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指纹识别技术原理及全球芯片厂商大盘点

2017-07-20 

一个人身上所具有的独一性生物特征有不少,包括指纹、 虹膜、掌纹等,指纹由于其独一性和便利性,目前已经广泛应用在考勤机、门禁、智能手机等领域,并逐渐向智能门锁等新兴产业延伸。

指纹识别采集技术的三种方式

指纹识别技术很重要的一个指标就是准确率,而提高指纹识别准确率的核心在于能否更准确、高效的采集指纹图像(当然也可以通过后期算法来提升,但是提升的效果有限)。目前指纹识别采集技术主要有三种方式:光学识别、电容传感器识别、生物射频识别。

1、 光学识别

光学识别是应用比较早的一种指纹识别技术,比如之前很多的考勤机、门禁都采用的就是光学指纹识别技术。主要是利用光的折摄和反射原理,将手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,光从底部射向三棱镜,并经棱镜射出,射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。用棱镜将其投射在电荷耦合器件上CMOS或者CCD上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。然后对比资料库看是否一致。

光学识别的缺点在于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。如果,用户手指上粘了较多的灰尘或者湿手指可能就会出现识别出错的情况。并且容易被假指纹欺骗。对于用户而言,使用起来不是很安全和稳定。

2、电容传感器

而电容式指纹识别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。

不过电容传感器对手指的干净要求业也还是比较高的(相对光学式要低一些),而且传感器表面使用硅材料,比较容易损坏。目前电容式指纹辨识技术厂商主要有Authentec(被苹果收购)、FingerPrintCardsAB(FPC)、Synaptics(收购了Validity)。

3、生物射频识别

射频传感器通过传感器发射微量的射频信号,可以穿透手指的表皮层获取里层的纹路以获取信息。比如高通在2015年的MWC展会上发布的Sense ID 3D超声波指纹识别技术就是生物射频识别技术的一种。

相对于前两种技术来说,射频传感器对手指的干净程度要求较低,可以产生高质量的图像。此外,由于能够采集高质量图像,所以可以在保证一定认证可靠性的前提下减小传感器面积,从而可以减少一定的成本,并且可以使得射频传感器可以应用到各种小型化移动设备当中。不过,由于是需要主动发射信号,所以功耗相对电容式要高。另外目前应用此类技术的厂商比较少,所以整体的成本还是相对比较高。

全球指纹识别芯片厂商大盘点

目前国外的指纹识别厂商主要有AuthenTec(2012年被苹果收购)、FPC、Synaptics等几个国际大厂,以及神盾、义隆、敦泰、茂丞等台湾厂商之外,国产指纹识别芯片厂商主要有汇顶、迈瑞微、费恩格尔、信炜、芯启航、贝特莱、思立微、集创北方、比亚迪等十多家企业。

1、 AuthenTec

AuthenTec成立于1998年,一直是全球感应性指纹识别传感器最大供应商,其指纹识别组件很多年前就被嵌入了Windows笔记本。2011年,AuthenTec研发出了一种基于电容和射频识别的指纹识别新技术,称之为“TruePrint”,TruePrint专利技术能够读取皮肤表层下的活动层(人的指纹真正所在之处),实现极其精确可靠的指纹成像。

在2012年被苹果收购之前,AuthenTec就已经成为世界领先的指纹传感器及芯片与模组、身份识别软件和加密安全方案的供应商,年销售额达7千万美元,拥有200多项专利和230名员工,在世界范围内使用的传感器超过3500万个,其客户包括阿尔卡特-朗讯,思科,惠普,三星,联想,LG,摩托罗拉,诺基亚等等。

2012年7月苹果公司斥资3.56亿美元收购了AuthenTec公司,AuthenTec开始停止向第三方销售指纹芯片。2013年苹果iPhone5s Touch ID芯片便是AuthenTec的产品,得到市场一致好评,也掀起了指纹识别热潮。随后苹果的众多新品中均搭载AuthenTec指纹识别芯片。

2、FPC(Fingerprint Cards)

FPC是一家瑞典生物识别传感器科技公司,主要开发、生产和销售指纹识别技术,提供有触摸式和划擦式两种指纹识别传感器。早在2013年的时候FPC也开始大举进军智能手机市场。得益于AuthenTec只对苹果提供产品和技术,FPC成了非苹果手机阵营的老大。

