【編者按】本文作者為microarray首席科學(xué)家，電子和軟件設(shè)計(jì)師。

 （Fig1. 小米5的露臉照）

距離小米4發(fā)布19個(gè)月后，小米5終于發(fā)布了。在小米手機(jī)歷史上，這是時(shí)間差最大的兩代產(chǎn)品，而指紋識(shí)別的研發(fā)可能是小米5跳票的原因之一。作為中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)第一品牌，小米在沖擊高端時(shí)必須做到跟其它主要品牌的差異化，與華為旗艦機(jī)對(duì)標(biāo)乃是米粉們對(duì)小米5的期待。如今，小米5不孚眾望地超越了背置指紋識(shí)別的“華為Style”，將指紋集成入長(zhǎng)方形的Home鍵中。

（Fig2  小米5的指紋識(shí)別的接觸面積比其他同類產(chǎn)品小一些，按鍵顯得比較細(xì)長(zhǎng)。）

自iPhone 5S將指紋識(shí)別引入智能手機(jī)以來，對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)運(yùn)用一直存在5類紛爭(zhēng)：陣營(yíng)之爭(zhēng)、類型之爭(zhēng)、材料之爭(zhēng)、前后之爭(zhēng)、尺寸之爭(zhēng)。就著小米5發(fā)布的熱度，我們來分析一下小米5指紋識(shí)別背后的技術(shù)原理和行業(yè)故事。

首先是［陣營(yíng)之爭(zhēng)］

（Fig3. 主要供應(yīng)商的信息）

選擇有經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期從業(yè)者和無經(jīng)驗(yàn)的跟進(jìn)者，是為小米5選擇指紋識(shí)別供應(yīng)商的第一道關(guān)。

指紋傳感不是某種特定的傳感技術(shù)，因?yàn)橹讣y是人體生理特征，而傳感器所采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采集。其中光類型應(yīng)用超過30年，但體積不適合智能手機(jī)；電類型（電容/微波/電感在物理上是等價(jià)的）的市場(chǎng)應(yīng)用約10年光景；其余類型尚未市場(chǎng)應(yīng)用。由于人體差異大，指紋傳感器很容易出現(xiàn)對(duì)一些人好使而對(duì)另一些人失效的毛病，甚至在一段時(shí)間后對(duì)同一個(gè)人失效。所以指紋傳感器的設(shè)計(jì)者要對(duì)所選物理測(cè)量下的人體差異性心中有數(shù)，否則就會(huì)造成大量的技術(shù)性失效。由于這是商業(yè)秘密型的知識(shí)，只有經(jīng)歷過長(zhǎng)期試錯(cuò)才能累積設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

去年某指紋供應(yīng)商曇花一現(xiàn)，第一次設(shè)計(jì)就做大量的小品牌試單，在面對(duì)面銷售的時(shí)候?qū)е孪M(fèi)者無法使用，透支了信譽(yù)敗掉了未來。另一指紋供應(yīng)商為避免面對(duì)面銷售的“立即死”效應(yīng)，專做電商平臺(tái)出貨的互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)品牌?？上Щヂ?lián)網(wǎng)手機(jī)都有粉絲論壇，在手機(jī)銷售一段時(shí)間后累積了海量的對(duì)指紋失靈和誤識(shí)別的投訴。

鑒于互聯(lián)網(wǎng)投訴任何人都可以查證和統(tǒng)計(jì)，阿里巴巴的安全部門也可以，于是這些手機(jī)的指紋支付之路就被黑心供應(yīng)商埋下了障礙。哪怕已經(jīng)開通指紋支付的手機(jī)，在ROM升級(jí)后被關(guān)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(guó)最大的互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)品牌，在沖擊全球一線品牌的過程中，手機(jī)指紋支付是必須的一張牌。這就使小米5選擇了Fingerprint Cards（簡(jiǎn)稱FPC）作為指紋Sensor供應(yīng)商的原因。

