作為小米第一款帶實體Home鍵的手機，Mi 5的指紋識別是怎麼設計的？
【編者按】本文作者為microarray首席科學家，電子和軟件設計師。
（Fig1. 小米5的露臉照）
距離小米4發佈19個月後，小米5終於發佈了。在小米手機歷史上，這是時間差最大的兩代產品，而指紋識別的研發可能是小米5跳票的原因之一。作為中國互聯網手機第一品牌，小米在衝擊高端時必須做到跟其它主要品牌的差異化，與華為旗艦機對標乃是米粉們對小米5的期待。如今，小米5不孚眾望地超越了背置指紋識別的“華為Style”，將指紋集成入長方形的Home鍵中。
（Fig2 小米5的指紋識別的接觸面積比其他同類產品小一些，按鍵顯得比較細長。）
自iPhone 5S將指紋識別引入智能手機以來，對指紋識別技術運用一直存在5類紛爭：陣營之爭、類型之爭、材料之爭、前後之爭、尺寸之爭。就着小米5發佈的熱度，我們來分析一下小米5指紋識別背後的技術原理和行業故事。
首先是［陣營之爭］
（Fig3. 主要供應商的信息）
指紋傳感不是某種特定的傳感技術，因為指紋是人體生理特徵，而傳感器所採集的是某一種物理量。共有“聲光電熱壓”五類物理方法用作指紋圖像採集。其中光類型應用超過30年，但體積不適合智能手機；電類型（電容/微波/電感在物理上是等價的）的市場應用約10年光景；其餘類型尚未市場應用。由於人體差異大，指紋傳感器很容易出現對一些人好使而對另一些人失效的毛病，甚至在一段時間後對同一個人失效。所以指紋傳感器的設計者要對所選物理測量下的人體差異性心中有數，否則就會造成大量的技術性失效。由於這是商業祕密型的知識，只有經歷過長期試錯才能累積設計經驗。
去年某指紋供應商曇花一現，第一次設計就做大量的小品牌試單，在面對面銷售的時候導致消費者無法使用，透支了信譽敗掉了未來。另一指紋供應商為避免面對面銷售的“立即死”效應，專做電商平台出貨的互聯網手機品牌。可惜互聯網手機都有粉絲論壇，在手機銷售一段時間後累積了海量的對指紋失靈和誤識別的投訴。
小米作為中國最大的互聯網手機品牌，在衝擊全球一線品牌的過程中，手機指紋支付是必須的一張牌。這就使小米5選擇了Fingerprint Cards（簡稱FPC）作為指紋Sensor供應商的原因。
説到FPC不得不八卦一下。這個瑞典廠商的中國情結頗深，於1997年成立，但直到2014年華為Mate7發佈之前完全依賴中國銀行系統的訂單而存活。我們在各銀行櫃枱看見的櫃員指紋認證器大部分是FPC1011。FPC跟我本人的淵源也頗深，我對面型電容式指紋應用的數據統計就主要是基於FPC1011。如今我發明了第四代“C-Q-T”技術，建立邁瑞微來與老基友同堂競技，在商言商之外，也惺惺相惜。因為供應鏈的交疊，FPC的技術發展有相當比重沾了邁瑞微研發成果的光，例如微晶鋯蓋板會在下面提到。
接下來講［類型之爭］
前面提到“聲光電熱壓”五大類裏只有光和電有應用，考慮到這本身是市場選擇的結果，所以分析物理規律本身還是有必要的。
所謂集束成像，通俗點講就是利用物理量傳播的集束性（方向性）成像。光有最好的集束性，可以通過光學系統以非常高的分辨率成像。光學式指紋傳感器中，與手接觸的是光學系統，脆弱的傳感器件因光學系統而得到保護，從而達到應用條件。
（Fig4. 光學集束型成像示意圖）
所謂接近成像就是利用指紋脊線谷線交替的空間結構，產生某種受該空間差異影響的物理量場。可以選擇的有電場、熱場和壓力場，而決定這3類成敗的是哪一種物理量場在穿透足以保護傳感部件的介質之後衰減量最小。市場之所以選擇了電容式指紋傳感器，正是因為電場穿過足以保護指紋傳感器的介電物質後，衰減尚可接受。
