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摘 要：随着智能移动设备信息安全需求的提升，指纹识别技术应用普及化并不断适应移动终端的发展。本文重点介绍基于移动终端的指纹识别专利技术演进以及应用于屏下指纹识别的专利技术分析。
关键词：指纹识别 ;移动终端 ;传感器
引言
随着智能终端的普及，移动设备信息安全受到用户的重视。指纹识别技术利用人的指纹的唯一性及稳定性，广泛应用于信息安全、金融安全以及其他身份认证及安全维护等领域，展现出方便、实用、可靠等优势。近年来，得益于集成电路水平的迅速发展，移动终端公司相继推出搭载指纹识别功能的智能移动终端。
本文对基于移动终端的指纹识别技术相关专利进行分析并进行综述性的研究。作者使用CNABS和DWPI数据库作为中国国内申请和全球申请的目标数据库，从相关专利分布及趋势，专利技术的演进对基于移动终端的指纹识别技术进行探究分析。
1、基于移动终端的指纹识别专利申请量分析
指纹识别传感器对指纹图像进行采集，采集到的指纹图像经过预处理后，进行特征点提取，最终与存储在数据库中的特征点进行算法匹配，验证指纹是否有效。指纹识别技术通过数十年的发展，演化出众多技术分支。特别是近年来，应用于移动终端的指纹识别技术需求量陡增，相关公司在该领域有着数量可观的专利申请。
上世纪90年代早期就有搭载指纹识别功能的智能终端问世，而由于精确度不高、用户体验不佳等原因，该技术并没有引起足够重视[1]。全球专利申请量从2012年前后开始迅速的增多，这归因于苹果公司在2013年推出搭载Touch ID指纹识别功能的智能手机iPhone5s，其识别率高，体验佳，开启了指纹识别手机的新潮流。自此，针对于移动终端的指纹识别技术方案不断成熟，识别算法不断优化。维沃、欧珀、华为、三星等多家终端厂商相继推出搭载指纹识别认证功能的手机，使得搭载指纹识别的智能移动终端逐渐普及。
中国国内在移动终端的指纹识别领域研究起步较晚，相较于全球申请量的提升阶段有一定滞后。随着国内智能移动终端的发展，2013年前后，中国相关专利申请量开始大幅度增加，并在2017年左右申请量达到峰值。2018年来该领域专利申请量因人脸识别技术的应用有所下降。目前该领域专利申请量最多的国家是中国，其次是韩国、美国。而申请人中，欧珀公司在基于移动终端的指纹识别领域申请量最高，其次是三星公司。在国内，维沃、努比亚、欧菲、TCL、汇顶、小米等作为国内较为主流的智能终端厂商，在该领域也保有一定的研究实力，具有较强的知识产权意识。而在国外，LG、苹果、镁光、富士通等公司也在基于移动终端的指纹识别领域申请量具有优势。中国在此类高新技术领域的专利申请量中独占鳌头，一方面是因为中国经济的快速发展，国内各企业及研发机构的科研投入加大;另一方面，国内高新技术企业对知识产权意识加强，积极申请专利以保护各项新兴技术。国内各移动终端指纹识别领域的创新研究势头依然强劲。
2、基于移动终端的指纹识别专利技术演进分析
通常主要使用的指纹传感器技术包括光学传感器，电容传感器以及超声波传感器等。
（1） 光学式传感指纹识别
光学式指纹识别是运用光的全反射原理。光源发出的光线入射到玻璃表面，当该玻璃表面放有手指时，指纹脊线与玻璃表面接触，光线在此处被吸收或发生漫反射，在成像元件上显示为暗;而指纹谷线未与玻璃表面接触，光线在此处发生全反射，在成像元件上显示为亮，从而将指转化为灰度指纹图像。
