移动“智”付的安全–《指纹识别IC技术》-《芯苑》

最近新闻比较火爆的,应该是Apple-Pay入华成为第五个使用Apple-Pay的国家,目的是为了与银联合作争夺支付宝的天下。网络购物已是支付宝的天下,而现在越来越多的消费者又涌向了实体店面(O2O)的移动支付,如果你还像十年前一样刷金卡那你只能是真“土”豪了,现在流行手机移动支付了,而移动支付最大的问题是安全隐患,所以指纹识别应该是最独一无二的代替密码的最好方式(人脸识别和IRIS虹膜识别等生物采集方法都比较复杂而且受外界干扰比较大),简单便捷而且无法破解。指纹识别曾经是执法机关和政府部门用来破案的生物识别技术,而如今随着生物识别技术(BioMEMS)技术的普及,越来越多的应用到消费类电子行业。《EEtimes: Cell Phone Security at Our Fingertips-2004/12/2》。

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2012年应该是苹果收购AuthenTec在iPhone5s上率先引入指纹识别,随即引发人们对指纹识别的猜想,而这种时尚不可能只是Apple的专利,Android阵营也将指纹识别变成标配,最先使用的应该是三星棒子,他们最早使用的是我们在笔记本上见到的那种细长条垂直滑动(Swipe)技术,Swipe技术主要由Validity公司提供,后来被Synaptics收购,但是这种技术短板在于不符合人们使用习惯,滑动快慢以及角度都会影响成功率,后来是华为的Mate-7用了瑞典FPC(FingerPrint Cards)公司的触摸式指纹传感器,一度把FPC公司推到了指纹识别的业界第二(AuthenTec第一),此前他也只是供货给银行系统的小公司。再后来到了汇顶(Goodix),他是联发科公司投资在深圳的一家小公司,原本它只是大陆二三线手机(比如魅族和乐视)采用的,后来被一家测评软件测试识别率高达99%,解锁只要0.15秒,非常流畅,这个广告一出,立马Goodix成了Android的一线品牌仅次于FPC了,汇顶自己预估2016年他们成长约2~3倍,每个月出货可能超过20KK颗芯片,现在汇顶走的也是和苹果一样的路线蓝宝石按压式(Area)指纹识别系统,而FPC和Synaptics还是采用比较老旧的垂直划擦式识别系统。

所以最近一个微信新闻比较火爆的是《两岸8寸晶圆厂急单涌现》,主要成长动力来自于0.18um的指纹识别芯片,比如FPC进驻SMIC,汇顶和敦泰进入tsmc,神盾进入UMC等。(当然产能吃紧不是仅仅来自于指纹识别,还有大屏幕LCD驱动,因为下半年奥运会要举办了)

今天我们就来聊聊指纹识别的技术吧。

首先,指纹识识别主要是pixel面积比较大(128*48, 128*72,etc),所以芯片面积比较大,在12寸生产成本没有竞争力,所以目前主要还是在8寸生产,而单片gross die只有五六百颗,所以对于FAB来讲是个好买卖,我们是Wafer-Buy,出货片数会比PMIC芯片的多好几倍,所以对我们来说这是大买卖啊。

指纹识别原理:

先认识指纹吧,初中生物应该就学过,每个人的指纹都是独一无二的,即使孪生兄弟,而这个独一无二的指纹图形主要来自于基因代码。这正符合身份密码的独一无二性,被用于身份识别。而指纹的主要组成是由“谷(Valleys)”和“岭(Ridges)”形成的波浪纹,而这些凹凸不平的波浪纹是的指纹表面有摩擦力(Friction)。而指纹识别主要是识别这些岭(Ridges)的终点(ending)和分叉点(splits)所在的位置和方向等微小细节(minutiaes)。(摘自:<Working of FingerPrint Scanner>)

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而指纹识别的主要方式有:光学识别(CCD成像),电容传感识别,生物射频识别。我们IC人主要还是靠传感识别,所以我们重点讲电容传感器识别技术。(光学识别是比较老旧的技术,它需要一套CCD光学系统反射收集并与图库比较,它识别表皮图文,所以干净与否很重要,而生物射频识别是靠射频信号穿透表皮进入真皮获得真皮层的图文,所以识别程度比较高,该技术比较新,不知道未来是否会取代电容传感。)

