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AMOLED全面屏时代下的屏下指纹市场规模及技术路径解析

2019-04-29
关键词: 指纹识别

  一、屏下指纹定义

  由于全面屏概念的流行,传统指纹解锁无论采用正面刮擦或按压方式解锁,还是采用背面解锁,都会影响手机等智能设备的外观。指纹识别需要指纹采集窗,势必会影响屏占比,因此屏下指纹应运而生。

  屏下指纹识别技术,是通过屏幕玻璃下方完成指纹识别解锁过程的新技术,主要利用超声波、光学等穿透技术,可以穿透各种不同的材质,从而达到识别指纹的目的。

  所谓屏下指纹,正是指的在屏幕以下完成的识别技术,无需手指与指纹模块接触。

  二、屏下指纹的优势

  屏下指纹识别能提升屏占比

  目前的手机、指纹锁等设备宣传的全面屏是指屏占比达到百分之八十以上的设计,实际上极少有手机达到该比例要求,即使是百分之八十的屏占比,也只是相对来说的全面屏,采用指纹识别依然会占据一部分面积,当然背部识别是一个较为妥协的解决方案,但是操作上比较反人类,也影响了一体化设计,操作体验也不佳,不符合未来工业设计的要求。

  因此屏下指纹识别可以进一步提升屏占比,促进全面屏真正普及。

  操作更加卫生

  屏下指纹识别无需接触指纹模块,因此不会留下指纹痕迹,不会残留油污。可以较大程度降低手指污垢、油脂以及汗水对解锁的影响,让指纹解锁更加卫生。

  识别更稳定

  适应不同的使用环境。传统的指纹识别,由于受到油污、污垢、遮挡物以及极端环境的影响,指纹识别过程有偏差,容易识别失败,而屏下指纹识别则有望解决该难题,通过穿透识别技术,即使在水下,也能完成识别过程,可以在多个使用场景中正常使用。

  三、市场概况:2018年屏下指纹手机出货量讲超过2000万台

  根据IHS Markit最新的《2018年显示屏指纹技术与市场报告》,预计2018年使用屏下指纹传感器的智能手机出货量至少将达到900万台,到2019年将会超过1亿台。 未来三年,市场将继续保持高速增长;Vivo、华为、小米,以及三星等领导智能手机品牌将率先导入、走在市场前沿。

  将指纹传感器集成到智能手机的显示屏下方后,手机就可以给18:9或更高比例的全面屏提供正面、隐形的指纹识别功能。 最先采用屏下指纹传感器的智能手机(包括Vivo X20和X21以及华为Mate RS)已于3月下旬推出,预计2018年下半年将有更多的机种上市。

  苹果是首家引入指纹技术作为主要生物识别功能的公司;2013年苹果在iPhone上推出Touch ID。 随后,Android系统于2015年正式从系统端原生地支持指纹识别。 这些因素造成了指纹识别应用在过去几年有了急剧增长。同时,也由于指纹识别的便利性和直观的使用方式,广受消费者喜爱。2017年智能手机总出货量中,约有60%以上的比重采用了指纹识别技术。

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  因为使用者偏好更好的视觉体验,智能手机品牌推动能显示更多内容的全面屏。 但是,早期的机型很难将全面屏、指纹传感器并列于手机正面。 而背面的指纹传感器是为了克服全面屏智能手机局限所采用的折中方案。 现在,出现了屏下指纹解决方案,传感器就可以重新回到智能手机的正面位置。

  随着Vivo和华为近期推出了几款采用屏下指纹识别技术的机型,屏下指纹识别技术无疑正成为一种新的趋势,”IHS Markit的触摸屏和用户界面研究总监Calvin Hsieh如是说。 “中国智能手机品牌的积极态度将对三星形成压力,但三星可能尚未最终决定是否在其Galaxy Note 9中采用此解决方案。 ”

  IHS Markit预测,如果三星将屏下指纹技术应用于Galaxy Note 9,则2018年采用此解决方案的智能手机出货量将从目前预测的900万台增至2000万台以上。

  几乎所有的指纹IC制造商都对开发屏下指纹识别技术感兴趣,因为其利润率目前远高于硅晶片的解决方案。 领先的解决方案制造商包括Synaptics、Goodix、Qualcomm和Egis,其次是三星LSI、FPC、VkanSee、CrucialTec、BeyondEyes和FocalTech。 在面板制造商中,拥有成熟的主动矩阵有机发光二极管(AMOLED)面板制造技术的三星显示器占据了主导地位,其次是京东方(BOE)。因为目前屏下指纹技术仅能用于AMOLED,而这两家公司在AMOLED与开发屏幕指纹技术相当积极。

