感器感应并识别，实现安全和加密。解锁菜单设置过程也和iphone5s类似。

　　在测试后发现，三星Galaxy S5 滑动式指纹识别必须从上向下滑动，才可识别。而同类似的按压式没有角度限制，随意按压即可识别。消息称，三星如此落后与苹果，最直接的原因是拥有相关专利的Authentec被苹果收购。

　　华为 Mate 7 指纹识别分析：

　　华为Mate 7 采用瑞典FPC公司的按压式指纹识别技术，该方案置于手机后盖。精度最高228*228像素，像素密度508dpi。目前来看Mate 7 应当是全球第一款按压式指纹技术的Android手机。

　　此外Mate7指纹传感器上覆盖一层银色的镀膜，指纹识别区域和后壳之间还有一圈环形金属状类，似于包裹住iphone5s指纹感应区的不锈钢探测环（Stainless steel detection ring）。除了充当指纹触发器感觉还可以有很多功能。

　　在安全方面，华为提供的是芯片级的安全解决方案，指纹信息管理、加密、验证、存储程序均运行在芯片TrustZone的安全OS中，安卓系统和第三方应用软件都无法访问到这个被隔离的区域，保证了指纹的运行环境安全。

　　华为Mate7 产品经理李小龙在知乎上的解释：Mate7所有指纹模板信息只在手机本地用AES256算法加密，每个芯片都有独一无二的密钥，这个密钥在芯片出厂时就被一次性熔断写入，无法从外部读取和修改。指纹模板数据只能写入和删除，无法读取和修改，因此也不会上传任何服务器，也不会被任何第三方程序读取”这意味着和前面提及的苹果密钥一样，Mate7上的每一颗按压式指纹传感器均与手机上的K920系列处理器通过AES256算法加密绑定！不仅如此，华为在出厂时直接将芯片管脚上的熔丝烧断，使得该管脚从硬件上无法再次编程！同时也意味着手机芯片和指纹传感器任何一个故障都需要更换整套器件。

　　六、智能终端指纹识别生态系统分析：

　　指纹识别要火起来，必须是移动支付火起来。统计数据显示，截止2018年，全球移动支付市场交易金额将接近3000亿美元。目前，还处于爆发前夜，随着移动互联进一步发展，相信移动支付市场即将腾飞。这为指纹识别技术大发展提供可非常好的条件。目前主流厂商都已经开始推动指纹设别发展。

　　苹果生态系统：

　　苹果在去年iphone 5S上搭载指纹识别传感器后，今年有在此基础完善了，移动支付生态系统的布局。iPhone 6 配备上了NFC功能，苹果还全新的服务——Apple Pay，这是一个近场支付的服务，Apple Pay依靠NFC芯片，通过结合Touch ID，可以便捷完成移动端支付。Apple Pay的初期合作伙伴包括赛百味、麦当劳、迪士尼、沃尔格林、梅西百货、丝芙兰和梅西百货，当然还有苹果商店。此外，Groupon、Uber和 Panera也都整合了Apple Pay，顾客无需输入任何支付信息便可完成支付。

　　苹果正在打造全放为的支付系统，而指纹识别将作为重要一环，迎来大发展。

阿里生态系统：

　　9 月1日，支付宝钱包和华为宣布联手推出国内首个指纹支付的标准方案，这一方案将搭载在华为即将推出的Mate7手机上，这意味着国内指纹支付行业有了新的起点。而就在今年早些时候，阿里云OS 结合指纹识别的方案在深圳亮相，这也表明阿里迫切希望，指纹识别方案尽快成熟，以推动移动支付战略的发展。

　　腾讯生态系统：

　　微信已经与国内几家指纹识别产品厂商达成初步的合作框架，其中就包括维尔科技。维尔科技是国内最大的指纹识别产品和解决方案的供应商。

　　目前来看，不管是手机终端厂商、互联网企业、移动运营商、银联……都在加快推进移动支付发展，指纹识别也将迎来大发展。（手机中国联盟徐伦）