【原创】智能手机指纹识别技术不简单，你知道它们的工作原理及区别吗？

DominicHu

指纹识别传感器已不再是高端旗舰手机的专属，大多数低端手机也采用了这种技术。该技术从早期到现在发展了许多，能够更快、更准确的识别人的指纹。在其中也包括不同的类别，比如光学指纹传感器、电容式指纹传感器以及超声波指纹传感器。而这也让我们在选购手机时产生困惑，为此，我们不妨来了解它们的工作原理及区别。

首先是光学指纹传感器，它是捕获和比较指纹最古老的方式。顾名思义，这种技术依赖于捕捉光学图像（本质上是一张照片），然后，它利用算法，通过分析图像中最亮和最暗的区域，检测表面的独特图案，如脊线或标记。

如同智能手机的相机一样，这些传感器的分辨率是有限的。而分辨率越高，传感器就可以辨别出关于手指的更多细节，从而提高了安全级别。当然，这些传感器捕捉到的图像对比度要比普通摄像头高得多。光学指纹传感器通常每英寸有非常多的二极管，可以近距离捕捉这些细节。但是，当手指放在传感器上遮挡了光，因此，传感器需要LED灯作为辅助，在识别时能够清晰地捕捉到指纹细节。不过，这样的设计对于智能手机来说有点笨重，所以智能手机上并没有单纯采用这一技术。

光学指纹传感器的主要缺点是很容易被“忽悠”。由于该技术只能捕捉二维图像，所以假肢甚至质量好的图片都可以用来骗过它而解锁设备。就像早期的电阻式触摸屏一样，现在除了很便宜的硬件外，基本上很少见到纯光学指纹传感器。随着人们对安全性的要求越来越高，智能手机大多采用了性能更好的电容式或者光电混合式指纹传感器，并且随着技术成本的下降，一些中端手机也用上了这些技术。

然而，随着全面屏手机的趋势，更小的光学模块可能会卷土重来，它们可以嵌入屏幕的下方，并且只需占用很小的的空间。比如Synaptics公司就推出了Natural ID FS9100光学指纹传感器，它可以在1毫米的玻璃下以及湿手的情况下成功识别指纹。

其次是电容式指纹传感器，它也是目前最常见的指纹传感器之一。它可以集成在智能手机的HOME键，也可以放置在背面，还能够存在于屏幕下方。电容式指纹传感器之所以能崭露头角，和它的安全优势有很大关系。

电容式指纹传感器不是创建一个传统的指纹图像，而是使用一系列的电容电路来收集数据。由于电容器可以储存电荷，将它们连接到传感器表面的导电板上，就可以用来追踪指纹的细节。当手指的脊线放在导电板上时，储存的电荷会发生轻微变化。相反，谷线将使电容处的电荷保持不变。然后用一个集成器电路跟踪这些变化，并由转换器记录下来。

一旦捕捉到这些数字数据，就可以对其进行分析，以寻找与众不同的独特指纹属性。然后可以将它们保存起来，以便日后进行比较。这种设计聪明的地方在于，它比光学扫描仪更难被“忽悠”，因为不同的材料会记录电容器处略微不同的电荷变化。唯一真正的安全风险来自于黑客对硬件或软件的攻击。

创建一个足够大的电容阵列，通常在一个传感器中有几百个甚至上千个电容，这样就可以通过电信号来创建一个高度详细的指纹脊和谷的图像。就像光学指纹传感器一样，更多的电容可以带来更高的分辨率。这在一定程度上提高了安全水平。然而，高密度也意味着生产成本要高很多。

由于检测电路中的元件数量较多，电容式扫描仪以前的价格相当昂贵。一些早期的实施方案试图通过使用 "刷卡 "式指纹传感器来减少所需的电容器数量。它们会在手指触碰传感器时快速刷新结果，然后从较少数量的电容器元件中收集数据。然而，正如当时许多用户所抱怨的那样，这种方法非常不可靠，往往需要多次尝试才能正确识别。

最后是超声波指纹传感器，它首次被应用于2016年发布的乐视手机Max Pro上，高通及其Sense ID技术提供了主要支持。而现在，高通正在进行第二代超声波指纹传感器技术的开发，并宣称将拥有更大的读取区域和更快的识别速度。

为了正确捕捉指纹的细节，硬件由超声波发射器和接收器组成。超声波脉冲对着放在扫描仪上的手指进行传输。部分脉冲被吸收，另一部分脉冲被反弹回传感器，这取决于每个指纹特有的脊线、毛孔和其他细节。

然后，一个能够检测机械应力的传感器被用来计算扫描仪不同的超声波脉冲强度。扫描的时间越长，就越能捕捉到额外的深度数据，这让指纹可以以更详细的3D呈现。这种采集技术的3D特性使其成为电容式扫描仪的更安全的替代品。

但超声波指纹传感器也有缺点，即它还没有其他扫描仪那么敏捷。这是由于它的工作原理造成的。不过，高通正在通过第二代技术来解决这个问题。超声波技术还不能很好地与一些屏幕保护膜配合使用，尤其是较厚的保护膜，它们会限制传感器正确读取指纹的能力。

当然，想将指纹传感器隐藏在显示屏中，超声波指纹扫描仪并不是唯一的选择，光电感应式指纹传感器也可以实现。光学电容式传感器修补了以往光学设计的一些安全问题。它们将电容式传感器的 "真实触摸 "要求与光学设计的速度和能效相结合。这种技术是通过在显示屏下方插入传感器来嵌入的，它可以检测到指纹通过OLED显示屏的缝隙反射回来的光。这还需要一些工作来与显示屏进行整合，但它的效果相当好。

相比之下，超声波指纹传感器在实现和调整其位置以适应任何手机方面要容易一些。0.2毫米厚的微小传感器位于屏幕后面，将其超声波通过显示屏传递到你的指尖。虽然这对开发来说是很好的，但它也导致了一些自身的安全问题。这两种技术都有各自的优点和缺点，在未来几年内可能仍然是屏内指纹传感器的可行选择。然而，超声波指纹传感器制造成本仍居高不下，可能需要很长时间才能被用到更多的智能手机上。

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