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指纹识别新的投资机会:光学、超声波

原标题:指纹识别新的投资机会:光学、超声波

前言

1、为什么指纹识别一直悬而未决?

苹果十周年的诸多创新基本都已早早被挖掘,指纹方案的选择却一直存在争议,我们判断今年新机大概率没有指纹识别。指纹方案一直反反复复、悬而未决,主要因为:1)苹果新机采用全面屏,正面电容指纹需要重新设计;2)指纹识别在识别速度、使用体验上具有独特优势,虹膜、人脸等新生物识别技术还无法完全取代。

2、苹果今年虽未使用,但指纹识别仍将是智能机常见配置

iPhone8虽然取消指纹,但指纹识别仍将是智能机常见配置。我们判断,随着影响光学、超声波方案量产的问题逐渐解决,明年大概率在苹果、三星等高端品牌上规模化使用,成为新机卖点,与虹膜、人脸等生物识别技术在解锁和支付等应用上发挥各自的优势。

3、光学和超声波将掀起新一轮指纹识别潮流

经过几年的积极储备,光学和超声波指纹逐渐走向成熟,新思、汇顶科技都有光学指纹样机展出,高通也与乐视、小米合作推出超声波指纹量产机型。最重要的是,光学、超声波UD和ID方案能与全面屏完美融合,将引领新一轮指纹识别潮流,也是高端品牌首选。中低端品牌基于成本考量,将更倾向后置电容指纹方案。

4、产业链受益环节和投资建议

光学、超声波指纹产业链主要包括算法、传感器芯片、其他零组件、模组等环节。我们认为新思、汇顶科技、高通等算法和芯片设计厂商将占据主导地位;欧菲光、丘钛等模组厂商将受益新指纹模组单价大幅提升。考虑到未来指纹方案对模组轻薄程度都有很高要求,TSV 封装技术需要特别重视,推荐华天科技、晶方科技。

风险提示:光学、超声波指纹方案推进不及预期;虹膜识别、人脸识别体验提升对指纹识别形成快速替代。

正文

1 为什么指纹识别一直悬而未决?

1.1巨头指纹策略:iPhone8取消指纹,三星选择后置

今年迎来苹果十周年,3D成像、OLED全面屏、无线充电、双电芯、不锈钢中框+玻璃后盖等创新基本都被市场挖掘,唯有指纹识别方案,是用光学指纹、后置电容、与电源键结合还是取消,一直反反复复、悬而未决。我们判断今年苹果iPhone8大概率没有指纹识别,而是用虹膜识别、人脸识别代替。

另一巨头三星的策略则较为折中,由于量产困难暂时放弃计划使用的光学指纹方案,在两款旗舰机型S8和Note8上全部采用后置指纹,同时提供虹膜识别和人脸识别。

1.2 为什么今年指纹识别方案一直悬而未决?

1.2.1 苹果新机采用全面屏,正面电容指纹需要重新设计

我们在全面屏深度报告中指出,全面屏将屏幕比例从16:9 提升到 18:9,在不改变整机尺寸情况下明显增加主机尺寸(从主流的 5.2/5.5 寸增加到5.7/6寸以上),屏占比跃升带来惊艳的视觉体验。全面屏的超高屏占比、极佳用户体验是手机ID设计的巨大创新,将引领未来2-3年手机ID设计潮流。根据产业链的调研情况,今年下半年各品牌的旗舰机型基本都会以全面屏的形式出现,即使千元机也有不少全面屏出货。

对于采用全面屏设计的品牌来说,下边框需要做到9mm以内,苹果甚至打算做进5mm以内,那么占用过多下边框的正面指纹识别模块就必须重新设计。主流的电容指纹位置有正面和背面两种,也有少数在侧面:苹果、新思、汇顶以正面为主,FPC主要是后置。目前高端品牌基本都采用正面电容方案,改回后置十分影响用户体验。另外,正面指纹对整机美观和防水也有影响,正面电容方案需要重新设计。

