手机指纹传感器原理 智能手机指纹识别技术不简单，你知道它们的工作原理及区别吗？
智能手机指纹识别技术不简单，你知道它们的工作原理及区别吗？
指纹识别传感器已不再是高端旗舰手机的专属，大多数低端手机也采用了这种技术。该技术从早期到现在发展了许多，能够更快、更准确的识别人的指纹。在其中也包括不同的类别，比如光学指纹传感器、电容式指纹传感器以及超声波指纹传感器。而这也让我们在选购手机时产生困惑，为此，我们不妨来了解它们的工作原理及区别。
首先是光学指纹传感器，它是捕获和比较指纹最古老的方式。顾名思义，这种技术依赖于捕捉光学图像（本质上是一张照片），然后，它利用算法，通过分析图像中最亮和最暗的区域，检测表面的独特图案，如脊线或标记。
如同智能手机的相机一样，这些传感器的分辨率是有限的。而分辨率越高，传感器就可以辨别出关于手指的更多细节，从而提高了安全级别。当然，这些传感器捕捉到的图像对比度要比普通摄像头高得多。光学指纹传感器通常每英寸有非常多的二极管，可以近距离捕捉这些细节。但是，当手指放在传感器上遮挡了光，因此，传感器需要LED灯作为辅助，在识别时能够清晰地捕捉到指纹细节。不过，这样的设计对于智能手机来说有点笨重，所以智能手机上并没有单纯采用这一技术。
光学指纹传感器的主要缺点是很容易被“忽悠”。由于该技术只能捕捉二维图像，所以假肢甚至质量好的图片都可以用来骗过它而解锁设备。就像早期的电阻式触摸屏一样，现在除了很便宜的硬件外，基本上很少见到纯光学指纹传感器。随着人们对安全性的要求越来越高，智能手机大多采用了性能更好的电容式或者光电混合式指纹传感器，并且随着技术成本的下降，一些中端手机也用上了这些技术。
然而，随着全面屏手机的趋势，更小的光学模块可能会卷土重来，它们可以嵌入屏幕的下方，并且只需占用很小的的空间。比如Synaptics公司就推出了Natural ID FS9100光学指纹传感器，它可以在1毫米的玻璃下以及湿手的情况下成功识别指纹。
其次是电容式指纹传感器，它也是目前最常见的指纹传感器之一。它可以集成在智能手机的HOME键，也可以放置在背面，还能够存在于屏幕下方。电容式指纹传感器之所以能崭露头角，和它的安全优势有很大关系。
电容式指纹传感器不是创建一个传统的指纹图像，而是使用一系列的电容电路来收集数据。由于电容器可以储存电荷，将它们连接到传感器表面的导电板上，就可以用来追踪指纹的细节。当手指的脊线放在导电板上时，储存的电荷会发生轻微变化。相反，谷线将使电容处的电荷保持不变。然后用一个集成器电路跟踪这些变化，并由转换器记录下来。
一旦捕捉到这些数字数据，就可以对其进行分析，以寻找与众不同的独特指纹属性。然后可以将它们保存起来，以便日后进行比较。这种设计聪明的地方在于，它比光学扫描仪更难被“忽悠”，因为不同的材料会记录电容器处略微不同的电荷变化。唯一真正的安全风险来自于黑客对硬件或软件的攻击。
创建一个足够大的电容阵列，通常在一个传感器中有几百个甚至上千个电容，这样就可以通过电信号来创建一个高度详细的指纹脊和谷的图像。就像光学指纹传感器一样，更多的电容可以带来更高的分辨率。这在一定程度上提高了安全水平。然而，高密度也意味着生产成本要高很多。
由于检测电路中的元件数量较多，电容式扫描仪以前的价格相当昂贵。一些早期的实施方案试图通过使用 "刷卡 "式指纹传感器来减少所需的电容器数量。它们会在手指触碰传感器时快速刷新结果，然后从较少数量的电容器元件中收集数据。然而，正如当时许多用户所抱怨的那样，这种方法非常不可靠，往往需要多次尝试才能正确识别。
最后是超声波指纹传感器，它首次被应用于2016年发布的乐视手机Max Pro上，高通及其Sense ID技术提供了主要支持。而现在，高通正在进行第二代超声波指纹传感器技术的开发，并宣称将拥有更大的读取区域和更快的识别速度。
为了正确捕捉指纹的细节，硬件由超声波发射器和接收器组成。超声波脉冲对着放在扫描仪上的手指进行传输。部分脉冲被吸收，另一部分脉冲被反弹回传感器，这取决于每个指纹特有的脊线、毛孔和其他细节。
然后，一个能够检测机械应力的传感器被用来计算扫描仪不同的超声波脉冲强度。扫描的时间越长，就越能捕捉到额外的深度数据，这让指纹可以以更详细的3D呈现。这种采集技术的3D特性使其成为电容式扫描仪的更安全的替代品。
但超声波指纹传感器也有缺点，即它还没有其他扫描仪那么敏捷。这是由于它的工作原理造成的。不过，高通正在通过第二代技术来解决这个问题。超声波技术还不能很好地与一些屏幕保护膜配合使用，尤其是较厚的保护膜，它们会限制传感器正确读取指纹的能力。