对于电容传感式指纹识别来讲,它的结构主要是由很多pixel的cell array,通常是300*300=90000个pixel,每个cell由一个被绝缘层覆盖的导电极片(plate),而这个绝缘层是作为电容介质层的,而这个Plate是作为电容的下电极,手指碰到的地方则为电容上电极,每个cell的尺寸必须小于指纹上“岭”的大小(一般是每个电容cell大小是50um,所以一个Sensor大小是15mm*15mm)。手指与下电极以及绝缘层形成的电容作为电荷存储用,而当“岭”触碰到表面则电容等于介质层电容,而当“谷”触碰到表面,则电容等于介质层与空气(Air gap)电容串联之和,所以我们根据读取这个电容只差就知道哪里是“谷”哪里是“岭”了。当然读取的不是电容,是电容存储电荷之后的电压差,而这个电压差又很微小,所以电路设计上需要ADC将电容的模拟信号转为电压的数字信号,还需要OP-AMP将数字信号放大,还需要一个电压比较器(Comparator)用数字信号“0”和“1”代表“谷”还是“岭”。

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再仔细看看他的电路结构,Cf就是手指与极板间电容,BUFFER是一个unit-gain缓冲器,作用是让Cp3的下电极M3的电压和N1的电压相等,使得Cp3永远是“0”。而且电路设计的专利里面Cp1和Cp2是利用Metal间的寄生电容(MoM)形成的,而M3是MiM形成的,所以Cp1和Cp2远比Cp3小,所以BUFFER的作用也是为了消除Cp3的对Cp1和Cp2的影响。在process端,IMD的寄生电容就很重要了,所以IMD厚度很key。

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指纹识别芯片的表面接触技术主要有四种:蓝宝石(Sapphire)、玻璃(Glass)、陶瓷(Ceramic)、涂膜(film-coating)。2014年最早引入市场的是蓝宝石,但是蓝宝石Cost很贵,而film-coating又很容易脱落,所以市场上的主流中低端手机都采用玻璃或陶瓷技术。Goodix就是主要提供Glass-type的指纹识别芯片,而film-coating的技术只有Holitech Technology提供(for BYD)供给白牌手机。而陶瓷的指纹识别器主要由Silead公司提供。

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由于Goodix的高灵敏度和>300um的保护层,它已经成为世界唯一一家有能力提供量产的glass-type指纹识别solution的公司,随着华为、小米中端手机(Mid-range)的订单,FPC公司威胁很大啊。再加上Goodix为避苹果专利新推出的IFS(Invisible-Fingerprint-Sensor)技术,可以将指纹识别隐藏到Home键下面,这是要逆天啊。

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最后再聊聊指纹识别那点事:

为啥指纹识别上面要蓝宝石?

耐磨呗,天天摩擦表面刮花了怎么办?可是FPC指纹识别,不能做蓝宝石面板,因为这个需要更高精度的IC,所以这点AuthenTec和Goodix还是走在了前列,而且FPC家的指纹识别还是比较大(如FPC1020达9.54*9.54mm^2),不能放到home键下面,只能摆到背面去。而Goodix可以做的比Apple还小。

为啥指纹识别渐渐跑到手机背面了?

因为现在手机都讲究高屏占比,窄边框,所以底部非屏幕区域也越来越小了,而指纹识别通常都比较大,所以很难往下巴下面放,那就放到后面去吧。当然苹果是为了迎合他的经典home键,所以保留了正面指纹识别,而三星它是细长条,所以它可以用Synaptics的刮擦式指纹识别。然而从用户体验上讲,放在背面你必须拿起来用食指或中指解锁,而在正面可以在桌面上不用拿起手机使用任何一个指头解锁,所以正面和背面各有利弊吧,但是技术永远是可以解决的,而用户体验才是最重要的,所以正面按压式IFS技术必将是主流。(IFS: Invisible Fingerprint Sensor,将指纹识别隐藏在Home下面)

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滑动式(Swipe)还是按压式(Area)?

滑动式(Swipe)主要是手指滑动过程中,芯片逐条采集然后拼图形成指纹图案,它不是一次性采集完整图案。它成本低,可采集大面积图案,但是用户体验差,必须慢慢连贯动作,而且压力和角度速度都有要求。

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按压式(Area)它属于一次性采集,它面积比较大(比手指大),必须要整个手指按压住。优点就是操作简单,用户体验好。

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《指纹识别深度报告》: http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/1107/article_38090.html

<主流指纹识别技术介绍>: http://www.sensors-iot.com/指纹识别技术介绍/