1.2.2 虹膜、人脸识别兴起,短期仍难以完全替代指纹

三星在虹膜、人脸识别领域走得更早一些。去年8月,三星首次在自己的旗舰机型Note7上搭载了虹膜识别,引起巨大轰动;今年3月,三星S8上延续了虹膜识别的使用,并加入人脸识别功能。而今年苹果新机虹膜识别和3D成像的使用,有望掀起虹膜、人脸识别热潮。

指纹识别主要用来解锁手机、快捷支付、快速登录软件等,而这些虹膜识别和人脸识别都能做到,特别是虹膜识别准确率、安全性更佳,那为什么短期指纹识别难以被替代呢?

最主要的原因是指纹识别的速度快和使用方便、体验佳。三种生物识别技术中,指纹识别速度最快。同时,指纹识别,只需手指与识别区域接触就能完成解锁、支付,非常方便;虹膜识别首先要唤醒屏幕,其次虹膜摄像头有34°的视场角,接收的虹膜信息需要在视场角范围内,限制了虹膜识别使用的便捷性;人脸识别和虹膜识别类似,虽然视场角更宽,但唤醒和使用位置限制依旧存在,而且化妆、戴口罩之后识别不方便。

我们认为短期各生物识别技术将会共存,基于各自的优劣在不同领域发挥作用。指纹识别凭借其识别速度快、体验佳继续在手机解锁、快速登录软件发挥优势;虹膜识别由于安全性极高非常适合金融支付;3D成像除了人脸识别外,还有AR交互、AI机器视觉等更多功能。真正取代需要在虹膜识别、人脸识别的识别速度和使用便捷程度都改善之后才能发生。

2 苹果今年虽未使用,但指纹识别仍将是智能机常见配置

今年苹果的iPhone8虽然取消了指纹识别,但我们认为指纹识别仍将是智能机常见配置。苹果今年新机配置人脸识别、虹膜识别在年初就基本确定,随后在指纹领域的尝试却一直进行:测试高通、新思屏下指纹方案、申请屏内指纹识别专利、申请Touch ID与电源键集成专利、测试后置指纹等等。供应链的诸多测试消息从侧面反映了苹果还是非常看好指纹识别的。

其实,苹果今年取消计划的光学指纹最主要的原因是OLED面板透光率达不到屏下方案要求(也有识别精度PPI不够、显示+指纹模组整体厚度过大、屏幕亮度一致性不佳问题),苹果也尝试在OLED面板上下各加一层可透光薄膜的方案来解决,但量产还是比较困难。我们预计明年面板透光率不足问题有望解决,在明年下半年新机iPhone9(猜测名)量产,并成为其卖点。

一向比较激进的三星则可能推进的更快一些,原计划在S8上就采用光学指纹,也由于屏幕透光率不足、识别精度PPI不够、显示+指纹模组整体厚度过大、屏幕亮度一致性不佳等问题导致量产困难而搁置。

根据供应链消息,经过不断优化,导致量产困难的问题正在逐渐解决。比如刚性OLED基板和封装材料都是玻璃,柔性OLED基膜(PI、PET等)和封装材料都是薄膜,和玻璃相比,PI/PET膜的透光率稍微差一些,明年三星会将光学指纹模组与刚性OLED配合使用提升透光率;同时采用高精度图像传感器接收信号,提升识别精度;整体模组厚度和屏幕亮度一致性问题也都有积极的应对策略。

我们认为虽然今年iPhone8暂时取消指纹识别,但指纹识别仍将是智能机常见配置。目前虹膜识别、人脸识别等生物识别技术的识别速度和使用体验与指纹识别尚有差距,随着光学、超声波指纹方案逐渐成熟,将成为电容指纹向其他识别方式发展的过渡方案,特别是光学方案由于成熟度较高明年下半年大概率先行规模化量产。