（Fig5. 電容指紋傳感器接近成像原理）
超聲波是介於集束成像和接近成像之間的物理量。如果採用接近成像，除了能穿透金屬相對於電容式而言有點差異外，沒有什麼性能優勢。如果採用集束成像，原理上是可以穿透較厚的介質，但由於聲波集束性取決於波長和發射接收極的尺度關係，當波長遠小於發射接收極的尺度時才有集束性。考慮到指紋傳感器的像素大小是50um，利用聲波集束性要求頻率達到100MHz以上。雖然製造這個頻率的單點聲發射接收極很簡單，但製造過萬點的陣列又是另一回事，所以即使有高通的支持，Ultrascan還是沒能實現量產。而且即使勉強量產，缺乏應用經驗的大坑還等着呢。
第1代被動型產生於1980年代，屬於未認識到電場傳感規律時代的產物，要求指紋非常貼近像素電極，所以像素電極的尺度是50um，而第1代電容式指紋傳感器能容忍的介質厚度上限也就50um，超過這個值就衰減很快。
第2代主動型產生於1990年代，是認識到電場傳感規律後的產物，除了使用激勵發生器外，傳感器內部也根據此時的傳感信號特點做了優化。
第3代RF型產生於2000年戴初，是第2代的升級版，區別是第2代採用直流電場，而第3代採用交流電場，提高了靈敏度。
第4代“C-Q-T”型產生於2010年代初，是當代集成電路設計技術和第3代理論結合的產物，提高了可靠性、可測性和可製造性。
這就要從材料之爭説起
微晶鋯蓋板的供應商是潮州三環（深交所股票代碼“三環集團”），以前介紹過的“國產Touch ID”的蓋板就是由這家中國本土的高科技材料公司研發的。2014年3季度起，三環公司與邁瑞微共同研發適合指紋傳感器蓋板的二氧化鋯陶瓷材料，並在“國產Touch ID”這個項目上進行了量產，並依靠邁瑞微的支持和華強北的試用，在小米5這個項目上，潮州三環靠產品品質把同期研發的日本京瓷給淘汰掉，為國產新材料長了臉面。
（Fig6. 華強北才是世界上最早應用微晶鋯指紋蓋板的地方）
“微晶鋯”在指紋傳感器蓋板應用上優勢極大。
氧化鋯的莫氏硬度8.5，氧化鋁為9.0，都大於把手機屏幕磨花的罪魁禍首石英的莫式硬度8.0，都能完全避免磨損。（和微晶鋯比起來，談H硬度的渣渣都可以死一邊去，H硬度指鉛筆硬度，莫式硬度是礦石硬度，再硬的鉛筆能和礦石比嗎？）
在電容介質的角度，氧化鋯的相對介電常數接近氧化鋁的3倍，這能大幅度降低指紋電場的衰減；陶瓷結構使微晶鋯的韌性比藍寶石優越得多，同時成本卻低得多。
（Fig7. 彩色微晶樣品展示）
正是看到了氧化鋯作為材料的優勢，以及有一定能研發成功的底氣，邁瑞微當仁不讓成為微晶鋯指紋蓋板的伯樂和共同研發單位。
不過，蓋板強度除了靠材料，也靠尺度來實現。邁瑞微在2014年就可以量產使用200um厚微晶鋯蓋板的指紋模組，但到了2016年FPC還只能採用不超過100um厚的微晶鋯蓋板。所以在堅強程度上面，邁瑞微領先FPC這個老基友一程。至於有些國內廠商堅持使用的玻璃，介電常數低、脆、不耐磨，除了廉價沒優勢。通常性能低的廉價材料只運用在低端產品上，在智能手機上塑料外殼搭配恰好。
所以在材料選擇上，小米5緊跟華強北，第一次走在了所有國產品牌手機的前面。
最眾説紛紜的［前後之爭］
指紋識別設計該放前面還是後面？
產品是美學和工業設計的妥協，無論美學角度還是工業設計角度都很主觀。當小米5在官網秀出露臉照，與華為Mate8在官網的露背照對比時，美學上還能有疑義麼？至於工業設計，一直以來，Android手機以窄邊框為趨勢，LCD只能從上方或者下方出線，但上方有攝像頭，為了迴避散熱和結構的衝突，只能在下方出線，這就與實體按鈕發生結構干涉。