光学式指纹识别的相关专利最早出现于1974年，三菱电机公开了一种基于荧光检测的指纹识别装置。由于其尺寸较大以及成本较高，并未在移动终端领域得到应用。1999年韩国NITGEN公司提出了一种带有内置指纹识别器的信息终端，其将TFT指纹阅读器与传统的信息终端的LCD结合在一起，从而减小便携式电话的尺寸。2013年苹果公司提出一种通过从用户手指反射的红外光返回光检测器实现指纹识别。在早期阶段，我国指纹识别技术较为落后，并无移动终端指纹识别领域的相关申请。直到上世纪90年代前后开始提出相关领域的申请， 2000年专利申请CN1316864A提出了一种指纹识别无按键式新型移动电话及功能控制系统，其技术方案为将指纹识别结合于移动电话中提高安全性能。
（2） 电容式传感指纹识别
电容式传感技术是通过手指与传感器进行接触，利用指纹表面凹凸纹路在接触过程中导致电容变化，根据不同的电容值形成指纹图像信息进而实现指纹信息采集。
1997年的专利申请GB9725571D0提出了包括指纹读出装置的移动电话，通过传感元件的阵列，电容性地感测置于阵列上的个人指纹的隆起线图案，公开了基于电容传感器的移动终端指纹识别技术。2003年的专利申请CN1450489A提出了可应用于笔记本型計算机、个人数字助理及移动电话等便携式电子产品的电容式指纹读取芯片，电容感测元阵列利用DRAM点和分享原理检测指纹的纹峰与纹谷。电容式指纹识别的辉煌期在2014-2017年，在智能手机增速放缓时期，电容式指纹识别技术因其技较为成熟，成本低的特点迅速占领了市场。
（3） 超声波传感指纹识别
超声波传感指纹识别是利用超声波可穿透多种传输介质的特性，通过向手指表面发射超声波脉冲，脉冲在手指表面反射回波至传感器，而指纹的脊线和谷会产生不同的回波信号，根据回波信号的不同即可获取指纹的三维图像信息。
2004年三星提出了一种超声波类指纹传感器，其可以利用MEMS工艺将各元件同时制作成薄膜形状，以便提高指纹鉴定速度，适用于便携终端。2014年专利申请US2014355381A1提出了一种基于硅晶体的MEMS指纹识别系统，压电换能器阵列设置于声匹配层之下，向声匹配层产生入射声波或入射声脉冲，并接收被检测对象的反射声波或声脉冲，与压电换能器阵列电耦合的CMOS，用于接收和处理响应所述反射声波或声脉冲而产生的压电换能器输出。2019年欧珀公司提出了通过信号发射器以相对盖板倾斜的方向朝盖板边缘发射超声波指纹检测信号，并设置指纹感应区，信号感应器固定于盖板远离入射指纹检测信号处，经指纹感应区接收指纹检测信号使得盖板的指纹感应区占比可以增大。
超声波传感由于其优越的穿透力，对手指的干净程度要求较低，可以产生高质量图像，甚至可以识别出渗透到皮肤表面之下的指纹的3D纹理特征，在移动终端指纹识别前景可期。
3、指纹识别在全面屏终端中的应用
屏下指纹识别技术是基于上述技术的应用类技术分支。近年来，全面屏手机的流行对移动设备指纹识别技术提出了新的要求，屏下指纹识别技术将传感器置于屏幕下方，无需设置单独的指纹采集窗，进而大大提高移动终端的屏占比。目前主要集中于光学和超声波指纹传感。
光学屏下指纹识别技术，是将屏下指纹模块设置于有机发光二极管显示面板或传统液晶面板。维沃公司提出了使用OLED显示面板，其中每个像素发光可以单独控制，像素发光照亮指纹后反射到光学识别模块，通过识别转化后的电流信号的强弱判断出指纹的脊和谷实现指纹识别。光学屏下指纹识别兼容OLED屏，成为目前屏下指纹方案的主流。
超声波屏下指纹识别同样在屏下指纹识别领域具有广阔的应用前景。魅族公司提出了将超声波传感器置于屏幕的非显示区域，如手机的四个边框内部，通过多个传感器的协同工作实现指纹识别。苹果公司在2015年提出了用于声学成像系统有源传感元件，该申请将超声波传感器阵列直接置于手机屏幕下方，实现屏下指纹识别。
总结
指纹识别在移动终端中的应用仍处于平稳上升期，在移动终端的信息安全、金融安全等方面是短期内不可取代的核心技术。同时，随着全面屏时代的开启，光学与超声波指纹识别有望成为发展主流。
参考文献：
[1]傅山，潘娟. 移动智能终端生物识别发展与挑战[J]. 移动通信， 2015，39（5）： 13-16.