3 光学、超声波UD逐渐成熟成为高端之选,中低端将重回后置

毫无疑问,电容指纹识别一统天下的局面即将被打破,这几年虽然是以电容式指纹识别方案为主,但光学和超声波方案也都在进行积极的储备,技术已经走向成熟,而正面电容方案与全面屏设计、外观和防水需求的矛盾正日益激化,光学和超声波方案由于能够和屏幕融合,完美解决正面电容的三大痛点,有望在苹果、三星等高端品牌率先渗透,引领新一轮指纹识别潮流。中低端品牌则更关注成本,将重回后置指纹识别方案。

3.1 光学方案

3.1.1 光学指纹历史悠久、原理清晰

虽然现在以电容式指纹识别为主,其实光学指纹识别出现的最早,被称为第一代指纹识别技术。早期光学式设计架构很简单,靠着光源、三棱镜、感光组件就能记录指纹。主要利用光的折射和反射原理,将手指放在光学镜片上,在内置光源照射下,光从底部射向三棱镜,并经棱镜射出,射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CMOS/CCD)上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的多灰度指纹图像,然后对比资料库看是否一致。

光学指纹识别主要应用于考勤机、门禁等方面,一直没能应用于智能机,主要是因为光学指纹识别系统只能够扫描手指皮肤的表面,不能深入真皮层,手指表面的干净程度直接影响到识别的效果,而且指纹手模也可能通过识别系统,安全性堪忧。另外,光学传感器中存在棱镜,体积较大,一般为半导体的几倍甚至10倍大小,所以限制了其在小型设备上的应用。

3.1.2 Under Display方案较为成熟,OLED屏UD方案有望先行

经过多年发展,光学指纹识别已经逐渐可以满足智能机的识别精度、安全性和小型化要求,最为关键的是,光信号可以穿透厚玻璃、显示屏,即光学指纹识别能和屏幕融为一体,这一点是信号衰减较强的电容方案无法做到的。

根据指纹识别芯片所处位置,光学方案主要分为Under Display和In Display两种。Under Display是将指纹识别芯片、发光二极管置于屏幕下方,In Display是将指纹识别芯片、发光二极管集成到屏幕的像素矩阵中。

Under Display是将指纹模组贴于显示屏下方,目前只能搭配OLED屏而不适用于LCD屏,因为:1)由于LCD屏需要背光模组,背光模组中导光板的存在,使得光线无法穿透LCD屏;2)LCD模组(最小0.5mm)要比OLED屏(最小0.15mm)厚很多,为了在屏下贴合指纹模组而不加重屏幕厚度负担,OLED更合适一些,而且屏幕越薄穿透越容易,功耗越小;3OLEDRGB像素点之间的缝隙可以通过一些工艺使得光线穿过去,再做运行相关算法去识别指纹。当然,In Display方案也是和OLED屏更搭配。

在光学指纹技术方面,新思、汇顶、苹果、OXI、Cucial Tec和印象认知布局较为领先,新思和汇顶科技近期已经有较为成熟的方案的设计方案公布。

今年3月新思发布Natural ID FS4600指纹传感器系列,可以将指纹模块集成到屏幕下,产品可以支持方形、圆形、椭圆形和细长矩形指纹模组。

同样在3月,国内指纹芯片龙头汇顶科技在西班牙MWC上首次展示了基于OLED屏的Under Display方案,用三星的S7与vivo Xplay6改装,也就是说,汇顶的光学指纹不需要特殊的屏幕定制,使用标准的显示屏就可以。

汇顶的光学指纹识别系统由OLED屏、CMOS传感器和lens组成,在OLED屏幕背部的遮光层局部开口,OLED屏发出的光线在手指表面反射,借用的是OLED屏的光路,通过lens对光线过滤,准直后被光学指纹传感器收集,CMOS上的pixel单元将收集到的光信号转换成电信号。其中,透镜使用microlens,设计要求较高,从而满足光学指纹识别小型化的设计要求。汇顶科技自己也有介绍,此次推出的光学指纹传感器体积小,功耗低以及采用标准应用接口的优势,容易适应移动设备不同的设计需求并满足客户大规模量产的需求,具有非常广阔的市场应用前景。