（FigN. 華為Mate8的官網露背照）
最後是［尺寸之爭］
蘋果第一代Touch ID僅88 x 88 @ 508 dpi = 19.36平方毫米，從iPhone 6s起，蘋果悄悄把圖像面積提高到96 x 112 @ 508dpi = 26.88平方毫米。
指紋圖像的面積相當於數字密碼的長度，信息量越大安全性越高。Authentec（蘋果）和FPC對Sensor圖像面積的答卷都是26.88平方毫米，這就是長期從業者對技術的敬畏和對產品的節操。邁瑞微的產品圖像面積在32平方毫米以上，比兩個老基友更加有節操。這並不是因為算法能力弱，而是為了更高的使用體驗留下空間。
例如華為旗艦機作為背置指紋傳感器裏使用體驗最好的，就得有160 x 160 @ 508dpi = 64平方毫米的大個頭，才能使消費者按偏時也能識別。與此同時有些二線手機品牌論壇上不遺餘力地教育消費者保養手指皮膚，正向細心輕重適宜的按壓指紋，不正是差距麼？
説到使用體驗，FPC1140的圖像面積雖然和Touch ID一致，但畢竟形狀上有不足。當註冊指紋圖像和匹配指紋圖像有旋轉角度時，指紋圖像越接近正方形越能保證重疊面積。對於長方形，尤其是長寬比較大的長方形指紋傳感器，唯一的辦法是在註冊時儘可能多的採集各區域的圖像，並將其拼起來，從而使得任何方向按壓指紋都可以與註冊圖像有足夠的重疊面積。儘管小米5的真機還沒到手，不妨猜想小米5的註冊次數會遠遠高於iPhone 6S，也許會達到24次之多。如果處理得當的話，這對使用體驗的影響應該還是可以接受的。
小米5在指紋識別技術上的慎重是有原因的，在web2.0和大數據年代，作為互聯網智能手機的開山鼻祖，小米公司必然很清楚口碑的重要性。如果選錯指紋技術，只因為指紋不好用導致大量的退換貨也就罷了，最怕的是無節操的供應商為了提高使用中的通過率而降低匹配相似度門限，爆出大比率的誤識別。
要知道，中國大數據分析最強的雲平台和最大的支付平台都屬於阿里巴巴集團。但現實中卻有一些手機公司的管理人員刻意迴避指紋識別行業資深人士的專業意見，“選錯陣營、選錯材料、選錯尺寸”，既對消費者不負責任，也作死了該手機品牌的指紋支付之路。因為如果再進一步把錯誤升級到未市場驗證的物理類型，指紋支付的路説不定就斷了。新技術有風險，互聯網公司在擴展硬件產品的過程中不能像在互聯網領域一樣激進，而要注意硬件的深技術特點，多聽聽業內資深人士意見，兼聽則明。
最後再一次為小米5鼓掌，希望雷布斯始終堅持對米粉的承諾，做一流的手機。
編者注：關於iPhone6s的指紋識別作者曾做過深度分析，具體可看雷鋒網文章：《Touch ID變大！iPhone 6s的Home鍵下面隱藏着什麼祕密？》
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：dragondevil
（Fig1. 小米5的露臉照）
距離小米4發佈19個月後，小米5終於發佈了。在小米手機歷史上，這是時間差最大的兩代產品，而指紋識別的研發可能是小米5跳票的原因之一。作為中國互聯網手機第一品牌，小米在衝擊高端時必須做到跟其它主要品牌的差異化，與華為旗艦機對標乃是米粉們對小米5的期待。如今，小米5不孚眾望地超越了背置指紋識別的“華為Style”，將指紋集成入長方形的Home鍵中。
（Fig2 小米5的指紋識別的接觸面積比其他同類產品小一些，按鍵顯得比較細長。）