国内第一款带有指纹识别的手机康佳K5,以及韩国第三大手机供应商泛泰2016年的5.5英寸旗舰机和平板电脑都搭载了FPC划擦式指纹传感器。在2013年10月,日本富士通公司发布带FPC划擦式指纹识别传感器的4款安卓智能机和2款安卓平板电脑。2014年华为Mate 7采用了FPC触触式指纹识别传感器。随后,国内的小米等品牌都有开始采用FPC的触触式指纹识别传感器。

FPC的技术竞争优势包括独特的图像质量、低功耗和完整的生物识别系统,但它的传感器价格也不低。不过随着众多国产指纹芯片厂商(特别是汇顶)的冲击,FPC的价格也在不断下滑。

3、Synaptics(新思)

Synaptics成立于1986年,全球集成电路设计提供电子设计自动化(EDA)软件工具的主导企业。自从2013年10月synaptics以2.55亿美元收购收购Validity之后,Synaptics便开始涉足指纹识别行业。不过之前其指纹识别传感器主要以刮擦式(滑动采集)的为主,三星GalaxyS5、HTC One Max等手机上的刮擦式指纹识别传感器正是由Synaptics提供。但是刮擦式体验还是差于按压式传感器。

2015年初,Synaptics也针对高端移动设备推出了按压式(Natural ID)指纹识别技术。目前国内的联想、中兴、金立、酷派等也有采用Synaptics的指纹识别传感器。

美国当地时间2016年12月12日,Synaptics宣布旗下的第三代Natural ID玻璃内层(under-glass)指纹传感器Natural ID FS4500已经从9月份开始出样。FS4500最大的特色就是可以透过玻璃或者陶瓷按键扫描指纹,在出样之后,大规模量产预计在今年第四季度就能实现。

12月13日,Synaptics又宣布推出业内首款面向智能手机和平板电脑的光学指纹传感器的Natural ID™系列生物认证解决方案FS9100。据介绍,Natural ID FS9100系列光学指纹传感器可透过1mm的完整盖板玻璃完成高分辨率扫描,并实现简洁、无需按键的工业设计。

4、高通

在2015年的MWC展会上,高通发布了Sense ID 3D超声波指纹识别技术。相比按压电容传感器捕捉的是2D指纹图像,而Sense ID的超声波扫描可以穿透手指的外层皮肤,捕捉到指纹脊和汗毛孔等独特特征,从而识别出用户指纹独特的3D特征。这样能够产生细节丰富,难于仿制的指纹表面图。

它最大的特色在于,不需要电容传感器或者按钮,可以隐藏于多种材质表面之下,比如玻璃、塑料甚至金属。同时,扫描指纹的精度也不受手指污垢、油脂以及汗水的影响,这一点是苹果Touch ID无法做到的。

目前这种技术已经被不少专业机构和政府部门所使用,小米5S搭载的正是高通的超声波指纹识别芯片。不过,目前高通的超声波技术只支持高通骁龙800系列平台。

5、敦泰

敦泰作为触控行业的龙头企业,虽然很早就进入了指纹识别领域,但是却真的是起了个大早,赶了个晚集。2014年9月24日敦泰与挪威指纹辨识厂IDEX合作(IDEX专注指纹辨识技术开发,拥有多达 200多项专利权,其中包括与AuthenTec有专利交叉授权),共同开发滑条式指纹感测器,抢攻指纹辨识市场。2014年底敦泰正式发布了完整的指纹识别方案,随后基于敦泰FT9200指纹识别方案的智能手机也于2015年2月正式上市,但是之后敦泰的指纹业务差不多就陷入了停滞。目前敦泰指纹芯片出货非常少。

而主要原因则是其原有指纹识别技术团队大部分骨干的出走。一部分人跟着莫良华(敦泰原副总)成立了信炜科技,另外一批人则成立了芯启航,这两家公司都定位于指纹识别领域。

6、神盾

神盾股份有限公司(EgisTec)是台湾指纹生物识别和数据加密系统的主要芯片供应商,专门提供整合的系统解决方案,设计重点在Senser的性能和软件可用性。2015年底神盾在台湾上市,神盾宣称是全球唯一的被动式指纹识别芯片厂商,其产品已被三星等国际大公司和国内中兴等手机品牌公司采用,神盾产品在全世界拥有超过60种专利,在全球无专利困扰。