关键词：指纹识别 ;移动终端 ;传感器
引言
随着智能终端的普及，移动设备信息安全受到用户的重视。指纹识别技术利用人的指纹的唯一性及稳定性，广泛应用于信息安全、金融安全以及其他身份认证及安全维护等领域，展现出方便、实用、可靠等优势。近年来，得益于集成电路水平的迅速发展，移动终端公司相继推出搭载指纹识别功能的智能移动终端。
本文对基于移动终端的指纹识别技术相关专利进行分析并进行综述性的研究。作者使用CNABS和DWPI数据库作为中国国内申请和全球申请的目标数据库，从相关专利分布及趋势，专利技术的演进对基于移动终端的指纹识别技术进行探究分析。
1、基于移动终端的指纹识别专利申请量分析
指纹识别传感器对指纹图像进行采集，采集到的指纹图像经过预处理后，进行特征点提取，最终与存储在数据库中的特征点进行算法匹配，验证指纹是否有效。指纹识别技术通过数十年的发展，演化出众多技术分支。特别是近年来，应用于移动终端的指纹识别技术需求量陡增，相关公司在该领域有着数量可观的专利申请。
上世纪90年代早期就有搭载指纹识别功能的智能终端问世，而由于精确度不高、用户体验不佳等原因，该技术并没有引起足够重视[1]。全球专利申请量从2012年前后开始迅速的增多，这归因于苹果公司在2013年推出搭载Touch ID指纹识别功能的智能手机iPhone5s，其识别率高，体验佳，开启了指纹识别手机的新潮流。自此，针对于移动终端的指纹识别技术方案不断成熟，识别算法不断优化。维沃、欧珀、华为、三星等多家终端厂商相继推出搭载指纹识别认证功能的手机，使得搭载指纹识别的智能移动终端逐渐普及。
中国国内在移动终端的指纹识别领域研究起步较晚，相较于全球申请量的提升阶段有一定滞后。随着国内智能移动终端的发展，2013年前后，中国相关专利申请量开始大幅度增加，并在2017年左右申请量达到峰值。2018年来该领域专利申请量因人脸识别技术的应用有所下降。目前该领域专利申请量最多的国家是中国，其次是韩国、美国。而申请人中，欧珀公司在基于移动终端的指纹识别领域申请量最高，其次是三星公司。在国内，维沃、努比亚、欧菲、TCL、汇顶、小米等作为国内较为主流的智能终端厂商，在该领域也保有一定的研究实力，具有较强的知识产权意识。而在国外，LG、苹果、镁光、富士通等公司也在基于移动终端的指纹识别领域申请量具有优势。中国在此类高新技术领域的专利申请量中独占鳌头，一方面是因为中国经济的快速发展，国内各企业及研发机构的科研投入加大;另一方面，国内高新技术企业对知识产权意识加强，积极申请专利以保护各项新兴技术。国内各移动终端指纹识别领域的创新研究势头依然强劲。
2、基于移动终端的指纹识别专利技术演进分析
通常主要使用的指纹传感器技术包括光学传感器，电容传感器以及超声波传感器等。
（1） 光学式传感指纹识别
光学式指纹识别是运用光的全反射原理。光源发出的光线入射到玻璃表面，当该玻璃表面放有手指时，指纹脊线与玻璃表面接触，光线在此处被吸收或发生漫反射，在成像元件上显示为暗;而指纹谷线未与玻璃表面接触，光线在此处发生全反射，在成像元件上显示为亮，从而将指转化为灰度指纹图像。
光学式指纹识别的相关专利最早出现于1974年，三菱电机公开了一种基于荧光检测的指纹识别装置。由于其尺寸较大以及成本较高，并未在移动终端领域得到应用。1999年韩国NITGEN公司提出了一种带有内置指纹识别器的信息终端，其将TFT指纹阅读器与传统的信息终端的LCD结合在一起，从而减小便携式电话的尺寸。2013年苹果公司提出一种通过从用户手指反射的红外光返回光检测器实现指纹识别。在早期阶段，我国指纹识别技术较为落后，并无移动终端指纹识别领域的相关申请。直到上世纪90年代前后开始提出相关领域的申请， 2000年专利申请CN1316864A提出了一种指纹识别无按键式新型移动电话及功能控制系统，其技术方案为将指纹识别结合于移动电话中提高安全性能。