說到FPC不得不八卦一下。這個(gè)瑞典廠商的中國(guó)情結(jié)頗深，于1997年成立，但直到2014年華為Mate7發(fā)布之前完全依賴中國(guó)銀行系統(tǒng)的訂單而存活。我們?cè)诟縻y行柜臺(tái)看見的柜員指紋認(rèn)證器大部分是FPC1011。FPC跟我本人的淵源也頗深，我對(duì)面型電容式指紋應(yīng)用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)就主要是基于FPC1011。如今我發(fā)明了第四代“C-Q-T”技術(shù)，建立邁瑞微來與老基友同堂競(jìng)技，在商言商之外，也惺惺相惜。因?yàn)楣?yīng)鏈的交疊，F(xiàn)PC的技術(shù)發(fā)展有相當(dāng)比重沾了邁瑞微研發(fā)成果的光，例如微晶鋯蓋板會(huì)在下面提到。

接下來講［類型之爭(zhēng)］

前面提到“聲光電熱壓”五大類里只有光和電有應(yīng)用，考慮到這本身是市場(chǎng)選擇的結(jié)果，所以分析物理規(guī)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(diǎn)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(xué)系統(tǒng)以非常高的分辨率成像。光學(xué)式指紋傳感器中，與手接觸的是光學(xué)系統(tǒng)，脆弱的傳感器件因光學(xué)系統(tǒng)而得到保護(hù)，從而達(dá)到應(yīng)用條件。

（Fig4. 光學(xué)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(jié)構(gòu)，產(chǎn)生某種受該空間差異影響的物理量場(chǎng)?？梢赃x擇的有電場(chǎng)、熱場(chǎng)和壓力場(chǎng)，而決定這3類成敗的是哪一種物理量場(chǎng)在穿透足以保護(hù)傳感部件的介質(zhì)之后衰減量最小。市場(chǎng)之所以選擇了電容式指紋傳感器，正是因?yàn)殡妶?chǎng)穿過足以保護(hù)指紋傳感器的介電物質(zhì)后，衰減尚可接受。

（Fig5. 電容指紋傳感器接近成像原理）

超聲波是介于集束成像和接近成像之間的物理量。如果采用接近成像，除了能穿透金屬相對(duì)于電容式而言有點(diǎn)差異外，沒有什么性能優(yōu)勢(shì)。如果采用集束成像，原理上是可以穿透較厚的介質(zhì)，但由于聲波集束性取決于波長(zhǎng)和發(fā)射接收極的尺度關(guān)系，當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于發(fā)射接收極的尺度時(shí)才有集束性?？紤]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(dá)到100MHz以上。雖然制造這個(gè)頻率的單點(diǎn)聲發(fā)射接收極很簡(jiǎn)單，但制造過萬點(diǎn)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。而且即使勉強(qiáng)量產(chǎn)，缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的大坑還等著呢。

• 到今天為止，電容式指紋傳感器一共發(fā)展出4代技術(shù)。

第1代被動(dòng)型產(chǎn)生于1980年代，屬于未認(rèn)識(shí)到電場(chǎng)傳感規(guī)律時(shí)代的產(chǎn)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(zhì)厚度上限也就50um，超過這個(gè)值就衰減很快。

第2代主動(dòng)型產(chǎn)生于1990年代，是認(rèn)識(shí)到電場(chǎng)傳感規(guī)律后的產(chǎn)物，除了使用激勵(lì)發(fā)生器外，傳感器內(nèi)部也根據(jù)此時(shí)的傳感信號(hào)特點(diǎn)做了優(yōu)化。

第3代RF型產(chǎn)生于2000年戴初，是第2代的升級(jí)版，區(qū)別是第2代采用直流電場(chǎng)，而第3代采用交流電場(chǎng)，提高了靈敏度。

第4代“C-Q-T”型產(chǎn)生于2010年代初，是當(dāng)代集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和第3代理論結(jié)合的產(chǎn)物，提高了可靠性、可測(cè)性和可制造性。

由于第3代技術(shù)被蘋果獨(dú)占專利，作為國(guó)際化品牌的小米自然不會(huì)去接觸任何第3代技術(shù)的跟隨者。而第4代技術(shù)還在成長(zhǎng)期，所以小米5也沒有選擇第4代技術(shù)，在采用第2代技術(shù)的基礎(chǔ)上借鑒了第4代技術(shù)研發(fā)中的延伸成果，就是“微晶鋯”蓋板。

