樊倩倩

摘 要：隨著智能移動(dòng)設(shè)備信息安全需求的提升，指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用普及化并不斷適應(yīng)移動(dòng)終端的發(fā)展。本文重點(diǎn)介紹基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別專利技術(shù)演進(jìn)以及應(yīng)用于屏下指紋識(shí)別的專利技術(shù)分析。

關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別 ;移動(dòng)終端 ;傳感器

引言

隨著智能終端的普及，移動(dòng)設(shè)備信息安全受到用戶的重視。指紋識(shí)別技術(shù)利用人的指紋的唯一性及穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于信息安全、金融安全以及其他身份認(rèn)證及安全維護(hù)等領(lǐng)域，展現(xiàn)出方便、實(shí)用、可靠等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，得益于集成電路水平的迅速發(fā)展，移動(dòng)終端公司相繼推出搭載指紋識(shí)別功能的智能移動(dòng)終端。

本文對(duì)基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行分析并進(jìn)行綜述性的研究。作者使用CNABS和DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)作為中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)和全球申請(qǐng)的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，從相關(guān)專利分布及趨勢(shì)，專利技術(shù)的演進(jìn)對(duì)基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行探究分析。

1、基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別專利申請(qǐng)量分析

指紋識(shí)別傳感器對(duì)指紋圖像進(jìn)行采集，采集到的指紋圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)行特征點(diǎn)提取，最終與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征點(diǎn)進(jìn)行算法匹配，驗(yàn)證指紋是否有效。指紋識(shí)別技術(shù)通過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，演化出眾多技術(shù)分支。特別是近年來(lái)，應(yīng)用于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別技術(shù)需求量陡增，相關(guān)公司在該領(lǐng)域有著數(shù)量可觀的專利申請(qǐng)。

上世紀(jì)90年代早期就有搭載指紋識(shí)別功能的智能終端問(wèn)世，而由于精確度不高、用戶體驗(yàn)不佳等原因，該技術(shù)并沒(méi)有引起足夠重視[1]。全球?qū)＠暾?qǐng)量從2012年前后開(kāi)始迅速的增多，這歸因于蘋果公司在2013年推出搭載Touch ID指紋識(shí)別功能的智能手機(jī)iPhone5s，其識(shí)別率高，體驗(yàn)佳，開(kāi)啟了指紋識(shí)別手機(jī)的新潮流。自此，針對(duì)于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別技術(shù)方案不斷成熟，識(shí)別算法不斷優(yōu)化。維沃、歐珀、華為、三星等多家終端廠商相繼推出搭載指紋識(shí)別認(rèn)證功能的手機(jī)，使得搭載指紋識(shí)別的智能移動(dòng)終端逐漸普及。

中國(guó)國(guó)內(nèi)在移動(dòng)終端的指紋識(shí)別領(lǐng)域研究起步較晚，相較于全球申請(qǐng)量的提升階段有一定滯后。隨著國(guó)內(nèi)智能移動(dòng)終端的發(fā)展，2013年前后，中國(guó)相關(guān)專利申請(qǐng)量開(kāi)始大幅度增加，并在2017年左右申請(qǐng)量達(dá)到峰值。2018年來(lái)該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量因人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用有所下降。目前該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量最多的國(guó)家是中國(guó)，其次是韓國(guó)、美國(guó)。而申請(qǐng)人中，歐珀公司在基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別領(lǐng)域申請(qǐng)量最高，其次是三星公司。在國(guó)內(nèi)，維沃、努比亞、歐菲、TCL、匯頂、小米等作為國(guó)內(nèi)較為主流的智能終端廠商，在該領(lǐng)域也保有一定的研究實(shí)力，具有較強(qiáng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)。而在國(guó)外，LG、蘋果、鎂光、富士通等公司也在基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別領(lǐng)域申請(qǐng)量具有優(yōu)勢(shì)。中國(guó)在此類高新技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量中獨(dú)占鰲頭，一方面是因?yàn)橹袊?guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)各企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)的科研投入加大;另一方面，國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)加強(qiáng)，積極申請(qǐng)專利以保護(hù)各項(xiàng)新興技術(shù)。國(guó)內(nèi)各移動(dòng)終端指紋識(shí)別領(lǐng)域的創(chuàng)新研究勢(shì)頭依然強(qiáng)勁。