当然，想将指纹传感器隐藏在显示屏中，超声波指纹扫描仪并不是唯一的选择，光电感应式指纹传感器也可以实现。光学电容式传感器修补了以往光学设计的一些安全问题。它们将电容式传感器的 "真实触摸 "要求与光学设计的速度和能效相结合。这种技术是通过在显示屏下方插入传感器来嵌入的，它可以检测到指纹通过OLED显示屏的缝隙反射回来的光。这还需要一些工作来与显示屏进行整合，但它的效果相当好。
相比之下，超声波指纹传感器在实现和调整其位置以适应任何手机方面要容易一些。0.2毫米厚的微小传感器位于屏幕后面，将其超声波通过显示屏传递到你的指尖。虽然这对开发来说是很好的，但它也导致了一些自身的安全问题。这两种技术都有各自的优点和缺点，在未来几年内可能仍然是屏内指纹传感器的可行选择。然而，超声波指纹传感器制造成本仍居高不下，可能需要很长时间才能被用到更多的智能手机上。
都会用，但99%的人都不知道指纹识别的原理
从功能机时代的功能键加*键解锁，到智能手机时代的数字、图形解锁，再到如今的指纹识别解锁等，手机屏幕解锁技术一直在不断升级，直到指纹识别技术的加入才真正为用户带来智能体验，提高了使用效率、保障了隐私安全、改变了生活方式。
其实，从第一款指纹识别手机诞生到现在已经过去了整整18个年头，大家不禁会问：真的在1998年就有手机支持指纹识别了？每当我们提及指纹识别手机时，也许大家首先会想到苹果的Touch ID，有些人甚至认为是苹果把指纹识别技术带入手机行业，但事实上，早在1998年世界首款搭载指纹识别技术的手机就诞生了。
1998年-2016年指纹识别手机发布的数量（PS：2016年是不完全统计）
1、首款搭载指纹识别技术的西门子手机（1998年）
西门子第一款指纹识别手机（图片引自百度贴吧）
早在1998年，西门子就展示了自家的指纹识别手机，该机指纹技术来自Bromba公司，识别方式为刮擦式，它可以说是现在背部指纹识别手机的鼻祖，虽然只是一部原型机没有量产，但是他向世界证明手机搭载指纹识别的可能性。
2、首款量产的指纹识别手机：SAGEM MC 959（2000年）
SAGEM MC 959（图片引自The Verge）
SAGEM MC 959是首款量产的指纹识别手机，指纹识别采用的意法半导体的指纹技术，该机来自法国，现在已经推出手机市场，由于功能机的限制，指纹识别同样局限于验证PIN码。
3、富士通 F505i（2003年）
富士通 F505i（图片引自新浪微博）
日系厂商富士通热衷于尝试各种新功能，从2003年开始，富士通不断在手机上搭载试问识别技术，在iPhone 5s亮相之前，支持指纹识别的手机，富士通自己就占比70%左右，其中富士通F505i是富士通推出的第一款支持指纹识别的手机，指纹技术来自AnthenTec，此时，尚不成熟的指纹识别仍只被当作概念，而非是功能。
4、首款指纹识别智能手机：MOTO MB860（2011年）
图为 MOTO MB860
MOTO MB860是第一部具备指纹识别的大屏智能机，内置一颗 NVIDIA Tegra 2 双核处理器，并拥有扩展坞连接电脑的功能。该机搭载Android 2.2操作系统，指纹识别位于机身顶部，与电源键整合，主要用于开机解锁，但仍然为刮擦式，指纹技术来自AnthenTec，但是依然没有引自人们的注意。
手机指纹识别技术经历了10多年的发展，进步显然不明显，依然是刮擦式指纹识别，而且解锁体验不佳，没有被普及也是情理之中。
5、意义非凡的指纹识别手机：iPhone 5s（2013年9月）
图为 iPhone 5s
如果说此前指纹识别技术只能算是象牙塔中的玩物，那么iPhone 5s的诞生，彻底将指纹识别技术拉回到现实之中。首款按压式指纹识别、支持解锁/支付、与Home键完美融合等技术，带来之前所有指纹所没有达到过的优秀体验，以及依靠苹果在行业内的话语权和销量，让大家瞬间记住Touch ID，并且开始使用指纹识别。
正是在iPhone5s之后，全世界的高端旗舰手机都开始攻关指纹识别技术，可以说苹果为手机指纹识别的普及做出了极大贡献。
6、在iPhone 5s亮相之后，很多手机厂商纷纷推出搭载指纹识别技术的手机。 比如：HTC One Max、vivo Xplay 3S（FPC 的后置刮擦式）、三星Galaxy S5（Synaptics 的前置刮擦式）、华为Mate 7（首款采用了FPC的后置按压式）等。
7、安卓首款正面按压式指纹识别手机：魅族 MX4 Pro （2014年12月）
