Mi 5的指纹识别如何成为首款带有物理主页按钮的手机？

[编者注]本文的作者是微阵列的首席科学家，是电子和软件设计师.

（图1.小米5的不露面照片）

小米4发布19个月后，小米5终于发布了. 在小米手机的历史上，这是时差最大的两代产品，指纹识别的研发可能是小米5弹跳的原因之一. 作为中国第一个互联网手机品牌，小米要打入高端市场，必须与其他主要品牌区分开来. 小米对小米5的期望是华为旗舰手机的基准. 如今，小米5毫不意外地超越了指纹识别背面的“华为风格”，并将指纹集成到矩形“主页”按钮中.

（图2小米5的指纹识别比其他同类产品具有更小的接触面积，并且按钮显得纤细. ）

自从iPhone 5S将指纹识别引入智能手机以来，关于指纹识别技术的应用存在五种类型的纠纷: 阵营战，类型战，物质战，前后战和尺寸战. 关于小米5的受欢迎程度，我们将分析小米5指纹识别背后的技术原理和行业故事.

首先[战斗营]

（图3.主要供应商信息）

选择有经验的长期从业者和经验不足的追随者是为小米5选择指纹识别供应商的第一步.

指纹感测不是特定的感测技术，因为指纹是人体的生理特征，并且传感器收集一定的物理量. 用于指纹图像获取的“声光热压”有五种物理方法. 其中，光学类型已经使用了30多年，但体积不适用于智能手机；电气类型（电容器/微波/电感器在物理上等效）已投放市场约10年；其余类型尚未上市. 由于人体上的巨大差异，指纹传感器容易出现对某些人有益而对其他人无效的问题，甚至在一段时间后对于同一个人也会失效. 因此，指纹传感器的设计者必须了解所选择的物理测量条件下人体的差异，否则会导致大量的技术故障. 由于这是商业秘密知识，因此只有经过长期的反复试验，才能积累设计经验.

去年，指纹供应商的生命很短暂. 对于第一个设计，做出了大量小品牌的试用订单. 进行面对面销售时，消费者无法使用它们，从而丧失了信誉并战胜了未来. 为了避免面对面销售的“立即死亡”效应，另一家指纹供应商专门研究在电子商务平台上发货的互联网手机品牌. 不幸的是，互联网手机有很多粉丝论坛，并且在一段时间的手机销售后，他们积累了许多关于指纹故障和识别错误的投诉.

鉴于互联网上的任何人都可以核实并进行统计，因此阿里巴巴的安全部门也可以这样做，因此黑心供应商已经阻碍了这些手机的指纹支付. 即使已打开使用指纹支付的手机，但在ROM升级后关闭了支付宝指纹支付的示例，每个人都必须警告它.

小米作为中国最大的互联网手机品牌，在冲击全球一线品牌的过程中，手机指纹支付是必不可少的. 这使小米5选择了指纹卡（简称FPC）作为指纹传感器的供应商.

谈到FPC，您必须八卦. 这家瑞典制造商成立于1997年，具有深厚的中国情结，但直到2014年华为Mate7发行时，它完全依靠中国银行系统的订单来生存. 我们在各银行柜台看到的大多数柜员指纹验证器是FPC1011. FPC也和我有深厚的关系. 我对人脸型电容指纹的应用统计主要基于FPC1011. 现在，我发明了第四代“ C-Q-T”技术，并建立了迈瑞来与老朋友竞争. 除了生意和生意，我也为彼此感到难过. 由于供应链的重叠，FPC的技术发展在很大程度上受到迈瑞发展的影响. 例如，下面将提及微晶锆盖板.

接下来要谈论[类型纠纷]

如前所述，只有光学和电气应用属于“声光热压”五个类别. 考虑到这是市场选择的结果，仍然有必要分析自然法则本身.

在成像原理，指纹成像，分集束成像和接近成像方面.

所谓的簇成像通常被称为使用物理量传播的簇（方向性）成像. 光线具有最佳的捆绑，并且可以通过光学系统以很高的分辨率成像. 在光学指纹传感器中，光学系统与手接触，并且脆弱的传感器装置受到光学系统的保护，从而达到了应用条件.