7、义隆电子

义隆电子成立于1994年,是台湾一家IC设计公司,主要以研发和营销集成电路产品为主。2001年9月,义隆电子在台湾集中市场挂牌上市。

虽然义隆电子2014年才开始正式布局指纹识别芯片,但在此之前,义隆电子对于指纹芯片就早有研究。义隆电子的第一代指纹识别芯片是分辨率176*176的大尺寸芯片,主要用于信用卡,随后推出用于手机的指纹识别芯片是其第二代指纹识别芯片,并于2015年下半年量产。

指纹芯片生产方面,义隆电子主要是交给台湾联电和韩国Magnachip,封装则是在台湾。不过因生产问题与指纹算法等方面的影响,义隆今年进展不如预期,全年出货量将约300万套,低于原预期的500万套目标。

8、汇顶科技

汇顶科技自2002年成立以来,主要就聚焦在人机交互芯片设计领域,自2013年杀入指纹识别市场以来,就在这一细分领域投入大量的资金、人力,再加上联发科的背后支持,汇顶发展非常之快,在技术创新和市场方面也不断取得突破,成为了目前业界唯一能够提供镀膜、盖板(玻璃、蓝宝石、陶瓷)、隐藏式(IFS)、活体指纹检测全系列芯片的公司。

凭借技术和成本优势,汇顶的指纹识别产品目前已经成功获得华为、OPPO、vivo、乐视、中兴、小米、魅族、联想、金立、TCL、Amazon、Dell、HP、ASUS、acer 、TOSHIBA、Panasonic等众多海内外知名终端厂商的认可。近日,魅族新旗舰PRO 6 Plus还首发搭载了汇顶的活体指纹识别芯片。得益于众多品牌厂商的采用,汇顶2016年的指纹识别芯片出货出现了爆炸式的增长。

2017年,汇顶推出其第四代活体指纹可测试心率芯片,将支持210μm厚度的盖板,将Sensor占比提高到70%,提供更低功耗,更快的解锁速度。第四代指纹芯片已于2017年一季度大规模量产,已有中兴,魅族,金立,LG,华为,ViV0,oppo等十多家手机厂商开始应用

9、费恩格尔

成都费恩格尔科技有限公司成立于2012年底,是一家旨在指纹识别传感器芯片、模组、算法及系统产品为主营方向的集成电路芯片设计公司。早期主要也主要面对门锁、考勤、银行等领域。随后,随着智能手机市场的爆发,费恩格尔也开始进入手机指纹传感器领域,去年年底其首款指纹识别芯片FPS1196开始出货。

2016年,费恩格尔发布了旗下三款指纹芯片。FPS1098主要是针对无需金属环的coating方案,FPS1056主要是针对无需金属环的正面home键及侧边按压方案,FPS1398主要是针对陶瓷、玻璃等盖板方案。后续费恩格尔又推出了更具性价比的96×96 pixels传感器阵列,无需金属环的coating方案FPS998,而这款产品随后成为费恩格尔出货的主力产品。

值得一提的是,华虹集团是费恩格尔的大股东,当前费恩格尔所有的指纹芯片产品均在华虹集团自主的 Foundry工厂华虹宏力生产,产品直通率可以达到98%,所以这使得费恩格尔指纹识别芯片在品质和产能有了很好的保障。此外,在指纹算法方面,费恩格尔也是用于自主的独有算法,甚至可以适应56×56 pixels的传感器阵列。

正因为在产品品质、产能、架构、算法、性价比上的优势,这也使得费恩格尔的指纹识别产品很快在市场上获得了不错的成绩。由于费恩格尔主攻的还是中低端白牌市场,所以可能很多人没有太多的关注到,其实费恩格尔已经出了很多货。据芯智讯了解,虽然今年7月费恩格尔指纹识别芯片才开始出大货,但出货量增长很快,目前其月出货量已达50万颗左右。

10、迈瑞微

苏州迈瑞微电子有限公司成立于2014年,是一家专注于半导体指纹传感器的设计和应用解决方案的公司。由中星微做了15年副总裁的郭小川和在指纹算法和芯片领域有十年经验的李扬渊联合创立。

迈瑞微最初在指纹门锁市场获得了成功,积累了一定的经验和技术。随后便开始积极投入面向智能手机的微型触控式指纹传感器以及应用解决方案的研发。2014年底,当时在网上引起极大关注的“国产iPhone 6”,其采用的正是迈瑞微的指纹识别芯片,达到了与iPhone 6指纹识别相近的水平。同时,迈瑞微也采用了“C-Q-T”架构的指纹识别实现方式,避免开了专利的隐患。这也使得迈瑞微的指纹识别技术获得了业内的一定认可。

