光学指纹识别芯片

　　说起指纹芯片，必须要提汇顶科技，这家一度是指纹芯片行业的王者。眼见它因为指纹芯片技术风靡起高楼，又眼见它因为指纹芯片的快速规模化商用，楼塌了。
　　01 踩着指纹芯片风口扶摇直上的汇顶
　　汇顶科技的传奇发展史，从2002年到2019年，几乎每一次转型都十分成功。2006年，开始研发电容触摸按键芯片；2010年实现小批量生产；2011年，踩着智能手机和平板电脑市场的高速发展的风口，电容屏触控芯片销量快速提升；2014年，进军指纹芯片市场。
　　图1 汇顶科技早期公司业务占比 来源：Wind
　　到2016年，第一大营收业务从电容触控芯片转为指纹芯片，指纹芯片的营收同比增长788.66% （据公司发布财报），其该年度的净利润同样大幅度增长。而背后的原因在于，汇顶再次踩上了风口，不仅顺应由 iPhone 5S 点燃的指纹芯片大势，同时因规模化量产能力成为此趋势中最受益的厂商，并为2016年登陆A股做了铺垫。
　　之后两年，指纹芯片市场因国内众多电容触控芯片厂商进入，迅速从蓝海市场进入红海市场的价格战状态，利润骤降。但到了2019年，汇顶科技再次因屏下指纹芯片大规模量产迎来巅峰。2019年9月份，汇顶科技市值正式突破千亿元，成为A股首家市值突破千亿的半导体公司；2020年2月份，其市值高峰期更是超过了1700亿元。
　　图2 2011-2019 年公司营业收入及增速 来源：Wind
　　可好景不长，竞争对手思立微屏下指纹芯片大规模商用，价格战再次打响，如OPPO、华为均开始大量采用思立微方案，导致屏下指纹芯片价格快速下降。在过去两年多时间，其市值却从1700多亿元一路暴跌到不到270亿元，蒸发了整整1500亿元！
　　图3 汇顶科技股市走向 来源：集微网
　　究其背后的原因，汇顶科技的高速发展无疑抢占到了指纹芯片的风口，但随着产业的变化，也导致其陷入当前的困境，从2020年净利润超25亿元，到2022年第一季度变成亏损，汇顶科技只用了两年。
　　2022年5月19日，汇顶科技在深圳召开了主题为＂智感万物·联接未来＂的2022年度创新技术研讨会， 期望通过持续高研发投入，摆脱过去过度依赖于指纹识别业务的局面，扩宽航道打造多元化产品矩阵，启航IoT全场景应用，覆盖传感、交互、连接、音频及安全领域。
　　02 指纹识别芯片的三种技术路线
　　相较于传统电容式指纹识别，光学式和超音波式指纹识别技术得益于高穿透性，物理限制影响低，有望逐步替代传统电容式指纹识别芯片，成为行业发展重心。
　　5G技术带来5G换机潮是必然，驱动国内光学指纹识别市场。为抢占市场份额，各手机厂商相应扩大出货量，带来指纹识别芯片需求快速上涨。而5G手机价格不断下探，从最初的 5000-6000 元下探至最低 1999 人民币，在拓宽指纹识别市场空间、提升 OLED 智能手机应用的同时，也引发厂商利润空间缩窄。
　　在屏下指纹识别细分领域，其应用主要集中在消费电子产品应用。其中短期来看，智能手机仍然是最大价值应用场景。同时，伴随着＂全屏＂手机行业热点，指纹识别技术持续迭代发展以提高屏占比。预期2024年，指纹识别手机出货量达 42,770 万台。同时，在市场扩张方面，自2018年光学屏下指纹识别芯片价格下降79%，目前批量报价在 1~2 美元。随着指纹芯片成本价格下移，有望带动光学屏下指纹识别向中低端手机设备渗透，技术可下沉至 3000 元以下的手机。
　　目前，主流指纹识别技术有三类，光学式、超音波式和电容式。其中电容式技术发展最为成熟、普及度最高。2013年后，苹果的＂Home键+前开孔指纹识别＂设计快速引爆行业热点，带动指纹识别应用进入爆发性增长阶段。据有关数据，2015-2017年，指纹识别手机的渗透增长至44%。但2018年后，随着大屏、全屏偏好风靡，电容式受限于弱穿透性特性，在大屏竞争中逐步没落，受挤压严重。