（图4.光学团簇成像）

所谓的邻近成像是利用指纹的脊线和谷线交替的空间结构来生成受空间差异影响的某个物理量场. 可以选择电场，热场和压力场，而物理量场决定了在足以保护传感组件的介质穿透后这三类的成功或失败. 市场选择电容式指纹传感器的原因是因为电场足以通过介电物质来保护指纹传感器，因此衰减仍然可以接受.

（图5.电容指纹传感器的接近成像原理）

超声是簇成像和邻近成像之间的物理量. 如果使用邻近成像，则与电容类型相比，除了能够穿透金属之外，没有其他性能优势. 如果使用束成像，原则上它可以穿透较厚的介质，但是由于声波束取决于波长以及发射器和的比例关系，因此仅在波长远小于束的比例时才进行束发射器和. 考虑到指纹传感器的像素大小为50um，使用声波捆绑需要100MHz以上的频率. 尽管在此频率下制造单点声发射非常简单，但是制造超过10,000个点的阵列是另一回事，因此即使在高通公司的支持下，Ultrascan仍然无法实现批量生产. 即使几乎没有量产，缺少应用程序经验的大坑仍然在等待.

迄今为止，电容式指纹传感器总共开发了4代技术.

第一代无源型传感器诞生于1980年代，属于不认识电场感应定律的时代. 要求指纹必须非常靠近像素电极，因此像素电极的比例为50um，而第一代电容式指纹传感器可以承受. 介质厚度的上限为50um，如果超过此值，它会迅速衰减.

第二代主动型于1990年代生产. 是认识到电场感应定律的产品. 除了使用激励发生器之外，还根据此时的感测信号特性优化传感器内部.

第三代RF模型于2000年在Daichu生产，是第二代的升级版本. 区别在于第二代使用直流电场，第三代使用交流电场，从而提高了灵敏度.

第四代“ C-Q-T”模型诞生于2010年代初期. 它是现代集成电路设计技术与第三代理论的结合，可以提高可靠性，可测试性和可制造性.

由于第三代技术已获得苹果独家专利，因此作为国际品牌的小米自然不会与任何第三代技术的追随者联系. 第四代技术仍处于增长阶段，因此小米5没有选择第四代技术. 在采用第二代技术的基础上，借鉴了第四代技术研发的扩展成果，即“微晶锆”盖板.

这将从竞争开始

在iPhone 5S上，苹果坚持使用Touch ID上的“蓝宝石”盖，其科学名称是氧化铝单晶.

Xiaomi 5使用了可与蓝宝石匹配的“微晶锆”盖板，其学名是二氧化锆陶瓷.

微晶锆盖板的供应商是潮州三环（深圳股票代码“三环集团”）. 先前介绍的“家用Touch ID”的盖板是由这家中国当地的高科技材料公司生产的. 研发. 从2014年第三季度开始，三环和迈瑞共同开发了适用于指纹传感器盖的二氧化锆陶瓷材料，并批量生产了“家用Touch ID”项目. 在小米5的试用中，潮州三环根据产品质量取消了同期开发的京瓷日本，并为新的国产材料打下了基础.

（图6.华强北是世界上第一个使用微晶锆指纹盖的地方）

“微晶锆”在指纹传感器盖的应用中具有很大的优势.

氧化锆的莫氏硬度为8.5，而氧化铝为9.0，这比研磨手机屏幕的罪魁祸首石英的8.0莫氏硬度高. （与微晶锆相比，谈论H硬度的炉渣可能会死亡. H硬度是指铅笔硬度. 莫氏硬度是矿石硬度. 硬铅笔可以与矿石进行比较吗？）

从电容器介质的角度来看，氧化锆的相对介电常数接近氧化铝的3倍，可以大大减少指纹电场的衰减. 陶瓷结构使微晶锆的韧性比蓝宝石好得多，但成本要低得多.

但是为什么不使用具有如此优质材料的苹果，苹果只选择昂贵的苹果却没有选择合适的苹果？实际上，微晶锆陶瓷体的显色与使用墨水进行的透明蓝宝石显色不同，必须通过深入的材料研究来实现颜色的纯度.

（图7.彩色微晶样品显示器）

正是因为看到了氧化锆作为材料的优势，并且可以肯定其能够在研究和开发中取得成功，迈瑞才不会成为微晶锆指纹盖的伯乐和共同开发部门.