  四、屏下指纹技术路径:光学、超声波代表当下主流,off-chip或是未来

  目前市场上能够是实现商用的指纹识别方案主要有三种,分别是电容方案、光学方案和超声波方案。但是电容式指纹方案的穿透深度仅为 0.3mm,而目前智能手机正面盖板玻璃的厚度普遍超过 0.5mm,因此这一传统方案不再适应屏下指纹的要求。

  为应对电容式指纹面临的困难,供应链厂商主要提出三种不同的解决方案,第一种是以汇顶、新思为代表的光学方案;第二种是以高通为代表的超声波指纹识别方案;最后一种是以韩国厂商 CrucialTec 等为代表的 DFS 全屏幕识别方案。三种方案中,由于 DFS 方案对于屏幕和指纹识别模组的整合程度要求较高,可能带来高成本等问题,目前方案仍处于试验阶段,存在不确定性。与之相比,光学方案和超声方案相对成熟,其中光学方案兼容 OLED 软硬屏,相对适用于软屏的超声波方案应用范围更广,成为目前屏下指纹方案的主流。

  光学方案:AMOLED 已助力突入市场

  目前vivo、华为已率先采用了光学屏下指纹,市场反馈良好,已成为智能手机全面屏的主要方案之一。随着 vivo X20 Plus 屏幕指纹版的上市,vivo已成为第一个实现屏下指纹商用的手机制造商,此次指纹设备方案的提供商为美国新思(Synaptics),上市以来,包括 The Verge、Cnet、Digital Trends、Aandroid Central多家专业机构对该款手机的指纹识别功能进行了评测,其在便捷性、稳定性上均有不俗的表现。随后,vivo又推出了X21,这款手机在采用Synaptics方案的同时,又新引入了汇顶科技作为供应商。

  而继 vivo 之后,国内外多家厂商也在自家即将问世的新机上提出采用屏下指纹识别方案。 2018 年3月,华为发布了新款手机 Mate RS 上又一次搭载了光学式屏下指纹方案,方案供应商为国内指纹识别大厂汇顶科技;此外,今年三星新机大概率也将搭载光学屏下指纹识别模组,可能会采用新思的屏下指纹方案。此外,尽管苹果在其最新一代旗舰机 iPhoneX 上用人脸识别取代了 3D touch,但其子公司 AuthenTec 依然在光学屏下指纹领域积极探索,此前苹果公司也曾表示未来可能将会在新机型上同时搭载人脸识别和屏下指纹两种方案。

  其实,光学方案技术由来已久,主要基于折反原理。在各类指纹识别方案中,光学方案其实是一种很早已就被广泛应用的技术,只在 2017年之前,始终没能应用到智能手机。究其原因主要是光学传感器的体积过大及其识别系统无法对皮肤真皮层的识别,导致安全性相对较低,限制了其使用应用领域的拓展。

  但是经过不断的探索,光学指纹识别方案逐步改良,实现小型化、精准化、安全性等要求,随着 2016 年以来新思、汇顶先后发布新一代的光学指纹识别方案,光学方案正式成为屏下指纹识别最重要的实现手段之一。新一代的光学指纹方案仍然是基于折反原理,另外叠加小孔成像和透镜成像功能,以提高识别的精确度。

  以汇顶的方案为例,汇顶光学指纹识别方案主要有AMOLED 屏、CMOS 以及 lens 组成。其中AMOLED 充当光学指纹识别系统的光源,通过自发光照亮指纹,之后折返光通过 lens 进行准直聚焦并穿过 OLED 像素点之间的缝隙成像至 CMOS 上,CMOS 将接收到的光学信号转化为电信号,经过处理器芯片的分析比对以验证指纹。通过光源集成和光路重新设计,新的方案能够有效降低体积和功耗,同时汇顶的方案能够支持活体检测。此外,光学方案固有的穿透距离较长的特性也得到充分发挥,在屏下指纹领域得到了很好的应用。

