屏下生物辨識技術：材料世界網

林正軒、徐煜靈、陳品誠／工研院材化所

近年來因智慧型手機的普及，造就了生物辨識技術的蓬勃發展。其中指紋辨識技術在手機應用的發展歷程，從早期的屏幕外電容式辨識元件，發展至屏下光學式或超聲波式辨識元件，未來將整合面板技術往大面積與全屏按壓的目標邁進。本文主要針對目前屏下指紋辨識技術的發展現況做介紹，並提出工研院材化所如何以光學模擬技術作為工具，設計出屏下指紋辨識的相關結構，並達成不錯的成像品質。

【內文精選】

生物辨識市場與發展趨勢

生物辨識(Biometrics)技術如圖一所示，是指利用每個人獨一無二的生理或行為特徵，例如指紋(Fingerprint)、靜脈、人臉、語音、虹膜或步態等，來作為辨識使用者身分的一項技術。生物辨識有不易遺忘和丟失、不易偽造和被盜、可以「隨身攜帶」、隨時隨地使用等優點，因此，除了傳統犯罪偵防、海關出入境管制外，各種數位裝置的身分認證近年來開始被大量使用。雖然人體具有很多獨特性的生理和行為特徵，但實際運用上，可供運用的生物辨識特徵必須同時具備兩種特性：第一為永久性(Permanence)，指的是一個生物特徵能恆久穩定，不會隨著時間而變化；第二是可測性(Measurable)，意指某個生物特徵可利用儀器簡單且快速地辨識。因此，像是聲紋、步態等容易因時間或當下生理情況（例如生病）而改變的生物特徵，在生物辨識市場發展性就會相對較差；而指紋、虹膜及靜脈感測等則是目前生物辨識市場的主要發展重心。根據DIGITIMES Research分析調查，生物辨識帶來生活便利，在眾多生物辨識應用情境中，以指紋辨識作為主要身分辨識方式最受消費者歡迎，於各種應用被選擇的比例約為30%，如圖二所示。

圖一、生物辨識技術種類多元

屏下生物辨識技術應用發展

智慧型手機越來越普及，自從2013年蘋果iPhone 5S率先採用電容式指紋辨識，並於隔年導入Apple Pay結合手機支付功能，就開始颳起一陣生物辨識解鎖及支付應用的旋風，在近幾年的時間，躍身成為全球各大手機品牌廠廝殺最為激烈的必爭領域之一。隨著智慧型手機朝向大屏占比的方向發展，如圖四所示，這些指紋晶片面臨到了無處可放的困境，漸漸從手機正面往背面或側邊走。但這與人習慣的按壓模式並不相配，因此，也促使指紋辨識廠商往屏下(Under-display)的方向研發，甚至是整合面板技術往大面積、全屏按壓的目標邁進。

屏下指紋辨識模組原理與結構介紹

目前具量產性的屏下指紋技術只剩下光學和超聲波兩種，僅支援AMOLED面板，主要是因為AMOLED面板厚度較薄且為自發光，指紋訊號的損失較低且不會被光學膜干擾，因此才能擷取到較清楚的影像，如圖六(a)。屏下光學式指紋主要廠商包括匯頂、神盾、思立微、聯詠、FPC等；超聲波式屏下指紋目前僅高通(Qualcomm) 一家具備實際商用能力。而相對上，傳統TFT-LCD則因面板穿透率不佳，且顯示器下層的背光模組具有數片光學膜片與導光板，阻擋了CIS (CMOS Image Sensor)訊號的接收，影響指紋成像的困難，如圖六(b)，因此3M也針對TFT-LCD提出一種較新的光學式屏下指紋辨識解法。後續將針對三種指紋辨識模組進行結構的介紹，並分析其優劣點。

工研院屏下指紋設計方案

工研院材料與化工研究所近年來建立了完整的光學模擬設計與檢測驗證的能量，如圖十四所示，可依據不同應用情境來選擇合適的光學模擬軟體進行設計分析，並針對不同光學特性參數選擇檢測設備，以完整建立分析模組和材料資料庫。

在材化所光學模擬能量中，可依據不同形式的光學生物辨識進行模組建立與分析，如圖十五所示，分為內全反射式成像模組、鏡組成像模組與微光學成像模組。內全反射式成像模組是當光線碰到指谷的空氣時會使光線產生內全反射特性而形成指紋影像中的亮紋…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。