2、基于移動(dòng)終端的指紋識(shí)別專利技術(shù)演進(jìn)分析

通常主要使用的指紋傳感器技術(shù)包括光學(xué)傳感器，電容傳感器以及超聲波傳感器等。

（1） 光學(xué)式傳感指紋識(shí)別

光學(xué)式指紋識(shí)別是運(yùn)用光的全反射原理。光源發(fā)出的光線入射到玻璃表面，當(dāng)該玻璃表面放有手指時(shí)，指紋脊線與玻璃表面接觸，光線在此處被吸收或發(fā)生漫反射，在成像元件上顯示為暗;而指紋谷線未與玻璃表面接觸，光線在此處發(fā)生全反射，在成像元件上顯示為亮，從而將指轉(zhuǎn)化為灰度指紋圖像。

光學(xué)式指紋識(shí)別的相關(guān)專利最早出現(xiàn)于1974年，三菱電機(jī)公開(kāi)了一種基于熒光檢測(cè)的指紋識(shí)別裝置。由于其尺寸較大以及成本較高，并未在移動(dòng)終端領(lǐng)域得到應(yīng)用。1999年韓國(guó)NITGEN公司提出了一種帶有內(nèi)置指紋識(shí)別器的信息終端，其將TFT指紋閱讀器與傳統(tǒng)的信息終端的LCD結(jié)合在一起，從而減小便攜式電話的尺寸。2013年蘋果公司提出一種通過(guò)從用戶手指反射的紅外光返回光檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。在早期階段，我國(guó)指紋識(shí)別技術(shù)較為落后，并無(wú)移動(dòng)終端指紋識(shí)別領(lǐng)域的相關(guān)申請(qǐng)。直到上世紀(jì)90年代前后開(kāi)始提出相關(guān)領(lǐng)域的申請(qǐng)， 2000年專利申請(qǐng)CN1316864A提出了一種指紋識(shí)別無(wú)按鍵式新型移動(dòng)電話及功能控制系統(tǒng)，其技術(shù)方案為將指紋識(shí)別結(jié)合于移動(dòng)電話中提高安全性能。

（2） 電容式傳感指紋識(shí)別

電容式傳感技術(shù)是通過(guò)手指與傳感器進(jìn)行接觸，利用指紋表面凹凸紋路在接觸過(guò)程中導(dǎo)致電容變化，根據(jù)不同的電容值形成指紋圖像信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)指紋信息采集。

1997年的專利申請(qǐng)GB9725571D0提出了包括指紋讀出裝置的移動(dòng)電話，通過(guò)傳感元件的陣列，電容性地感測(cè)置于陣列上的個(gè)人指紋的隆起線圖案，公開(kāi)了基于電容傳感器的移動(dòng)終端指紋識(shí)別技術(shù)。2003年的專利申請(qǐng)CN1450489A提出了可應(yīng)用于筆記本型計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理及移動(dòng)電話等便攜式電子產(chǎn)品的電容式指紋讀取芯片，電容感測(cè)元陣列利用DRAM點(diǎn)和分享原理檢測(cè)指紋的紋峰與紋谷。電容式指紋識(shí)別的輝煌期在2014-2017年，在智能手機(jī)增速放緩時(shí)期，電容式指紋識(shí)別技術(shù)因其技較為成熟，成本低的特點(diǎn)迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)。

（3） 超聲波傳感指紋識(shí)別

超聲波傳感指紋識(shí)別是利用超聲波可穿透多種傳輸介質(zhì)的特性，通過(guò)向手指表面發(fā)射超聲波脈沖，脈沖在手指表面反射回波至傳感器，而指紋的脊線和谷會(huì)產(chǎn)生不同的回波信號(hào)，根據(jù)回波信號(hào)的不同即可獲取指紋的三維圖像信息。