图为 魅族 MX4 Pro
魅族 MX4 Pro的发布，打破了Touch ID对正面按压式指纹识别的垄断，魅族 MX4 Pro采用来自本土的汇顶指纹识别技术，汇顶成为继苹果后第一家做出正面按压式指纹识别的公司，同样支持蓝宝石玻璃保护盖板，随后FPC和Synaptics也快速跟进了前置指纹芯片。
8、三星首款正面按压式指纹识别手机：三星Galaxy S6（2015年4月）
图为 三星Galaxy S6
在2015年4月，三星发布了旗下首款支持正面按压式指纹识别的——Galaxy S6，指纹识别技术来自Synaptics。
如果说2013年苹果发布Touch ID是指纹元年的话，2014年就是指纹的跟进年，那么2015年是指纹的爆发年，进入到2016年，应该是指纹普及年了。
手机为何采用指纹识别技术，指纹识别技术为用户带来了什么？
iPhone 5s指纹录入中
现在，我们使用智能手机的频率是非常频繁的，很多用户每天开屏解锁的次数甚至超过100次，如果每天都要在这么多次的开屏之后输入4位密码或者画出超过4个点的图形密码，那无疑是一项不小的工作量，指纹解锁的加入毫无疑问为用户使用智能手机提供了更多的便利。
众所周知，指纹是人体独一无二的特征，极难被破解，所以指纹识别技术成为最为安全的生物识别技术之一。当然，虹膜识别以及视网膜识别等技术同样具有很高的安全性，但限制该技术使用的条件较多，再加上其较高的成本，成为了在手机端推广的障碍。相比之下，指纹识别技术就要随性自由的多，再加上该技术相对较低的应用成本以及较小的空间占用，使得它成为了手机屏幕解锁的不二之选。
个人隐私安全问题（图片引自百度贴吧）
此外，随着智能手机功能的不断增多，个人隐私安全问题开始困扰每一个人。寻找一款能够有效保护个人隐私的智能手机，成为很多用户的硬性需求。在此情况下，指纹识别手机逐渐成为大家的“宠儿”。
指纹识别模块的原理和分类
指纹识别模块是通过特定的感应模组实现对于个体指纹特征的识别。简单来说，每一个指纹手机都会拥有一个指纹识别模块，通过该模块将用户的指纹收集并转化成数据，存储在手机存储的特定区域，在使用的时候进行调用，而不同的指纹识别技术收集指纹的方式也有所不同。
根据收集指纹的方式不同，指纹识别模块目前主要分为光学式指纹模块 、电容式指纹模块 、射频式指纹模块 。
光学式指纹技术原理（图片引自Phone Arena）
光学式指纹模块 是利用光线反射成像识别用户指纹，该类型指纹模块对使用环境的温度湿度都有一定的要求，并且在识别准确度上并不理想，再加上这种模块一般会占用更大的空间，使其难以在手机端有所作为。
电容式指纹技术原理（图片引自Phone Arena）
电容式指纹模块 是利用硅晶元与导电的皮下电解液形成电场，指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的变化，借此可实现准确的指纹测定。该方式适应能力强，对使用环境无特殊要求，同时，硅晶元以及相关的传感原件对空间的占用在手机设计的可接受范围内，因而使得该技术在手机端得到了比较好的推广。目前的电容式指纹模块也分为划擦式与按压式两种，前者虽然占用体积较小，但在识别率以及便捷性方面有很大的劣势，这也直接导致厂商全都将目光锁定在了操作更加随意、识别率更高的按压式电容指纹模块。
射频指纹技术原理（图片引自Phone Arena）
射频指纹模块 现阶段包含无线电波探测与超声波探测两种，原理与探测海底物质的的声纳类似，是靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态的。这一类指纹模块最大的优点便是手指无需与指纹模块相接触，因而不会对手机的外观造成太大影响。基于这一点，射频指纹模块也成为了未来指纹识别的主要发展方向之一。
iPhone 5s指纹识别模块原理（图片引自The Verge）
电容纹识别模组主要由芯片、“蓝宝石”、金属环、软板、载板等组成，其中芯片也就是传感器部分，而“蓝宝石”负责作为保护层（有厂商选择其他材料做为保护层，成本相应降低），金属环作为指纹识别的触发装置。苹果在iPhone上采用的指纹模块还包含了射频识别功能，这种电容式别结合射频识别的双重认定方式，能够带来更好的实际体验。现在，很多指纹识别手机都是采用的这种方案。
常见的几家 指纹识别模块的厂商：
常用的指纹识别方案
AnthenTec
AnthenTec
