詳解 iPhone 7 為什麼將取消實體 Home 鍵:越來越大的 Touch ID

作者 | 發布日期 2016 年 09 月 08 日 5:01 | 分類 Apple , iPhone , 零組件 follow us in feedly
FLICKR Kārlis Dambrāns

傳聞 iPhone 7 則將延用實體 Home 鍵,而虛擬 Home 鍵或將用在 iPhone 7 Plus 上,由於蘋果還未正式發表,所以本文只是根據作者拿到的樣板機進行推測:如果 iPhone 7 Plus 上了虛擬 Home 鍵,可能會是什麼原因?Touch ID 又會有什麼變化?



雷鋒網配圖

▲ 網傳 iPhone 7 與 iPhone 7 plus 外流照。

與 iPhone 6 Plus 相比,iPhone 7 Plus 在外觀上並沒有變大,而 iPhone 6 Plus 上的實體 Home 鍵限制了晶片尺寸最大為實體鍵內壁的內接矩形,所以,在採用了虛擬 Home 鍵的 iPhone 7 Plus 上則進一步擴大了 Touch ID 的面積。

和 iPhone 6s Plus 比,iPhone 7 Plus 沒有長大,但 Touch ID 繼續長大:

雷鋒網配圖

如果蘋果逼近極限的程度達到 90% 以上的水平,那麼第二代 Touch ID 無疑將大幅度提高安全性和使用體驗。這本值得大肆渲染,但宣布第二代有安全性的提升等於公布第一代有安全性的不足,所以蘋果乾脆只用「更快」來大而化之,絕口不提「更大」一事。

這是第二代 Touch ID 上蘋果的考量。

實體 Home 鍵限制了晶片尺寸最大為實體鍵內壁的內接矩形,當晶片尺寸不可擴大時,像素陣列尺寸取決於布局效率。下圖左是 iPhone 5s 的 Touch ID 1.0,88×88 像素陣列; 下圖右是 iPhone 6s 的 Touch ID 2.0,96×112 像素陣列。可以看到布局有了非常大的改變。

雷鋒網配圖

但對比「中國產 Touch ID」在同樣尺寸晶片上做到 120×120 像素陣列,蘋果的設計實在太平庸。

雷鋒網配圖

況且,Touch ID 2.0 在布局效率上的有限提升並不是自主創新,而是借鑑了「中國產 TouchID」的專利技術:基於專利 CN201510230871.1 披露的模組結構,得以使用 TSV 封裝;基於 TSV 封裝透過矽穿孔節省了晶片正面打線空間(Touch ID 1.0 左右側的黑區),才有面積用於布局像素。

雷鋒網配圖

但蘋果之所以是蘋果,在於當技術競爭進入瓶頸時能夠神來一筆。進一步擴大指紋感應器的面積必須突破實體按鍵的空間限制,所以 iPhone 7 plus 採取「Under Glass」方案:把電容指紋感應器放置在蓋板玻璃下面,穿透蓋板玻璃讀取指紋,就使指紋感應器晶片尺寸不再受按鍵大小的局限。

雷鋒網配圖
雷鋒網配圖

使電容指紋感應器穿透厚介質的設想最早見於蘋果公司 2010 年 10 月 8 日申請的美國專利「method and apparatus for sensing」,其中國專利申請 CN201180055850.6 於 2011 年 10 月 7 日提交,附圖披露了電容指紋感應器圖像響應介質厚度增加,和指紋脊線周期減小時的指數階衰減效應:

雷鋒網配圖

透過對電場物理規律的研究,蘋果公司發現要想穿透 300um 至 400um 厚度的介質,電容信號將衰減成百上千倍,指紋越細衰減越厲害。所以我們從未見做為技術領先者之一的蘋果公司宣稱過什麼 700um 穿透,倒是一些同行混淆了電容值和電容信號,以為大小和距離成反比,簡直貽笑大方。

為了達到夠高的靈敏度來測量急劇衰減的電容信號,首先要收購一家最厲害的公司。於是蘋果在 2012 年買下了 Authentec,獲得了 RF 型指紋感應器技術的獨佔權和全行業絕大部分電容式指紋感應器專利。

雷鋒網配圖

其次要大幅度提高原有技術水平,例如採用 CN201180055850.6 披露的差分圖像合成技術:用專門設計的電路分別採集豎差分圖像和橫差分圖像,再軟體合成為指紋圖像。

再使用 CN201310224334.2 披露的電感升壓高壓驅動技術,對感應器的地電位進行驅動,相當於在感應器參考系裡包括人體在內的絕對大地電位受到驅動,進而超越了外置金屬環的驅動電壓上限:

雷鋒網配圖

這才有了 Touch ID 1.0 在 2013 年的橫空出世。

缺點是感應器面積有點小,安全性不足。於是 Touch ID 2.0 靠借鑑了「中國產 Touch ID」的設計方案得到了一小步提升,終於 Touch ID 3.0 重新在技術上領先。

做為「中國產 Touch ID」的設計師,我與 Touch ID 設計師 Setlak 之間你追我趕共同引領技術發展的過程中,隔空溝通方式就這麼奇妙。例如 Touch ID 1.0 厚度 1.2mm,中國產 Touch ID 改進了結構設計,降低厚度至 1.1mm;Touch ID 2.0 照搬結構設計,就非要再降低厚度至 1.06mm。儘管在技術競賽中略為落後,但這是因為我白手起家,比不上 Setlak 背靠大樹。實際上在 2015 年我就小範圍發布了 Under Glass 工程樣機,只不過蘋果以外的手機品牌都安於追隨蘋果,不敢領先。從這個角度看,把 Authentec 賣給蘋果,從 Setlak 做為設計師希望新技術率先得到應用的角度講,又是極為正確的。

言歸正傳,電容指紋感應器技術再好,靈敏度再怎麼高,也擋不住介質厚度提升時訊號的指數衰減效應。一方面玻璃越厚結構強度越好,另一方面指紋辨識要求玻璃越薄越好,這就需要確定妥協點。先知先覺的蘋果大神早在 2013 年就在專利中公布了玻璃可以減薄到 250um,在量產時需高於這個數值,達到 300um 以上,但也不宜超過 400um。

iPhone 7 的 Touch ID 設計採用了把蓋板玻璃正面先局部減薄再化學強化的製程,既降低了 Touch ID 的覆蓋介質厚度,又為使用者提供了觸覺引導的凹槽;尤其重要的是平坦的底面使晶片尺寸不再受到限制,可以把感應器像素陣列做得和凹槽一樣大,以保障指紋辨識的安全性。

為進一步改善虛擬按鍵的使用體驗,還可以透過引入 Force Touch 提供震動反饋,使手感無限逼近實體按鍵。

在做了這麼多工作以後,Touch ID 的晶片終於不受實體按鍵外框的限制,可以把 Sensor 區域做到虛擬按鍵區域的內接正方形那麼大,也沒有降低按鍵的手感。

雷鋒網配圖

但是,與其這麼麻煩,直接上「中國產 Touch ID」不就一步到位了嗎?

蘋果是否會在 iPhone 7 plus 上使用虛擬 home 鍵還不可知,等待 8 日凌晨發表會揭曉吧(編按:已確認採用虛擬 home 鍵了)。

註:本文作者 dragondevil,Microarray 首席科學家、電子和軟體設計師。本文相關人物 Setlak,Authentec 創始人和主要技術發明人、Touch ID 設計者、CQT 技術路線以外所有商用電容式指紋感應器所基於的技術原理的發現者。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:Flickr/Kārlis Dambrāns CC BY 2.0) 

關鍵字: , , ,

發表迴響