基于移動終端的指紋識別專利技術分析

樊倩倩

摘 要：隨著智能移動設備信息安全需求的提升，指紋識別技術應用普及化并不斷適應移動終端的發(fā)展。本文重點介紹基于移動終端的指紋識別專利技術演進以及應用于屏下指紋識別的專利技術分析。

關鍵詞：指紋識別 ;移動終端 ;傳感器

引言

隨著智能終端的普及，移動設備信息安全受到用戶的重視。指紋識別技術利用人的指紋的唯一性及穩(wěn)定性，廣泛應用于信息安全、金融安全以及其他身份認證及安全維護等領域，展現(xiàn)出方便、實用、可靠等優(yōu)勢。近年來，得益于集成電路水平的迅速發(fā)展，移動終端公司相繼推出搭載指紋識別功能的智能移動終端。

本文對基于移動終端的指紋識別技術相關專利進行分析并進行綜述性的研究。作者使用CNABS和DWPI數(shù)據(jù)庫作為中國國內申請和全球申請的目標數(shù)據(jù)庫，從相關專利分布及趨勢，專利技術的演進對基于移動終端的指紋識別技術進行探究分析。

1、基于移動終端的指紋識別專利申請量分析

指紋識別傳感器對指紋圖像進行采集，采集到的指紋圖像經過預處理后，進行特征點提取，最終與存儲在數(shù)據(jù)庫中的特征點進行算法匹配，驗證指紋是否有效。指紋識別技術通過數(shù)十年的發(fā)展，演化出眾多技術分支。特別是近年來，應用于移動終端的指紋識別技術需求量陡增，相關公司在該領域有著數(shù)量可觀的專利申請。

上世紀90年代早期就有搭載指紋識別功能的智能終端問世，而由于精確度不高、用戶體驗不佳等原因，該技術并沒有引起足夠重視[1]。全球專利申請量從2012年前后開始迅速的增多，這歸因于蘋果公司在2013年推出搭載Touch ID指紋識別功能的智能手機iPhone5s，其識別率高，體驗佳，開啟了指紋識別手機的新潮流。自此，針對于移動終端的指紋識別技術方案不斷成熟，識別算法不斷優(yōu)化。維沃、歐珀、華為、三星等多家終端廠商相繼推出搭載指紋識別認證功能的手機，使得搭載指紋識別的智能移動終端逐漸普及。

中國國內在移動終端的指紋識別領域研究起步較晚，相較于全球申請量的提升階段有一定滯后。隨著國內智能移動終端的發(fā)展，2013年前后，中國相關專利申請量開始大幅度增加，并在2017年左右申請量達到峰值。2018年來該領域專利申請量因人臉識別技術的應用有所下降。目前該領域專利申請量最多的國家是中國，其次是韓國、美國。而申請人中，歐珀公司在基于移動終端的指紋識別領域申請量最高，其次是三星公司。在國內，維沃、努比亞、歐菲、TCL、匯頂、小米等作為國內較為主流的智能終端廠商，在該領域也保有一定的研究實力，具有較強的知識產權意識。而在國外，LG、蘋果、鎂光、富士通等公司也在基于移動終端的指紋識別領域申請量具有優(yōu)勢。中國在此類高新技術領域的專利申請量中獨占鰲頭，一方面是因為中國經濟的快速發(fā)展，國內各企業(yè)及研發(fā)機構的科研投入加大;另一方面，國內高新技術企業(yè)對知識產權意識加強，積極申請專利以保護各項新興技術。國內各移動終端指紋識別領域的創(chuàng)新研究勢頭依然強勁。

2、基于移動終端的指紋識別專利技術演進分析

通常主要使用的指紋傳感器技術包括光學傳感器，電容傳感器以及超聲波傳感器等。

（1） 光學式傳感指紋識別

光學式指紋識別是運用光的全反射原理。光源發(fā)出的光線入射到玻璃表面，當該玻璃表面放有手指時，指紋脊線與玻璃表面接觸，光線在此處被吸收或發(fā)生漫反射，在成像元件上顯示為暗;而指紋谷線未與玻璃表面接觸，光線在此處發(fā)生全反射，在成像元件上顯示為亮，從而將指轉化為灰度指紋圖像。

光學式指紋識別的相關專利最早出現(xiàn)于1974年，三菱電機公開了一種基于熒光檢測的指紋識別裝置。由于其尺寸較大以及成本較高，并未在移動終端領域得到應用。1999年韓國NITGEN公司提出了一種帶有內置指紋識別器的信息終端，其將TFT指紋閱讀器與傳統(tǒng)的信息終端的LCD結合在一起，從而減小便攜式電話的尺寸。2013年蘋果公司提出一種通過從用戶手指反射的紅外光返回光檢測器實現(xiàn)指紋識別。在早期階段，我國指紋識別技術較為落后，并無移動終端指紋識別領域的相關申請。直到上世紀90年代前后開始提出相關領域的申請， 2000年專利申請CN1316864A提出了一種指紋識別無按鍵式新型移動電話及功能控制系統(tǒng)，其技術方案為將指紋識別結合于移動電話中提高安全性能。