另外,汇顶科技的光学指纹Under Display方案同样拥有活体检测。在没有开启“防止假指纹”功能时,真假指纹都可以解锁;而在开启“防止假指纹”功能时,只有真实人体的手指触摸才能解锁,而假指纹无法解锁,有效保障了光学指纹识别的安全性问题。

近期指纹识别龙头新思、汇顶科技相继推出光学指纹识别方案,在小型化、识别精度、安全性方面较传统光学指纹识别都有很大突破。我们认为,光学指纹识别技术逐步成熟,叠加其可与屏幕融合,实现全面屏设计、外观美化、防水升级的天然优势,目前正处于爆发前夜,基于OLED的Under Display方案由于技术难度较低有望率先量产。

3.1.3 苹果In Display利居多,深度布局光学指纹识别

那么In Display的难点在哪里呢?In Display将指纹模块置于显示屏内,芯片、光源集成到屏幕的像素矩阵中,需将Sensor和Display的生产制程结合在一起,制成一体化产品。这就需要和面板厂商一起共同开发,即需要产业链的配合,比如之前In cell触控IC的开发,研发、生产难度都较大。而Under Display目前在硬件方面的难度在于 Sensor需要高信噪比、红外光对于使用场景的限制和结构堆叠等;软件方面的难度在于需要算法辅助还原分析图像,这些都可以在目前的技术领域突破或升级来实现。

苹果发布的光学指纹识别专利主要是采用的In Display方案。2015年11月,苹果申请了基于OLED显示屏的内置指纹识别器专利,在OLED的RGB子像素之间集成近红外发射器和检测器,该方法与独立的显示和检测器层的设计相比,要薄很多,同时Home键也没有存在的必要了。

今年2月,苹果再次申请了一项屏内指纹识别专利:配备红外二极管的交互式屏幕面板,不需要专门的Touch ID传感器。这次屏内指纹识别技术是基于MicroLED,这种屏幕技术与目前大多数智能手机和平板电脑上使用的屏幕不同,并且被认为是继OLED后的下一代显示面板技术。专利最初来自于 LuxVue,2014年被苹果收购,LuxVue 主要开发低功耗MicroLED显示屏。

专利使用较小的红外光发射器和传感器代替较大的电容传感器,发射器和传感器位于RGB LED显示基板旁边或安装在基板上的微芯片上,即In Display

方案。这些“交互式像素”结构可以进行校准,并执行环境光感测、距离检测以及特别复杂的触摸检测等功能。如果这些像素集中在某一区域,则构成区域指纹识别,虚拟Home按钮可以位于其中;或者,这些像素在整个显示屏分布足够数量,则可以在屏幕任何部分进行指纹识别。

虽然苹果在光学In Display方案上进行了深入布局,但我们认为短时间内并不会得到推广:InDisplay方案将传感器集成到像素中难度较大,并且需要更改OLED面板设计,而目前OLED面板资源基本掌握在最大的竞争对手三星手中,更改难度非常大。

3.1.4 OXI为LCD屏提供更大空间

不管是UD方案还是ID方案,似乎都需要OLED屏幕配合,那是否就意味着LCD屏就没有实现光学指纹的机会了呢?

目前上海萝箕(OXI)正致力于研发基于LCD屏的光学指纹,推出的OXI的薄膜光学指纹技术(T.O.T)的叠层结构为4层,从上到下分别是盖板玻璃、传感器、背光和PCBA或者软板。指纹识别位于显示区域,LED背光源发出的光线被导光板均匀化,穿过传感器到达指纹,反射后反射光在传感器上形成图像。

去年年底新思也投资了OXI,并达成独家合作协议。我们认为如果OXI基于LCD的光学指纹能解决透光率、分辨率灯问题,未来也存在发展空间。

3.2 超声波方案

超声波指纹是通过超声波飞行时间测距原理把指纹的形态构建出一个3D图形,构图依赖指纹皱褶凸起(皮肤)和凹陷(空气)之间不同的密度来形成图像结果。

超声波指纹识别的优点在于可以穿透各种材料因而能与屏幕融为一体,并且防水、防油、不受强光干扰、支持活体检测。由于无法穿透空气层,穿透厚度限制了超声波方案的应用。

3.2.1 从乐视到小米,高通推广超声波指纹不遗余力

相比于电容和光学,超声波指纹起步较晚,属于第三代指纹识别技术。超声波方案主要是高通力推,2015年MWC上,高通正式推出移动行业首个基于超声波技术的3D指纹认证解决方案:Sense ID 3D指纹技术