自iPhone 5S將指紋識別引入智能手機以來，對指紋識別技術運用一直存在5類紛爭：陣營之爭、類型之爭、材料之爭、前後之爭、尺寸之爭。就着小米5發佈的熱度，我們來分析一下小米5指紋識別背後的技術原理和行業故事。
首先是［陣營之爭］
（Fig3. 主要供應商的信息）
引用選擇有經驗的長期從業者和無經驗的跟進者，是為小米5選擇指紋識別供應商的第一道關。
指紋傳感不是某種特定的傳感技術，因為指紋是人體生理特徵，而傳感器所採集的是某一種物理量。共有“聲光電熱壓”五類物理方法用作指紋圖像採集。其中光類型應用超過30年，但體積不適合智能手機；電類型（電容/微波/電感在物理上是等價的）的市場應用約10年光景；其餘類型尚未市場應用。由於人體差異大，指紋傳感器很容易出現對一些人好使而對另一些人失效的毛病，甚至在一段時間後對同一個人失效。所以指紋傳感器的設計者要對所選物理測量下的人體差異性心中有數，否則就會造成大量的技術性失效。由於這是商業祕密型的知識，只有經歷過長期試錯才能累積設計經驗。
去年某指紋供應商曇花一現，第一次設計就做大量的小品牌試單，在面對面銷售的時候導致消費者無法使用，透支了信譽敗掉了未來。另一指紋供應商為避免面對面銷售的“立即死”效應，專做電商平台出貨的互聯網手機品牌。可惜互聯網手機都有粉絲論壇，在手機銷售一段時間後累積了海量的對指紋失靈和誤識別的投訴。
引用鑑於互聯網投訴任何人都可以查證和統計，阿里巴巴的安全部門也可以，於是這些手機的指紋支付之路就被黑心供應商埋下了障礙。哪怕已經開通指紋支付的手機，在ROM升級後被關閉支付寶指紋支付的例子，大家不得不引以為戒。
小米作為中國最大的互聯網手機品牌，在衝擊全球一線品牌的過程中，手機指紋支付是必須的一張牌。這就使小米5選擇了Fingerprint Cards（簡稱FPC）作為指紋Sensor供應商的原因。
説到FPC不得不八卦一下。這個瑞典廠商的中國情結頗深，於1997年成立，但直到2014年華為Mate7發佈之前完全依賴中國銀行系統的訂單而存活。我們在各銀行櫃枱看見的櫃員指紋認證器大部分是FPC1011。FPC跟我本人的淵源也頗深，我對面型電容式指紋應用的數據統計就主要是基於FPC1011。如今我發明了第四代“C-Q-T”技術，建立邁瑞微來與老基友同堂競技，在商言商之外，也惺惺相惜。因為供應鏈的交疊，FPC的技術發展有相當比重沾了邁瑞微研發成果的光，例如微晶鋯蓋板會在下面提到。
接下來講［類型之爭］
前面提到“聲光電熱壓”五大類裏只有光和電有應用，考慮到這本身是市場選擇的結果，所以分析物理規律本身還是有必要的。
- 從成像原理講，指紋成像分集束成像和接近成像。
所謂集束成像，通俗點講就是利用物理量傳播的集束性（方向性）成像。光有最好的集束性，可以通過光學系統以非常高的分辨率成像。光學式指紋傳感器中，與手接觸的是光學系統，脆弱的傳感器件因光學系統而得到保護，從而達到應用條件。
（Fig4. 光學集束型成像示意圖）
所謂接近成像就是利用指紋脊線谷線交替的空間結構，產生某種受該空間差異影響的物理量場。可以選擇的有電場、熱場和壓力場，而決定這3類成敗的是哪一種物理量場在穿透足以保護傳感部件的介質之後衰減量最小。市場之所以選擇了電容式指紋傳感器，正是因為電場穿過足以保護指紋傳感器的介電物質後，衰減尚可接受。
（Fig5. 電容指紋傳感器接近成像原理）
超聲波是介於集束成像和接近成像之間的物理量。如果採用接近成像，除了能穿透金屬相對於電容式而言有點差異外，沒有什麼性能優勢。如果採用集束成像，原理上是可以穿透較厚的介質，但由於聲波集束性取決於波長和發射接收極的尺度關係，當波長遠小於發射接收極的尺度時才有集束性。考慮到指紋傳感器的像素大小是50um，利用聲波集束性要求頻率達到100MHz以上。雖然製造這個頻率的單點聲發射接收極很簡單，但製造過萬點的陣列又是另一回事，所以即使有高通的支持，Ultrascan還是沒能實現量產。而且即使勉強量產，缺乏應用經驗的大坑還等着呢。