（2） 電容式傳感指紋識別

電容式傳感技術是通過手指與傳感器進行接觸，利用指紋表面凹凸紋路在接觸過程中導致電容變化，根據(jù)不同的電容值形成指紋圖像信息進而實現(xiàn)指紋信息采集。

1997年的專利申請GB9725571D0提出了包括指紋讀出裝置的移動電話，通過傳感元件的陣列，電容性地感測置于陣列上的個人指紋的隆起線圖案，公開了基于電容傳感器的移動終端指紋識別技術。2003年的專利申請CN1450489A提出了可應用于筆記本型計算機、個人數(shù)字助理及移動電話等便攜式電子產品的電容式指紋讀取芯片，電容感測元陣列利用DRAM點和分享原理檢測指紋的紋峰與紋谷。電容式指紋識別的輝煌期在2014-2017年，在智能手機增速放緩時期，電容式指紋識別技術因其技較為成熟，成本低的特點迅速占領了市場。

（3） 超聲波傳感指紋識別

超聲波傳感指紋識別是利用超聲波可穿透多種傳輸介質的特性，通過向手指表面發(fā)射超聲波脈沖，脈沖在手指表面反射回波至傳感器，而指紋的脊線和谷會產生不同的回波信號，根據(jù)回波信號的不同即可獲取指紋的三維圖像信息。

2004年三星提出了一種超聲波類指紋傳感器，其可以利用MEMS工藝將各元件同時制作成薄膜形狀，以便提高指紋鑒定速度，適用于便攜終端。2014年專利申請US2014355381A1提出了一種基于硅晶體的MEMS指紋識別系統(tǒng)，壓電換能器陣列設置于聲匹配層之下，向聲匹配層產生入射聲波或入射聲脈沖，并接收被檢測對象的反射聲波或聲脈沖，與壓電換能器陣列電耦合的CMOS，用于接收和處理響應所述反射聲波或聲脈沖而產生的壓電換能器輸出。2019年歐珀公司提出了通過信號發(fā)射器以相對蓋板傾斜的方向朝蓋板邊緣發(fā)射超聲波指紋檢測信號，并設置指紋感應區(qū)，信號感應器固定于蓋板遠離入射指紋檢測信號處，經指紋感應區(qū)接收指紋檢測信號使得蓋板的指紋感應區(qū)占比可以增大。

超聲波傳感由于其優(yōu)越的穿透力，對手指的干凈程度要求較低，可以產生高質量圖像，甚至可以識別出滲透到皮膚表面之下的指紋的3D紋理特征，在移動終端指紋識別前景可期。

3、指紋識別在全面屏終端中的應用

屏下指紋識別技術是基于上述技術的應用類技術分支。近年來，全面屏手機的流行對移動設備指紋識別技術提出了新的要求，屏下指紋識別技術將傳感器置于屏幕下方，無需設置單獨的指紋采集窗，進而大大提高移動終端的屏占比。目前主要集中于光學和超聲波指紋傳感。

光學屏下指紋識別技術，是將屏下指紋模塊設置于有機發(fā)光二極管顯示面板或傳統(tǒng)液晶面板。維沃公司提出了使用OLED顯示面板，其中每個像素發(fā)光可以單獨控制，像素發(fā)光照亮指紋后反射到光學識別模塊，通過識別轉化后的電流信號的強弱判斷出指紋的脊和谷實現(xiàn)指紋識別。光學屏下指紋識別兼容OLED屏，成為目前屏下指紋方案的主流。

超聲波屏下指紋識別同樣在屏下指紋識別領域具有廣闊的應用前景。魅族公司提出了將超聲波傳感器置于屏幕的非顯示區(qū)域，如手機的四個邊框內部，通過多個傳感器的協(xié)同工作實現(xiàn)指紋識別。蘋果公司在2015年提出了用于聲學成像系統(tǒng)有源傳感元件，該申請將超聲波傳感器陣列直接置于手機屏幕下方，實現(xiàn)屏下指紋識別。

總結

指紋識別在移動終端中的應用仍處于平穩(wěn)上升期，在移動終端的信息安全、金融安全等方面是短期內不可取代的核心技術。同時，隨著全面屏時代的開啟，光學與超聲波指紋識別有望成為發(fā)展主流。

參考文獻：

[1]傅山，潘娟. 移動智能終端生物識別發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 移動通信， 2015，39（5）： 13-16.