（2） 电容式传感指纹识别
电容式传感技术是通过手指与传感器进行接触，利用指纹表面凹凸纹路在接触过程中导致电容变化，根据不同的电容值形成指纹图像信息进而实现指纹信息采集。
1997年的专利申请GB9725571D0提出了包括指纹读出装置的移动电话，通过传感元件的阵列，电容性地感测置于阵列上的个人指纹的隆起线图案，公开了基于电容传感器的移动终端指纹识别技术。2003年的专利申请CN1450489A提出了可应用于笔记本型計算机、个人数字助理及移动电话等便携式电子产品的电容式指纹读取芯片，电容感测元阵列利用DRAM点和分享原理检测指纹的纹峰与纹谷。电容式指纹识别的辉煌期在2014-2017年，在智能手机增速放缓时期，电容式指纹识别技术因其技较为成熟，成本低的特点迅速占领了市场。
（3） 超声波传感指纹识别
超声波传感指纹识别是利用超声波可穿透多种传输介质的特性，通过向手指表面发射超声波脉冲，脉冲在手指表面反射回波至传感器，而指纹的脊线和谷会产生不同的回波信号，根据回波信号的不同即可获取指纹的三维图像信息。
2004年三星提出了一种超声波类指纹传感器，其可以利用MEMS工艺将各元件同时制作成薄膜形状，以便提高指纹鉴定速度，适用于便携终端。2014年专利申请US2014355381A1提出了一种基于硅晶体的MEMS指纹识别系统，压电换能器阵列设置于声匹配层之下，向声匹配层产生入射声波或入射声脉冲，并接收被检测对象的反射声波或声脉冲，与压电换能器阵列电耦合的CMOS，用于接收和处理响应所述反射声波或声脉冲而产生的压电换能器输出。2019年欧珀公司提出了通过信号发射器以相对盖板倾斜的方向朝盖板边缘发射超声波指纹检测信号，并设置指纹感应区，信号感应器固定于盖板远离入射指纹检测信号处，经指纹感应区接收指纹检测信号使得盖板的指纹感应区占比可以增大。
超声波传感由于其优越的穿透力，对手指的干净程度要求较低，可以产生高质量图像，甚至可以识别出渗透到皮肤表面之下的指纹的3D纹理特征，在移动终端指纹识别前景可期。
3、指纹识别在全面屏终端中的应用
屏下指纹识别技术是基于上述技术的应用类技术分支。近年来，全面屏手机的流行对移动设备指纹识别技术提出了新的要求，屏下指纹识别技术将传感器置于屏幕下方，无需设置单独的指纹采集窗，进而大大提高移动终端的屏占比。目前主要集中于光学和超声波指纹传感。
光学屏下指纹识别技术，是将屏下指纹模块设置于有机发光二极管显示面板或传统液晶面板。维沃公司提出了使用OLED显示面板，其中每个像素发光可以单独控制，像素发光照亮指纹后反射到光学识别模块，通过识别转化后的电流信号的强弱判断出指纹的脊和谷实现指纹识别。光学屏下指纹识别兼容OLED屏，成为目前屏下指纹方案的主流。
超声波屏下指纹识别同样在屏下指纹识别领域具有广阔的应用前景。魅族公司提出了将超声波传感器置于屏幕的非显示区域，如手机的四个边框内部，通过多个传感器的协同工作实现指纹识别。苹果公司在2015年提出了用于声学成像系统有源传感元件，该申请将超声波传感器阵列直接置于手机屏幕下方，实现屏下指纹识别。
总结
指纹识别在移动终端中的应用仍处于平稳上升期，在移动终端的信息安全、金融安全等方面是短期内不可取代的核心技术。同时，随着全面屏时代的开启，光学与超声波指纹识别有望成为发展主流。
参考文献：
[1]傅山，潘娟. 移动智能终端生物识别发展与挑战[J]. 移动通信， 2015，39（5）： 13-16.