- 到今天為止，電容式指紋傳感器一共發展出4代技術。
第1代被動型產生於1980年代，屬於未認識到電場傳感規律時代的產物，要求指紋非常貼近像素電極，所以像素電極的尺度是50um，而第1代電容式指紋傳感器能容忍的介質厚度上限也就50um，超過這個值就衰減很快。
第2代主動型產生於1990年代，是認識到電場傳感規律後的產物，除了使用激勵發生器外，傳感器內部也根據此時的傳感信號特點做了優化。
第3代RF型產生於2000年戴初，是第2代的升級版，區別是第2代採用直流電場，而第3代採用交流電場，提高了靈敏度。
第4代“C-Q-T”型產生於2010年代初，是當代集成電路設計技術和第3代理論結合的產物，提高了可靠性、可測性和可製造性。
引用由於第3代技術被蘋果獨佔專利，作為國際化品牌的小米自然不會去接觸任何第3代技術的跟隨者。而第4代技術還在成長期，所以小米5也沒有選擇第4代技術，在採用第2代技術的基礎上借鑑了第4代技術研發中的延伸成果，就是“微晶鋯”蓋板。
這就要從材料之爭説起
引用iPhone 5S起蘋果堅持在Touch ID上使用“藍寶石”蓋板，學名叫三氧化二鋁單晶體。
小米5則使用了能對標藍寶石的“微晶鋯”蓋板，學名叫二氧化鋯陶瓷。
微晶鋯蓋板的供應商是潮州三環（深交所股票代碼“三環集團”），以前介紹過的“國產Touch ID”的蓋板就是由這家中國本土的高科技材料公司研發的。2014年3季度起，三環公司與邁瑞微共同研發適合指紋傳感器蓋板的二氧化鋯陶瓷材料，並在“國產Touch ID”這個項目上進行了量產，並依靠邁瑞微的支持和華強北的試用，在小米5這個項目上，潮州三環靠產品品質把同期研發的日本京瓷給淘汰掉，為國產新材料長了臉面。
（Fig6. 華強北才是世界上最早應用微晶鋯指紋蓋板的地方）
“微晶鋯”在指紋傳感器蓋板應用上優勢極大。
氧化鋯的莫氏硬度8.5，氧化鋁為9.0，都大於把手機屏幕磨花的罪魁禍首石英的莫式硬度8.0，都能完全避免磨損。（和微晶鋯比起來，談H硬度的渣渣都可以死一邊去，H硬度指鉛筆硬度，莫式硬度是礦石硬度，再硬的鉛筆能和礦石比嗎？）
在電容介質的角度，氧化鋯的相對介電常數接近氧化鋁的3倍，這能大幅度降低指紋電場的衰減；陶瓷結構使微晶鋯的韌性比藍寶石優越得多，同時成本卻低得多。
引用可是為什麼這麼好的材料蘋果不用，難道蘋果也只選貴的不選對的麼？其實是因為微晶鋯陶瓷本體顯色，不像透明的藍寶石用油墨顯色，顏色的純度要通過深入的材料研究來實現。
（Fig7. 彩色微晶樣品展示）
正是看到了氧化鋯作為材料的優勢，以及有一定能研發成功的底氣，邁瑞微當仁不讓成為微晶鋯指紋蓋板的伯樂和共同研發單位。
不過，蓋板強度除了靠材料，也靠尺度來實現。邁瑞微在2014年就可以量產使用200um厚微晶鋯蓋板的指紋模組，但到了2016年FPC還只能採用不超過100um厚的微晶鋯蓋板。所以在堅強程度上面，邁瑞微領先FPC這個老基友一程。至於有些國內廠商堅持使用的玻璃，介電常數低、脆、不耐磨，除了廉價沒優勢。通常性能低的廉價材料只運用在低端產品上，在智能手機上塑料外殼搭配恰好。
所以在材料選擇上，小米5緊跟華強北，第一次走在了所有國產品牌手機的前面。
最眾説紛紜的［前後之爭］
指紋識別設計該放前面還是後面？