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  AMOLED产能障壁打破,屏下指纹获得广阔发展空间。由于光学指纹方案的 CMOS 传感器需要放置在显示面板的下方,因此为了能够有效接收指纹的反射光线,显示面板需要具备一定的透光性。由于传统的 TFT- LCD 面板需要背光模组,并且在背光 LED 下面增加导光板以增加屏幕亮度,导致光线无法穿透 TFT-LCD。而 AMOLED 则不存在这样的问题,自发光特性无需背光模组,并且 RGB 像素点之间的缝隙可以使光线穿过,从而让 CMOS 传感器接收光信号。因此 AMOLED 屏成为实现光学屏下指纹识别的必选搭配。

  此前,由于 AMOLED 产能被以三星为代表的韩国厂商垄断,产量供给有限,价格处于高位,因此屏下指纹方案的推广受到限制,但随着国内京东方、维信诺、天马、和辉等厂商的加入,AMOLED 产量和价格只是时间问题,相信随着AMOLED 产能逐步开出以及和价格回落,光学屏下指纹将获得更加广阔的发展空间。

  超声波方案:技术逐渐成熟,但是应用不如光学方案

  自2015 年高通的超声波指纹方案发布之后,已经分别被小米 5s 和乐视 Max Pro 所采用(当时由于超声波方案的穿透距离有限,提供的是类似于电容识别的 Home 键方案和背部指纹方案)。

  到2017 年,高通的屏下指纹方案也曾经提交 vivo 进行测试,尽管最终并没有被采纳,但也显示此方案正在逐步成熟。不过,最近据行业知名分析师郭麒麟表示,三星Galaxy S10将会完全抛弃目前的物理指纹识别模块,转而采用高通技术提供的超声波屏下指纹识别方案。

  超声波方案利用回波强度识别指纹,防油防水、穿透性强。超声波方案则是利用指纹模 组发出的特定频率的超声波扫描手指,由于超声波到达不同材质表面时被吸收、穿透和反射的程度不同,因而可以利用皮肤和空气对于声波阻抗的差异,对指纹的嵴与峪所在的位置进行识别。超声方案的优点在于其穿透性更强,能够进行深层的皮下指纹识别且能够辨别活体,因而方案的安全性更高;此外,从理论上来讲,超声波方案不易受到油渍和水渍以及强光的干扰,因而解锁更加稳定可靠,有望成为指纹之别方案发展的一个重要方向。

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  巨头高通领衔布局,穿透深度逐步加强。目前,涉足超声波指纹方案的厂商主要有美国高通、FPC、Sonavation 和 ADI 等,不过除高通以外,其他厂商在该领域的探索尚处于产品研发阶段。在 2015 年世界通信大会(MWC)上,高通首次推出基于超声波 3D 指纹识别技术的产品,不过彼时由于穿透深度有限,超声指纹方案未能实现屏下识别,但随着研发的不断深入,高通目前已能穿透 0.8mm 的玻璃,0.65mm 的金属以及 1.2mm 的 OLED 屏,从而实现屏下识别。

  从屏上到屏下,超声波方案市场逐步拓展。2015 年高通的超声波指纹方案发布,而后分别被小米 5s 和乐视 Max Pro 所采用,尽管当时由于超声波方案的穿透距离有限,高通在小米 5s 和乐视手机上提供的并非屏下方案,而是类似于电容识别的 Home 键方案和背部指纹方案,但依然为超声波指纹技术的应用积累了经验。2017 年,高通的屏下指纹方案曾经提交 vivo 进行测试,尽管最终并没有被采纳,但也显示此方案正在逐步成熟。

  全屏幕识别:off-chip从半屏开始

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  ▲JDI 玻璃式指纹传感器

  随着半屏指纹识别技术的vivo APEX的概念机发布,指纹识别开始向半屏甚至全屏的方向发展。目前全屏幕指纹识别主要的相关方案有非硅基衬底方案(off-chip),即将电容指纹传感器集成到玻璃面板上,以实现传感器的透明化,目前模组精细化、小型化尚待提升。

  代表性方案供应商包括JDI(已于 2018 年 CITE 展会上提出 Pixel eyes 指纹识别技术:透明传感器被放置在显示面板的上方,并利用硬度升级之后的偏光片代替传统的玻璃盖板,以保证传感器上方盖板的厚度保持在 0。2mm 左右因而解决了传统电容方案穿透力不足的问题),以及韩国厂商 CrucialTec、挪威厂商 IDEX、国内厂商上海萝箕等。