　　光学式及超音波式指纹识别技术得益于高穿透性，物理限制影响低，逐步替代传统电容式，成为行业发展重心。近两年，技术成熟度逐步提升，综合成本下降，进一步促进屏下光学是指纹识别市场下沉。
　　图4左 光学屏下识别产品示意图   图4右 超声波屏下识别产品示意图
　　1、光学式指纹识别的技术原理是图像对比 。在OLED显示屏幕间存在一定间隔；光线可从中透过。其中OLED具备自发光属性，当指纹触达屏幕，OLED将发出光线将手指按压区域照亮，同时光线反射至屏下 CMOS 图像传感器，从而形成图像与终端信息的对比成像。
　　图5 光学式指纹识别技术显示结构
　　光学式指纹识别技术优势 在于穿透性强，可在不开孔情况下，实现屏下识别指纹，符合大屏流行趋势；同时技术成熟，商用化程度高。但其也有技术劣势 ，光学传感器体积大；无法对真皮层进行识别，安全性及防伪性较低；此外，光学式需借助OLED自发光特性，导致额外功耗增加、屏幕寿命缩短。
　　光学式指纹识别技术代表厂商是汇顶科技、思立微、Egis科技、Synaptics。
　　2、超音波式指纹识别的技术原理是超音波阻抗。 通过传感器对手指指纹的纹脊和纹谷反射出的不同回波进行收集。由于指纹的纹脊和纹谷反射回波不同，内置芯片可根据回波的差异构建3D图像并进行指纹对比验证。
　　图6 超音波式指纹识别技术显示结构
　　超音波式指纹识别技术优势 在于无需感光元件与电容感应，物理限制低；超音波穿透性强，可在不开孔情况下，实现屏下识别指纹，符合大屏流行趋势；同时识别率高，不收水渍、污渍影响，支持活体检测。其技术成熟度相对较低是其技术劣势 ， 带来研发难度大、制造成本高、市占率低等问题。
　　超音波指纹识别技术代表厂商是高通和FPC。
　　3、电容式指纹识别的技术原理是指纹静电场。 利用硅晶元与导电的皮下电解液形成电场。当手指按压屏幕时，指纹的纹脊和纹谷将导致压差呈现差异，从而实现准确的指纹验证。
　　图7 电容式指纹识别技术显示结构
　　电容式指纹识别技术优势 在于技术成熟度高，支持LCD显示屏，可大幅降低整机成本，安全性和防伪性高。其技术劣势是穿透性低，必须依赖屏幕开孔，不符合大屏趋势；此外，水渍、脏污影响大。
　　电容式指纹识别技术代表厂商是汇顶科技、Egis科技、FPC等。
　　03 汇顶引导下的超薄光学指纹识别
　　手机是指纹识别芯片目前最大的应用场景，而多摄像头方案和大容量电池方案是主流手机厂商的第一选择，为腾出更多空间放置 CIS 模组和更大容量电池，要求 5G 手机中的各个元器件尽可能的做小做薄。
　　汇顶科技已研发三代屏下光学指纹方案。第三代超薄光学指纹识别方案能很好的适配 5G 手机的空间需求。第二代的光学指纹识别方案因为占用 z 轴空间太大，不能在 z 轴与电池叠放，只能与电池在 y 轴上平行放置，占用了电池的放置空间。
　　图8 汇顶第二、三代光学指纹识别方案实用示意图
　　图9 汇顶三代屏下光学指纹识别方案对比
　　面对 5G 智能手机对内部更大空间的需求，汇顶第三代超薄光学屏下指纹识别技术采用微透镜方案，将指纹识别芯片占用 z 轴空间压缩至 0.3mm，几乎是第二代透镜方案的 1/10，得以与电池在 z 轴上叠放，通过芯片自身超薄的厚度给电池、VC 均热板、石墨片和 CIS 芯片做出了空间上的让步，使得手机续航、散热能力和摄影能力更为强劲。除了空间上的提升之外，汇顶第三代指纹识别芯片方案将原本偏下指纹识别模组上移，让解锁区域的设计更灵活，进行盲解锁更加便利，留给手机厂商的 UI 设计空间更广阔，有效提高用户体验。