這就要從材料之爭(zhēng)說起

iPhone 5S起蘋果堅(jiān)持在Touch ID上使用“藍(lán)寶石”蓋板，學(xué)名叫三氧化二鋁單晶體。

小米5則使用了能對(duì)標(biāo)藍(lán)寶石的“微晶鋯”蓋板，學(xué)名叫二氧化鋯陶瓷。

微晶鋯蓋板的供應(yīng)商是潮州三環(huán)（深交所股票代碼“三環(huán)集團(tuán)”），以前介紹過的“國(guó)產(chǎn)Touch ID”的蓋板就是由這家中國(guó)本土的高科技材料公司研發(fā)的。2014年3季度起，三環(huán)公司與邁瑞微共同研發(fā)適合指紋傳感器蓋板的二氧化鋯陶瓷材料，并在“國(guó)產(chǎn)Touch ID”這個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行了量產(chǎn)，并依靠邁瑞微的支持和華強(qiáng)北的試用，在小米5這個(gè)項(xiàng)目上，潮州三環(huán)靠產(chǎn)品品質(zhì)把同期研發(fā)的日本京瓷給淘汰掉，為國(guó)產(chǎn)新材料長(zhǎng)了臉面。

 （Fig6. 華強(qiáng)北才是世界上最早應(yīng)用微晶鋯指紋蓋板的地方）

“微晶鋯”在指紋傳感器蓋板應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)極大。

氧化鋯的莫氏硬度8.5，氧化鋁為9.0，都大于把手機(jī)屏幕磨花的罪魁禍?zhǔn)资⒌哪接捕?.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(zhì)的角度，氧化鋯的相對(duì)介電常數(shù)接近氧化鋁的3倍，這能大幅度降低指紋電場(chǎng)的衰減；陶瓷結(jié)構(gòu)使微晶鋯的韌性比藍(lán)寶石優(yōu)越得多，同時(shí)成本卻低得多。

可是為什么這么好的材料蘋果不用，難道蘋果也只選貴的不選對(duì)的么？其實(shí)是因?yàn)槲⒕т喬沾杀倔w顯色，不像透明的藍(lán)寶石用油墨顯色，顏色的純度要通過深入的材料研究來實(shí)現(xiàn)。

（Fig7. 彩色微晶樣品展示）

正是看到了氧化鋯作為材料的優(yōu)勢(shì)，以及有一定能研發(fā)成功的底氣，邁瑞微當(dāng)仁不讓成為微晶鋯指紋蓋板的伯樂和共同研發(fā)單位。

不過，蓋板強(qiáng)度除了靠材料，也靠尺度來實(shí)現(xiàn)。邁瑞微在2014年就可以量產(chǎn)使用200um厚微晶鋯蓋板的指紋模組，但到了2016年FPC還只能采用不超過100um厚的微晶鋯蓋板。所以在堅(jiān)強(qiáng)程度上面，邁瑞微領(lǐng)先FPC這個(gè)老基友一程。至于有些國(guó)內(nèi)廠商堅(jiān)持使用的玻璃，介電常數(shù)低、脆、不耐磨，除了廉價(jià)沒優(yōu)勢(shì)。通常性能低的廉價(jià)材料只運(yùn)用在低端產(chǎn)品上，在智能手機(jī)上塑料外殼搭配恰好。

所以在材料選擇上，小米5緊跟華強(qiáng)北，第一次走在了所有國(guó)產(chǎn)品牌手機(jī)的前面。

最眾說紛紜的［前后之爭(zhēng)］

指紋識(shí)別設(shè)計(jì)該放前面還是后面？

產(chǎn)品是美學(xué)和工業(yè)設(shè)計(jì)的妥協(xié)，無論美學(xué)角度還是工業(yè)設(shè)計(jì)角度都很主觀。當(dāng)小米5在官網(wǎng)秀出露臉照，與華為Mate8在官網(wǎng)的露背照對(duì)比時(shí)，美學(xué)上還能有疑義么？至于工業(yè)設(shè)計(jì)，一直以來，Android手機(jī)以窄邊框?yàn)橼厔?shì)，LCD只能從上方或者下方出線，但上方有攝像頭，為了回避散熱和結(jié)構(gòu)的沖突，只能在下方出線，這就與實(shí)體按鈕發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉。