產品是美學和工業設計的妥協，無論美學角度還是工業設計角度都很主觀。當小米5在官網秀出露臉照，與華為Mate8在官網的露背照對比時，美學上還能有疑義麼？至於工業設計，一直以來，Android手機以窄邊框為趨勢，LCD只能從上方或者下方出線，但上方有攝像頭，為了迴避散熱和結構的衝突，只能在下方出線，這就與實體按鈕發生結構干涉。
引用所以難的不是前置指紋按鈕，而是前置一個實體按鈕。既然小米5承擔了小米品牌衝擊高端的重任，美型和手感上來不得半點馬虎，於是前置就成為必然選擇。
（FigN. 華為Mate8的官網露背照）
最後是［尺寸之爭］
蘋果第一代Touch ID僅88 x 88 @ 508 dpi = 19.36平方毫米，從iPhone 6s起，蘋果悄悄把圖像面積提高到96 x 112 @ 508dpi = 26.88平方毫米。
引用小米5選型的FPC1140的圖像面積是192 x 56 @ 508 dpi = 26.88平方毫米，是不是跟第二代（iPhone 6S）Touch ID一模一樣？
指紋圖像的面積相當於數字密碼的長度，信息量越大安全性越高。Authentec（蘋果）和FPC對Sensor圖像面積的答卷都是26.88平方毫米，這就是長期從業者對技術的敬畏和對產品的節操。邁瑞微的產品圖像面積在32平方毫米以上，比兩個老基友更加有節操。這並不是因為算法能力弱，而是為了更高的使用體驗留下空間。
例如華為旗艦機作為背置指紋傳感器裏使用體驗最好的，就得有160 x 160 @ 508dpi = 64平方毫米的大個頭，才能使消費者按偏時也能識別。與此同時有些二線手機品牌論壇上不遺餘力地教育消費者保養手指皮膚，正向細心輕重適宜的按壓指紋，不正是差距麼？
説到使用體驗，FPC1140的圖像面積雖然和Touch ID一致，但畢竟形狀上有不足。當註冊指紋圖像和匹配指紋圖像有旋轉角度時，指紋圖像越接近正方形越能保證重疊面積。對於長方形，尤其是長寬比較大的長方形指紋傳感器，唯一的辦法是在註冊時儘可能多的採集各區域的圖像，並將其拼起來，從而使得任何方向按壓指紋都可以與註冊圖像有足夠的重疊面積。儘管小米5的真機還沒到手，不妨猜想小米5的註冊次數會遠遠高於iPhone 6S，也許會達到24次之多。如果處理得當的話，這對使用體驗的影響應該還是可以接受的。
小米5在指紋識別技術上的慎重是有原因的，在web2.0和大數據年代，作為互聯網智能手機的開山鼻祖，小米公司必然很清楚口碑的重要性。如果選錯指紋技術，只因為指紋不好用導致大量的退換貨也就罷了，最怕的是無節操的供應商為了提高使用中的通過率而降低匹配相似度門限，爆出大比率的誤識別。
要知道，中國大數據分析最強的雲平台和最大的支付平台都屬於阿里巴巴集團。但現實中卻有一些手機公司的管理人員刻意迴避指紋識別行業資深人士的專業意見，“選錯陣營、選錯材料、選錯尺寸”，既對消費者不負責任，也作死了該手機品牌的指紋支付之路。因為如果再進一步把錯誤升級到未市場驗證的物理類型，指紋支付的路説不定就斷了。新技術有風險，互聯網公司在擴展硬件產品的過程中不能像在互聯網領域一樣激進，而要注意硬件的深技術特點，多聽聽業內資深人士意見，兼聽則明。
最後再一次為小米5鼓掌，希望雷布斯始終堅持對米粉的承諾，做一流的手機。
編者注：關於iPhone6s的指紋識別作者曾做過深度分析，具體可看雷鋒網文章：《Touch ID變大！iPhone 6s的Home鍵下面隱藏着什麼祕密？》
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：dragondevil