去年1月乐视发布Le Max Pro智能手机,集成了骁龙820芯片组和骁龙Sense ID,采用了高通的超声波技术,实现了3D指纹识别功能。骁龙Sense ID位于乐视手机背面金属壳下方(Under Metal)400μm处。

作为首款搭载高通3D指纹识别机型,识别速度和识别率都存在一些问题。去年9月,高通与小米合作,推出正面五孔式超声波指纹识别机型小米5S,集成了10000个微震传感器的指纹芯片位于盖板玻璃下方,即Under Glass方案,在玻璃上方挖了凹槽。除了更容易定位外,我们认为最主要的原因还在于超声波指纹识别穿透厚度限制,目前主流盖板玻璃厚度为0.55mm和0.7mm,减薄玻璃厚度有利于提升识别率和识别速度。

3.2.2 vivo发布屏下方案,超声波指纹成熟度不断提升

在乐视和小米手机的尝试之后,高通今年又推出了新一代超声波指纹识别。新一代超声波指纹可以得到三层数据:第一层指纹皱子直接接触最外层的皮肤;第二层指纹的纹路结束和分杈的点(节点);第三层汗孔和皱子起始的地方,活体检测靠心血管、心跳检测判断是否为活体。

高通的新一代超声波指纹识别技术最大的改善在于穿透厚度大幅提升。可以穿透800μm的玻璃、650μm的金属、1200μm的OLED屏(最新数据显示能穿透1300μm的OLED屏)。目前柔性AMOLED厚度最薄可以缩减到100-200μm,2.5D的玻璃盖板大约700μm,意味着其可以实现屏幕指纹识别,不过OLED硬屏厚度较大暂时无法使用。

今年6月上海MWC上,高通与vivo合作,推出屏下超声波指纹识别方案(Under Display),展示机型原型为Xplay6,模组由欧菲光提供,配置3D玻璃+柔性OLED,表明屏下方案穿透厚度问题已经逐渐被克服,超声波指纹识别成熟度不断提升。据了解9月vivo X20全面屏机型将加持超声波指纹识别,成为高通方案第三款量产机型。

3.2.3 Sonavation和InvenSense方案也需要重视

除了高通之外, Sonavation和InvenSense在超声波指纹识别领域也在不断探索。Sonavation主要为消费电子产品提供超声波身份特征和生命科学解决方案,原理与高通方案类似,能够实现3D指纹识别,并且Sensor厚度100μm、低功耗、高分辨率,成功穿透400-750μm的康宁大猩猩玻璃。近期宣布与ADI合作,结合ADI领先的半导体技术和制造经验,开发并提供完整的生物识别系统解决方案

InvenSense成立于2003年,是苹果加速度MEMS传感器主力供应商。2015年11月发布了日前发布了一款基于InvenSense CMOS-MEMS平台(ICMP)制造的超声波指纹成像解决方案,计划今年实现量产。

InvenSense通过对平台添加AIN压电工艺能力,使得独特的压电MEMS超声换能器(pMUT)和传感器阵列的批量生产得以实现,每个传感元件单独可控,通过直接晶圆级封装实现CMOS ASCI电路的整合。

3.3 中低端品牌更倾向重回后置

目前后置Coating方案的电容指纹模组单价已经下降至2美金以下,这也是指纹识别渗透率快速提升的重要原因。根据产业链调研结果,光学、超声波指纹模组价格预计为Coating电容方案的5倍左右,即大约10美金,甚至可能更高。使用全面屏后,面板成本显著提升,前摄、天线、听筒等零组件都需要改进,在成本考量下,我们认为中低端品牌更倾向重回后置Coating电容方案。