2004年三星提出了一種超聲波類指紋傳感器，其可以利用MEMS工藝將各元件同時(shí)制作成薄膜形狀，以便提高指紋鑒定速度，適用于便攜終端。2014年專利申請(qǐng)US2014355381A1提出了一種基于硅晶體的MEMS指紋識(shí)別系統(tǒng)，壓電換能器陣列設(shè)置于聲匹配層之下，向聲匹配層產(chǎn)生入射聲波或入射聲脈沖，并接收被檢測(cè)對(duì)象的反射聲波或聲脈沖，與壓電換能器陣列電耦合的CMOS，用于接收和處理響應(yīng)所述反射聲波或聲脈沖而產(chǎn)生的壓電換能器輸出。2019年歐珀公司提出了通過(guò)信號(hào)發(fā)射器以相對(duì)蓋板傾斜的方向朝蓋板邊緣發(fā)射超聲波指紋檢測(cè)信號(hào)，并設(shè)置指紋感應(yīng)區(qū)，信號(hào)感應(yīng)器固定于蓋板遠(yuǎn)離入射指紋檢測(cè)信號(hào)處，經(jīng)指紋感應(yīng)區(qū)接收指紋檢測(cè)信號(hào)使得蓋板的指紋感應(yīng)區(qū)占比可以增大。

超聲波傳感由于其優(yōu)越的穿透力，對(duì)手指的干凈程度要求較低，可以產(chǎn)生高質(zhì)量圖像，甚至可以識(shí)別出滲透到皮膚表面之下的指紋的3D紋理特征，在移動(dòng)終端指紋識(shí)別前景可期。

3、指紋識(shí)別在全面屏終端中的應(yīng)用

屏下指紋識(shí)別技術(shù)是基于上述技術(shù)的應(yīng)用類技術(shù)分支。近年來(lái)，全面屏手機(jī)的流行對(duì)移動(dòng)設(shè)備指紋識(shí)別技術(shù)提出了新的要求，屏下指紋識(shí)別技術(shù)將傳感器置于屏幕下方，無(wú)需設(shè)置單獨(dú)的指紋采集窗，進(jìn)而大大提高移動(dòng)終端的屏占比。目前主要集中于光學(xué)和超聲波指紋傳感。

光學(xué)屏下指紋識(shí)別技術(shù)，是將屏下指紋模塊設(shè)置于有機(jī)發(fā)光二極管顯示面板或傳統(tǒng)液晶面板。維沃公司提出了使用OLED顯示面板，其中每個(gè)像素發(fā)光可以單獨(dú)控制，像素發(fā)光照亮指紋后反射到光學(xué)識(shí)別模塊，通過(guò)識(shí)別轉(zhuǎn)化后的電流信號(hào)的強(qiáng)弱判斷出指紋的脊和谷實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。光學(xué)屏下指紋識(shí)別兼容OLED屏，成為目前屏下指紋方案的主流。

超聲波屏下指紋識(shí)別同樣在屏下指紋識(shí)別領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。魅族公司提出了將超聲波傳感器置于屏幕的非顯示區(qū)域，如手機(jī)的四個(gè)邊框內(nèi)部，通過(guò)多個(gè)傳感器的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。蘋果公司在2015年提出了用于聲學(xué)成像系統(tǒng)有源傳感元件，該申請(qǐng)將超聲波傳感器陣列直接置于手機(jī)屏幕下方，實(shí)現(xiàn)屏下指紋識(shí)別。

總結(jié)

指紋識(shí)別在移動(dòng)終端中的應(yīng)用仍處于平穩(wěn)上升期，在移動(dòng)終端的信息安全、金融安全等方面是短期內(nèi)不可取代的核心技術(shù)。同時(shí)，隨著全面屏?xí)r代的開(kāi)啟，光學(xué)與超聲波指紋識(shí)別有望成為發(fā)展主流。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅山，潘娟. 移動(dòng)智能終端生物識(shí)別發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 移動(dòng)通信， 2015，39（5）： 13-16.