此外,迈瑞微的指纹识别技术在芯片封装与模组制造方面也有一定优势。迈瑞微号称是全球首家采用TSV封装技术的指纹芯片供应商。TSV封装技术,是目前Apple Touch 采用技术方案,技术成熟,可以提升晶圆级加工时产能、良率, 成本也具有很大竞争力。

目前,迈瑞微的主力产品是支持陶瓷或蓝宝石及coating的AFS120/AFS121(可支持不加金属环),在成本方面具有一定优势。而这也使得迈瑞微拿到了不少中低端市场。

11、信炜

信炜科技由前敦泰科技副总莫良华先生于2015年创立,在公司成立之初就定位于指纹识别芯片领域,彼时已经有很多的芯片厂商已经进入到了这个领域,信炜科技可谓是指纹识别芯片领域的新兵,是一个后来者,但是信炜科技的核心研发团队却都是芯片领域的老兵。很多核心骨干都具备了十多年的传感器及芯片设计经验。这也使得信炜短时间内就很快发展了起来。

目前信炜主要有适用于玻璃、陶瓷、蓝宝石等材质的盖板方案SW9562N以及Coating方案SW9651/9661。此外信炜还有Underglass方案SW9580,不过目前似乎还未量产。目前出货的主力产品是SW9562N盖板方案。

信炜的指纹识别产品特色是性能相对较强,目前信炜科技的指纹识别芯片方案都可穿透300微米的厚度。

在生产方面,信炜科技的指纹识别芯片是在中芯国际投片,在安靠进行封装,采用低噪声LGA封装,后段测试方面是由安博公司负责。所以在产品品质方面有一定的保障。

12、芯启航

深圳芯启航科技有限公司成立于2015年7月成立,主要从事生物识别安全芯片研究、开发与销售。产品主要应用于指纹支付安全认证、信息安全认证和指纹门禁等。据介绍,芯启航目前拥有50多件芯片设计、算法、封装的专利,其中发明专利20件。

目前芯启航的指纹识别产品主要有CS2511P和CS2816,分别支持Coating方案及玻璃、蓝宝石、陶瓷盖板方案,可实现120ms的解锁速度。

据介绍,芯启航指纹产品在解锁速度、盖板穿透力、低功耗、安全指标、ESD性能方面有着突出的优势,尤其最近推出的产品在0.12s内解锁,全球第一的解锁速度。凭借优异可靠的产品性能及综合优势,已成为多家知名手机品牌厂商的指纹芯片供应商之一。

在供货方面,芯启航称已与世界第二大晶圆代工厂达成战略合作协议,产品供货稳定有保障。

13、贝特莱

深圳贝特莱电子科技有限公司成立于2011年7月,是一家高端集成电路设计国家级高新技术创新型企业。专注于消费类电子的IC设计,在触控、AMOLED驱动、指纹识别及生命感知产品领域。目前主打触控IC、指纹识别、生命感知(可穿戴)、MCU四条产品线。

2013年贝特莱开始指纹芯片研发,是国内较早推出小面阵指纹识别传感器的企业,并于2014年开始出货滑动式指纹识别sensor。随后又推出了压力指纹识别芯片,由于盖板方案良率相对偏低,所以这块贝特莱选择主推的是coating方案。

此外,贝特莱还与全球知名指纹识别算法厂商Precise Biometrics(简称PB)已达成深度战略合作,能提供快速、精准、安全的用户身份认证。

据介绍,贝特莱的指纹芯片采用0.18um数模混合工艺,除了能够做到快速熄屏解锁、超低功耗、干湿手指自适应外,还具有面积很小、工艺要求简单,成本较低等特点。并且,贝特莱指纹传感器还集成了多种技术,如True-Print射频识别技术,像素自校正技术等。通过这些新技术,贝特莱号称可实现高达99.9%的手指识别率,杜绝假手指。

14、思立微

上海思立微电子科技有限公司成立于2011年1月,主要从事多点触摸传感器、指纹传感器、集成电路芯片和产品及相关电子元器件的研发等。早在2014年5月,思立微推出国内首颗按压式指纹识别传感器GSL6162及其一体化解决方案。