AuthenTec成立于1998年，是一家老牌指纹识别技术公司，是世界领先的海量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，在世界范围内使用中的传感器超过3500万个。
2011年末至2012年初，AuthenTec正在发展新技术，并且向惠普、联想、戴尔、LG、富士、三星、诺基亚等大客户展示，然而出于各种各样的原因（包括研发成本），最终只有苹果对该技术感兴趣，在2012年7月27日，苹果宣布一笔大收购，用3.56亿美元收购了指纹感应器制造商AuthenTec，AuthenTec成为苹果公司旗下的一员。
FingerPrint Card
FingerPrint Card成立于1997年，在2001年开始在移动设备端研发并量产了指纹识别芯片，但在接下来的几年内移动设备上选择AuthenTec芯片的产品比FPC多很多，FPC在2005年面临倒闭，后来接受日本公司的投资才得以幸存。
在AnthenTec被苹果收购以后，FPC在指纹识别市场上得以爆发，当然也与其十几年的耕耘密不可分。
Synaptics
Synaptics
Synaptics由费根和卡弗米德成立于1986年，有着30年历史的美国公司，它是一家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，2005年首款电容式触摸手机技术就来自Synaptics。
Synaptics公司于2013年10月10日宣布以2.55亿美元收购指纹识别传感器制造商Validity Sensors，此次收购也意味着Synaptics将正式进入指纹识别市场。
在许多手机厂商开始跟进指纹识别的时候，Synaptics开始为他们提供Validity的技术，此前的Validity的滑动式指纹解锁方案效果并不理想，可识别率与用户体验反响普遍不如iPhone。随即Synaptics调整战略，很快开发出了和iPhone 6有着类似使用体验，甚至反应速度更快、实际触摸传感器面积更小的按压式Natural ID指纹识别芯片。此外，Synaptics还推出过全球首个侧边滑动指纹识别解决方案——VFS6170滑动传感器。
汇顶科技
汇顶科技
汇顶科技成立于2002年，作为人机交互领域可靠的技术与解决方案提供商，在包括手机、平板和可穿戴产品在内的智能移动终端人机交互技术领域不断取得新进展，陆续推出拥有自主知识产权的单层多点触控技术、Goodix Link技术及指纹识别与触控一体化的IFS技术，产品和解决方案广泛应用在华为、联想、中兴、OPPO、VIVO、魅族、乐视、三星显示、JDI、诺基亚、东芝、松下、宏碁、华硕等国际国内知名终端品牌。
2014年5月15日，汇顶科技正式对外宣布推出适用于移动设备的触摸式指纹识别芯片，2014年9月12日，汇顶科技携手TPK全球首发新一代指纹识别技术——IFS。
2016年3月17日，汇顶科技在深圳举行新品发布会上，发布由其自主研发的活体指纹识别解决方案。据了解，这种支持活体检测的芯片和现在常见的指纹识别芯片不一样，它的传感器由传统的电容指纹传感器和光学检测传感器组成，传统的电容指纹传感器用于收集指纹数据，而光学传感器负责抓取一些与人体相关的信息，如手指上的心率信号、手指皮肤颜色等，传感器的信息抓取工作完成后，它会通过汇顶科技研发的“指纹识别算法3.0”，进行数据的整合、处理，这些操作都完成后才算完成指纹识别这个工作。汇顶科技负责人透露搭载活体指纹检测技术的终端产品有望于2016年下半年面世。
此前，华尔街日报早前的报道，国外有研究团队已经证实：“通过普通打印机复制出的假指纹，能够解锁目前大部带指纹的手机。如果使用的是3D复印的指纹，通过的几率将会更高。”现在，活体指纹识别检测技术的诞生，能及时分别出真假指纹，从而提升指纹认证的准确性和安全性。
在这个领域还有韩国CrucialTec、挪威IDEX、深圳敦泰、上海思立微等等一众企业，彼此技术不尽相同，分别占有各自的市场。
写在最后：
在指纹识别手机近二十年的发展中，出现了太多的“奠基者”，西门子发现了指纹识别手机的“天窗”，富士通坚持了指纹芯片厂商的希望，苹果实现了指纹识别手机的梦想，当然还有那些孜孜不倦、苦心研发的指纹芯片厂商在默默付出。现在，指纹识别技术已经进入千元机行列，这意味着将有更多人得以享受到更为快捷、安全的交互方式，在这个用户越来越重视用户体验及隐私安全的时代，指纹识别功能已经成为用户最好的“安全卫士”。
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