  据一朋友在关于off-chip介绍时,这么写道,“即使指纹识别芯片不与显示面板集成,off-chip也是非常有必要的。因为硅片很昂贵,但是玻璃和塑料、树脂却很便宜。且硅片的wafer尺寸有限,而塑料、树脂、玻璃的面积是无穷无尽的。这就意味着指纹识别的Sensor可以做得很大,Sensor做得大了以后,可以提取的指纹特征点就越多,这也就意味着指纹识别的安全级别就会越高。”

  其认为,指纹识别功能的Full in-cell设计很难,因为Full in-cell的方案用电容式的做法显然无法实现,只能用光学的方案。与外挂的方式不同,外挂的光学指纹识别芯片无论是硅基CMOS,还是玻璃基CMOS,都不会与显示像素的制程集成在一起。如果采用Full in-cell的方式来设计光学式指纹识别芯片,则必须是off-chip的方式,而且是CMOS in Pixel的形式。但这会存在如下几个问题;第一,光路的距离太短,无法形成有效的信号;第二,CMOS中的光电二极管分散在显示像素中,无法设计或难以设计透镜和镜头,无法对信号进行放大;第三,不会有上文中提到的小孔结构,不会出现小孔成像的信号放大效果;第四:CMOS靠近屏幕外部,环境光的干扰如何弥补?第五:即使我们在玻璃基上制备了光电二极管,那么产生的电信号如何导出到外围的驱动芯片中?在导出的过程中如何避免信号的丢失?种种这些都表明了这种技术的大胆与难度。目前只停留在专利申请阶段。

  即便是苹果申请的屏内指纹识别技术,也是归于Si wafer的技术,并没有提到off-chip的概念。至于指纹识别能不能与显示屏集成,其实归根结底,就是传感器与屏幕的集成,具体一点来说就是传感器off-chip的设计能否与display Panel的工艺制程集成。

  五、产业链及供应商

  光学指纹识别方案产业链市场格局(规模、主要厂商):

  光学指纹识别方案的产业链主要分为算法及芯片(核心领域)、CMOS (将光信号转化为电信号)、Lens(主要是微透镜阵列) 、滤光片以及产品封装。总体来看,中信建投认为光学屏下指纹产业链中最值得关注的国内厂商包括上游方案提供商汇顶科技和下游独家封装厂商欧菲科技。

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  1、算法芯片:短期内汇顶、新思或将暂时瓜分光学屏下指纹市场,按照 2019 年光学方案与超声方案市场占比 7:3,其中光学方案及芯片占总识别模组比 50%,模组单价 10 美元,有望为方案厂商带来近 4 亿美元收入规模。

  2、Lens :主要关注的境外厂商有大立光、玉晶光和关东辰美等,其中大立光是光学镜片行业的传统龙头,关东辰美是苹果产业链的重要供应商,舜宇是近年来手机和车用摄像等设备领域成长最快的一家企业。

  3、CMOS :国际上主要的提供商有括索尼、三星、海力士、豪威(被中国企业收购)和安森美等;国内主要关注格科微(在与中芯国际的合作下,公司到 2017 年已经成长为仅次于索尼的全球第二大 CMOS 芯片生产企业)。

  4、封装:主要的企业有欧菲科技(安卓系屏下指纹模组封装的独家供应商)、丘钛科技、比亚迪电子、三星、TDK 等。预计 2019 年全球屏下指纹设备的出货量将超过 1 亿部,按照每套模组 10 美元,市场规模将近 10 亿美元,其中假设欧菲科技市占 50%,则识别模组将公司带来约 5 亿美元营收。

  超声波指纹识别方案产业链市场状态:

  超声波指纹识别方案的产业链可以分为算法芯片、传感器以及封装三部 分,而传感器的上游主要是压电材料。

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  1、算法芯片:目前高通是该领域唯一一个已经实现方案商用的企业,而除高通外,Sonovation、InvenSense 以及 FPC 等厂商也在探索相应的解决方案。

  2、压电材料:目前高通使用 PVDF 有机聚合物材料,Sonovation 和 InvenSense 使用压电陶瓷材料;主要生产厂商有新加坡 IME 和国内的三环集团等。

  3、传感器:主要有 InvenSense、台积电、意法半导体等境外企业生产。

  4、封装:目前高通的主要合作商为台湾 GIS 和欧菲科技。


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