目前思立微已经拥有coating指纹识别方案、陶瓷/玻璃/蓝宝石盖板指纹识别方案,不过主推的还是背面的coating指纹识别方案。

得益于思立微原来在触控领域的积累,以及其母公司格科微在摄像头领域的影响力,很多的指纹模组厂商都有与思立微合作(其中包括凯尔光电、三赢兴、合力泰、信利、桑莱士、华天科技、金龙电子、赛华、盛泰影像、凯木金、鑫鸿博等出货量较多的模组厂商)。

15、集创北方

北京集创北方科技股份有限公司成立于2008年,是一家专注于平面显示技术的芯片设计公司,产品涵盖各类驱动及触控芯片。自2015年,集创北方也开始进入指纹识别市场。

目前集创北方的指纹识别芯片产品覆盖齐全,可同时支持coating和玻璃、陶瓷、蓝宝石等多种盖板方案。产品具有低功耗、功能完备等技术优势。此外,集创北方还计划推出Under glass方案。

算法方面,2016年3月集创北方与瑞典指纹识别算法厂商PB达成合作协议。集创北方可以使用PB授权的全套算法,技术成熟,安全性、可靠性高,无专利纠纷。

16、比亚迪微电子

深圳比亚迪微电子有限公司于2004年成立,初期主要承担公司集成电路及功率器件的开发、整合性晶圆制造服务的生产任务。2014年开始布局指纹识别芯片领域。

2015年5月,比亚迪发布适用于手机的三款指纹识别芯片:BF6611A、BF6621A和BF6631A。其中,BF6611A是盖板方案,BF6621A和BF6631A则是Coating方案。

同时,为了进入指纹识别领域,比亚迪是申请了90件以上相关专利,其中发明专利在80%左右。据介绍,比亚迪拥有自己核心专利的指纹识别算法,通过潜心搭建算法架构,优化图像处理细节和比对策略,结合自身的传感器芯片,技术指标已达到:拒真率小于百分之一,认假率小于十万分之一,比对时间小于100毫秒。

目前比亚迪的指纹检测方案包括主动式和被动式,在被动式检测方案上,也可以做到在应用设计上完全不需要金属环。不过在出货量方面,目前还比较少。

17、茂丞科技

台湾的茂丞科技(J-Metrics)成立于2008年,从事多种微控制器、指纹识别传感器及相关运用软硬件、模块之研发,以及其相关衍生系列产品。早在2014年8月,就发布了一款基于主动式垂直射频技术的新型指纹识别传感器。

据介绍,茂丞还拥有自主研发的封装材料的创新技术以及影像自动调整技术。所谓封装材料创新是指,一般的树脂比较脆弱,于是茂丞自己加入一些特殊材料去固化它,同时再填充进二氧化硅玻璃球,让芯片得到坚固的保护。而影像自动调整技术是指,在主动电容式指纹识别芯片方面,遇到干手指时芯片会自动进行调整,增加电荷发射量,让手指带有更多的电荷,使识别到的影像更加清晰;当遇到湿手指时识别到的影像是一片黑影,这时芯片就自动调整减少电荷的发射量,得到更加清晰的影像。

此外,茂丞还拥有自己的指纹识别算法,同时还与义隆电子、星友,敦泰、映智、IDEX等厂商有策略联盟。不过目前茂丞在国内的出货似乎还非常少。

18、图正

上海图正信息科技股份有限公司成立于2013年1月,主要从事信息科技、生物识别科技、电子科技、系统解决方案专业领域内的技术开发等。旗下有指纹识别品牌贝尔赛克,可提供指纹识别芯片、指纹识别算法、指纹识别算法芯片及指纹模组。

据介绍,贝尔赛克最早从1997年开始就从事指纹识别算法研究。随后曾为TI FDK5515提供指纹识别技术应用方案,被全球最大的智能锁和安防解决方案供应商亚萨合莱、全球挂锁和便携式安全产品的最大制造商MasterLock、国内三大智能门锁生产商之一科裕、全国规模最大的保险柜生产企业艾谱采用。

随着指纹识别在智能手机市场的迅速增长,图正也开始布局手机指纹识别市场。目前有Coating方案和盖板方案,主要针对的是需求高性能、低成本的市场。

据了解,图正的指纹识别芯片也完全是自主设计,由联电代工,在国内进行封装。

此外,图正还提供了晶园表面做LOGO 的服务(据说是通过光学手法实现,可以使得应用在手机上的指纹识别模组直接显示客户LOGO,配合透明涂层/玻璃),再加上自主的指纹算法,还是具有一定特色的。

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