但是，除了材料之外，盖板的强度还可以通过刻度尺来实现. 迈瑞可以在2014年使用200um厚的微晶锆盖板批量生产指纹模块，但到2016年FPC只能使用厚度不超过100um的微晶锆盖板. 因此，就实力而言，迈瑞微（Mindray Micro）领先于老朋友FPC. 至于一些国内制造商所坚持的玻璃，介电常数低，易碎且不耐磨，除便宜外没有任何优势. 通常，低性能的低成本材料仅用于低端产品，并且智能手机上的塑料外壳匹配得很好.

因此，在材料选择上，小米5紧随华强北，并首次走在了所有国内品牌的前面.

最具争议的[对抗]

指纹识别设计应该放在前面还是后面？

该产品是美学与工业设计之间的折衷. 美学和工业设计都是主观的. 当小米5在官方网站上露出自己的脸庞并将其与官方网站上的华为Mate8露背肖像进行比较时，会不会有任何美学上的疑问？在工业设计方面，Android手机的发展趋势狭窄. LCD只能从上方或下方布线，但上方有一个. 为了避免散热和结构之间的冲突，只能将它们路由到下面，这是物理按钮的结构. 划桨.

因此，最困难的部分不是前指纹按钮，而是物理按钮. 由于小米5承担了小米品牌影响高端的重要任务，因此Mi的美感和手感丝毫不能太草率，因此前端已成为必然的选择.

（图N.华为Mate8官方网站露背照片）

最后，[规模大战]

Apple的第一代Touch ID仅为88 x 88 @ 508 dpi = 19.36平方毫米. 从iPhone 6s开始，苹果悄悄地将图像区域增加到96 x 112 @ 508dpi = 26.88平方毫米.

小米5选择的FPC1140的图像区域为192 x 56 @ 508 dpi = 26.88 mm2，与第二代（iPhone 6S）Touch ID完全相同吗？

指纹图像的面积等于数字密码的长度. 信息量越大，安全性越高. Authentec（Apple）和FPC都响应26.88平方毫米的传感器图像区域，这是长期从业人员对技术和产品完整性的敬畏之情. 迈瑞的产品形象面积超过32平方毫米，比这两个老朋友更具道德感. 这不是因为算法较弱，而是为更高的用户体验留出了空间.

例如，华为的旗舰机在后置指纹传感器方面拥有最佳体验. 它必须具有160 x 160 @ 508dpi = 64平方毫米的大尺寸，以便消费者在偏斜时可以识别它. 同时，一些二线手机品牌论坛不遗余力地教育消费者如何保持手指皮肤，并正在小心翼翼地按压指纹. 那不是差距吗？

说到用户体验，尽管FPC1140的图像区域与TouchID相同，但毕竟形状不足. 当配准指纹图像和匹配指纹图像具有旋转角度时，指纹图像越靠近正方形，可以确保更多的重叠区域. 对于矩形，尤其是长和宽较大的矩形指纹传感器，唯一的方法是在配准期间收集尽可能多的图像并将它们放在一起，以便在配准图像重叠区域上沿任意方向按下指纹就足够了. 尽管尚未获得小米5的真实设备，但可以推测，小米5的注册号将比iPhone6S高得多，并且可能达到24倍. 如果处理得当，对用户体验的影响仍然可以接受.

小米5在指纹识别技术上的谨慎是有原因的. 在Web 2.0和大数据时代第一个指纹识别手机，作为互联网智能手机的发起者，小米必须非常清楚口口相传的重要性. 如果选择了错误的指纹技术，由于指纹不易使用，只会导致大量退货. 最担心的是，不守规矩的供应商降低了匹配相似度阈值，以提高使用中的合格率，并且大量的错误爆炸了. 识别.

知道中国最强大的大数据分析云平台和最大的支付平台属于阿里巴巴集团. 但实际上第一个指纹识别手机，一些手机公司的经理故意逃避了指纹识别行业高级人士的意见. “选择错误的阵营，选择错误的材料，选择错误的尺寸”不仅对消费者不负责任，而且会杀死手机. 品牌指纹支付之路. 因为如果将错误进一步升级为未经市场验证的物理类型，则指纹支付的路径可能会中断. 新技术是有风险的. 互联网公司无法像在互联网领域那样积极地扩展其硬件产品. 相反，请注意硬件的深层技术特征，听取行业资深专家的意见，然后听取他们的意见.

最后再次为小米5鼓掌，我希望Rebus始终恪守米粉的承诺，并制造出一流的手机.

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