所以難的不是前置指紋按鈕，而是前置一個(gè)實(shí)體按鈕。既然小米5承擔(dān)了小米品牌沖擊高端的重任，美型和手感上來不得半點(diǎn)馬虎，于是前置就成為必然選擇。

（FigN. 華為Mate8的官網(wǎng)露背照）

最后是［尺寸之爭(zhēng)］

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。

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(dāng)于數(shù)字密碼的長(zhǎng)度，信息量越大安全性越高。

Authentec（蘋果）和FPC對(duì)Sensor圖像面積的答卷都是26.88平方毫米，這就是長(zhǎng)期從業(yè)者對(duì)技術(shù)的敬畏和對(duì)產(chǎn)品的節(jié)操。邁瑞微的產(chǎn)品圖像面積在32平方毫米以上，比兩個(gè)老基友更加有節(jié)操。這并不是因?yàn)樗惴芰θ酰菫榱烁叩氖褂皿w驗(yàn)留下空間。

例如華為旗艦機(jī)作為背置指紋傳感器里使用體驗(yàn)最好的，就得有160 x 160 @ 508dpi = 64平方毫米的大個(gè)頭，才能使消費(fèi)者按偏時(shí)也能識(shí)別。與此同時(shí)有些二線手機(jī)品牌論壇上不遺余力地教育消費(fèi)者保養(yǎng)手指皮膚，正向細(xì)心輕重適宜的按壓指紋，不正是差距么？

說到使用體驗(yàn)，F(xiàn)PC1140的圖像面積雖然和Touch ID一致，但畢竟形狀上有不足。當(dāng)注冊(cè)指紋圖像和匹配指紋圖像有旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，指紋圖像越接近正方形越能保證重疊面積。對(duì)于長(zhǎng)方形，尤其是長(zhǎng)寬比較大的長(zhǎng)方形指紋傳感器，唯一的辦法是在注冊(cè)時(shí)盡可能多的采集各區(qū)域的圖像，并將其拼起來，從而使得任何方向按壓指紋都可以與注冊(cè)圖像有足夠的重疊面積。盡管小米5的真機(jī)還沒到手，不妨猜想小米5的注冊(cè)次數(shù)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于iPhone 6S，也許會(huì)達(dá)到24次之多。如果處理得當(dāng)?shù)脑挘@對(duì)使用體驗(yàn)的影響應(yīng)該還是可以接受的。

小米5在指紋識(shí)別技術(shù)上的慎重是有原因的，在web2.0和大數(shù)據(jù)年代，作為互聯(lián)網(wǎng)智能手機(jī)的開山鼻祖，小米公司必然很清楚口碑的重要性。如果選錯(cuò)指紋技術(shù)，只因?yàn)橹讣y不好用導(dǎo)致大量的退換貨也就罷了，最怕的是無節(jié)操的供應(yīng)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(shí)別。

要知道，中國(guó)大數(shù)據(jù)分析最強(qiáng)的云平臺(tái)和最大的支付平臺(tái)都屬于阿里巴巴集團(tuán)。但現(xiàn)實(shí)中卻有一些手機(jī)公司的管理人員刻意回避指紋識(shí)別行業(yè)資深人士的專業(yè)意見，“選錯(cuò)陣營(yíng)、選錯(cuò)材料、選錯(cuò)尺寸”，既對(duì)消費(fèi)者不負(fù)責(zé)任，也作死了該手機(jī)品牌的指紋支付之路。因?yàn)槿绻龠M(jìn)一步把錯(cuò)誤升級(jí)到未市場(chǎng)驗(yàn)證的物理類型，指紋支付的路說不定就斷了。新技術(shù)有風(fēng)險(xiǎn)，互聯(lián)網(wǎng)公司在擴(kuò)展硬件產(chǎn)品的過程中不能像在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一樣激進(jìn)，而要注意硬件的深技術(shù)特點(diǎn)，多聽聽業(yè)內(nèi)資深人士意見，兼聽則明。

最后再一次為小米5鼓掌，希望雷布斯始終堅(jiān)持對(duì)米粉的承諾，做一流的手機(jī)。