詳解iPhone 7為什么將取消實體home鍵：越來越大的Touch ID

雷鋒網按：本文作者dragondevil，Microarray首席科學家，電子和軟件設計師。本文相關人物Setlak，Authentec創始人和主要技術發明人，Touch ID設計者，C-Q-T技術路線以外所有商用電容式指紋傳感器所基于的技術原理的發現者。

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，由于蘋果還未正式發布，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，可能會是什么原因？Touch ID又會有什么變化？

 

（網傳iPhone7與iPhone 7 plus諜照）

與iPhone6 Plus相比，iPhone7 Plus在外觀上并沒有變大，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，在采用了虛擬Home鍵的iPhone7 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：

 

不妨回顧一下此前我給雷鋒網寫的這篇文章：《Touch ID變大！iPhone 6s的Home鍵下面隱藏著什么秘密？》

如果蘋果逼近極限的程度達到90%以上的水平，那么第二代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于公布第一代有安全性的不足，所以蘋果干脆只用“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，像素陣列尺寸取決于布局效率。下圖左是iPhone 5S的Touch ID 1.0，88 x 88像素陣列；下圖右是iPhone 6S的Touch ID 2.0，96 x 112像素陣列。可以看到布局有了非常大的改變。

但對比“國產Touch ID”在同樣尺寸晶片上做到120x120像素陣列，蘋果的設計實在太（ruo）平（bao）庸（le）。

 

況且，Touch ID 2.0在布局效率上的有限提升并不是自主創新，而是借鑒了“國產TouchID”的專利技術：基于專利CN201510230871.1披露的模組結構，得以使用TSV封裝；基于TSV封裝通過硅穿孔節省了晶片正面打線空間（Touch ID 1.0左右側的黑區），才有面積用于布局像素。 

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

 

使電容指紋傳感器穿透厚介質的設想最早見于蘋果公司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于2011年10月7日提交，附圖5披露了電容指紋傳感器圖像響應雖介質厚度增加和指紋脊線周期減小時的指數階衰減效應：

 

通過對電場物理規律的研究，蘋果公司發現要想穿透300um - 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。所以我們從未見作為技術領先者之一的蘋果公司宣稱過什么700um穿透，倒是一些同（wen）行（mang）混淆了電容值和電容信號，以為大小和距離成反比，簡直貽（wu）笑（zhi）大（tou）方（ding）。

為了達到足夠高的靈敏度來測量急劇衰減的電容信號，首先要收購一家最牛逼的公司。于是蘋果在2012年買下了Authentec，獲得了RF型指紋傳感器技術的獨占權和全行業絕大部分電容式指紋傳感器專利。

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

再使用CN201310224334.2披露的電感升壓高壓驅動技術，對傳感器的地電位進行驅動，相當于在傳感器參考系里包括人體在內的絕對大地電位受到驅動，從而超越了外置金屬環的驅動電壓上限：

 

這才有了Touch ID 1.0在2013年的橫空出世。

缺點是傳感器面積有點小，安全性不足。于是Touch ID 2.0靠借（chao）鑒（xi）了“國產Touch ID”的設計方案得到了一小步提升。終于Touch ID 3.0重新在技術上領先。

作為“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，隔空溝通方式就這么奇（dou）妙（bi）。例如Touch ID 1.0厚度1.2mm，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。盡管在技術競賽中略為落后，但這是因為我白手起家，比不上Setlak背靠大樹。實際上在2015年我就小范圍發布了Under Glass工程樣機，只不過蘋果以外的手機品牌都安于追隨蘋果，不敢領先。從這個角度看，把Authentec賣給蘋果，從Setlak作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，電容指紋傳感器技術再好，靈敏度再怎么高，也擋不住介質厚度提升時信號的指數衰減效應。一方面玻璃越厚結構強度越好，另一方面指紋識別要求玻璃越薄越好，這就需要確定妥協點。先（re）知（ai）先（yan）覺（jiu）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，在量產時須高于這個數值，達到300um以上，但也不宜超過400um。

iPhone 7的Touch ID設計采用了把蓋板玻璃正面先局部減薄再化學強化的工藝，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，可以把傳感器像素陣列做得和凹槽一樣大，以保障指紋識別的安全性。

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

在做了這么多工作以后，Touch ID的晶片終于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么大，也沒有降低按鍵的手感。

但是，與其這么麻煩，直接上“國產Touch ID”不就一步到位了么？

蘋果是否會在iPhone 7 plus上使用虛擬home鍵還未可知，等待8號凌晨發布會揭曉吧。

雷鋒網注：雷鋒網獨家文章，轉載請聯系授權并保留出處和作者，不得刪減內容。

雷峰網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。