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| 本文作者： 井三胖 | 2015-02-10 18:29 |
【編者按】本文作者系邁瑞微電子的首席科學家李揚淵先生，雷鋒網曾對其做過專訪《打破蘋果專利壁壘，國產手機指紋識別技術來了！》
進入魅族官網商城就能發現，MX4 Pro白色版本除了發布時間晚于灰色版本一個多月，還一直處在缺貨的狀態。
鑒于MX4 Pro因為指紋識別模組的量產困難一再延遲上市時間，是否白色MX4 Pro缺貨也因為白色指紋識別模組的量產問題呢？
首先分析MX4 Pro所采用的指紋識別模組，藍寶石蓋片是透明的，依靠下表面涂布的油墨來顯色。解剖iPhone5S裝載的Touch ID得知，黑色油墨厚度為2-3um（黑色顯色原理是吸收光線）；而白色油墨則達到26um，其最下層為灰色油墨（白色的顯色原理是散射光線，為防止自下而上的光線透出，還需要阻擋層）。MX4 Pro與此類似。
由于電容式指紋傳感器上方的保護層同時也是電容介質層，蘋果之所以采用藍寶石材料，因為單晶氧化鋁的介電常數較好，同時還是自然界介電損耗最低的材料之一，特別利于作為指紋傳感器的電介質材料。而油墨則成分復雜，不均勻，對指紋成像的干擾效應極大。形象點說，300um藍寶石對指紋成像的衰減效應甚至低于10um厚的油墨。
接下來我們分析一下MX4 Pro指紋識別模組的技術原理：
通過偵測信號發射Ring的波形信號，MX4 Pro發射的是正弦波，幅度3.3V，頻率約700KHz。
在電容式指紋傳感器領域，這種發射信號被稱為“RF”型，因為使用這種信號的指紋傳感器的發射和接收電路與RF的發射和接收電路接近。下圖來自Authentec的滑動式指紋傳感器AES2510的Datasheet，闡述了使用DA電路將125KHz – 2MHz的high frequency AC signal輸送至Ring作為信號發射激勵，并由Pixel作為Antenna接收，經放大后由AD量化。
RF型的優勢是信號增益大，電路結構簡單，但其缺點是對電源耦合干擾敏感，同時對介質空間差異引入的圖像干擾敏感。因為只有一臺使用黑色指紋識別模組的灰色MX4 Pro作為樣本，無法對油墨導致的背景分量進行分析，所以以下只能提供MX4 Pro指紋圖像移除電源耦合干擾的算例。
在08年開發AES2510時，發現存在列干擾，其噪聲原理是列優先傳輸序列對AD參考電壓上耦合干擾的采樣，其消除方法是將圖像還原到一維傳輸序列上進行高通濾波。同樣的方法也適用于MX4 Pro上的RF傳感器：左圖為從信道上截獲的序列還原出的RAW圖像，右圖則是根據AES2510的圖像矯正算法還原后的指紋圖像。由于MX4 Pro所使用的96x96的方形指紋傳感器相當于用3枚32x96的條形指紋傳感器在空間上組合起來，分別對每一個32x96子圖像進行矯正再重新組合起來，就得到了右圖，已經可以看到指紋了。但由于不具備更具體的該傳感器的設計信息用于建模，所以無法實現更好的指紋圖像質量。
在介質干擾分量的移除方面，不妨以邁瑞微在白色蓋板模組中遇到的問題來作為參照：
邁瑞微擁有自主知識產權的“C-Q-T”傳感器技術路線，在AFS120這個規格上，使用的驅動信號是1.8V約6MHz的方波，不同于RF型：
AFS120的原始圖像沒有MX4 Pro的原始圖像那么大的干擾，能夠精確的呈現蓋板作為電介質的差異導致的圖像差異。下圖是黑色蓋板模組和白色蓋板模組采集的原始指紋圖像，前者非常干凈但有中間量邊緣暗的低頻干擾，后者則有類紋樣的中頻干擾；
從原始圖中將干擾分量和指紋分量進行分離，下方左圖為原始圖像，中圖為干擾分量，而右圖則為指紋分量。通過移除干擾分量，蓋板顏色的不同導致指紋圖像質量差異已經很小了。
由于真實的指紋圖像總是可以被還原出來，模組成品就不會因圖像不干凈而報廢，從而提高了白色蓋板模組的良率。
這時我們可以回到最初提出的問題：“為什么MX4 Pro總在缺貨？”在蘋果已經將Touch ID大規模量產全面普及使用的時候，中國的制造商為什么連穩定可靠的生產都做不到？這背后的原因其實是對技術體系缺乏真正的理解。要知道，原創者不僅僅是做得更早這么簡單，更因為作為技術體系的創始人而擁有獨特的理解。這種理解是仿造不了的。
希望指紋識別這個產品能夠教會中國的產業界，靠跟隨和低價蠶食先行者市場份額的時代已經過去了。只有設計者可以挑戰設計者，只有發明家可以挑戰發明家。
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