4 新指纹识别技术产业链分析

4.1 光学指纹识别产业链

无论是较为成熟的Under Display还是作为未来发展方向的In Display,光学指纹识别方案主要包括算法、LED光源、光学图像传感器、lens、滤光片,产业链与虹膜识别十分类似。

1)算法方面,国内主要有汇顶科技、上海萝箕、印象认知,汇顶科技是基于OLED,上海萝箕是基于LCD;国外主要有新思、CrucialTec、ISORG,其中CrucialTec申请了透明指纹传感器专利,ISORG去年10月发布了整个屏幕的可完全大指纹传感器。

2)LED光源一般采用近红外光源,减少环境光线的干扰。主要供应商有Osram、Vishay、EPITEX、晶电,国内三安光电、联创光电、鸿利智汇具备近红外LED生产能力。不过汇顶科技的方案采用OLED自发光作为光源则不需要额外的LED光源,但是需要提升屏幕的透光率。

3)光学图像传感器用来接收反射回来的近红外光,有基于CMOS(主要是屏下)和基于TFT(主要是屏内)两种。供应商有索尼、OV、意法半导体,国内有格科微、思比科。

4)lens需要采用微透镜(microlens),起聚光作用,供应商有大立光、舜宇、玉晶光、Kantatsu、联创电子等。

5)针对不同光源,滤光片的选择也有所不同,如果是采用近红外LED光源,那么需要窄带滤光片,供应商主要有VIAVI和水晶光电;如果采用屏幕自发光,那么普通滤光片即可。

6)至于整个光学指纹模组的生产,龙头欧菲光布局较早,我们认为东聚、丘钛也都有能力进行配合。

4.2 超声波指纹识别产业链

超声波指纹产业链属于全新的生物识别产业链,主要包括算法、超声波传感器、ASIC芯片。

1)算法方面,目前高通最为成熟,已经分别实现了乐视和小米手机的UnderMetal和Under Glass 方案的量产,vivo的Under Display样机也有发布。另外,Sonavation、InvenSense方案也需要重视。

2)超声波传感器主要基于各类压电材料:高通使用PVDF有机聚合物压电材料、Sonavation使用PZT压电陶瓷材料、InvenSense使用AIN压电陶瓷材料制造的PMUT。供应商有IME、三环集团、捷成科创等。

超声波传感器一般采用MEMS制造工艺,设计厂商有InvenSense、意法半导体等,代工厂有台积电、格罗方德、Silex(耐威科技收购)等。

3)由于指纹识别传感器采集数据量非常大,高通的新一代指纹识别方案采取了三层数据,需要专用的ASIC芯片进行数据运算。目前高通已经集成了专用的ASIC芯片,InvenSense能够开发ASIC芯片、Sonavation与ADI合作之后也将具有开发实力。

4)在超声波指纹识别模组生产,欧菲光布局多一些,高通与vivo的屏下超声波指纹识别模组就是由其提供,当然东聚、丘钛等模组厂商也都有能力进行配合。

4.3 后置电容指纹识别产业链

后置电容指纹产业链已经十分成熟,算法和芯片设计厂商有FPC、汇顶、思立微、新思、神盾等;晶圆代工有台积电、中芯国际等;封装厂商有长电科技、华天科技、晶方科技、精材科技等;模组厂商有欧菲光、东聚、丘钛、合力泰、凯尔等。

5 投资建议

光学、超声波指纹产业链主要包括算法、传感器芯片、其他零组件、模组等环节。我们认为新思、汇顶科技、高通等算法和芯片设计厂商占据主导地位;欧菲光、丘钛等模组厂商将受益新指纹模组单价大幅提升。考虑到未来指纹方案对模组轻薄程度都有很高要求,TSV 封装技术需要特别重视,推荐晶方科技、华天科技。

6 风险提示

1)光学、超声波指纹方案推进不及预期;2)虹膜识别、人脸识别体验提升对指纹识别形成快速替代。返回搜狐,查看更多

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