I

Smartphones med fingeravtryckssensorer har översvämmat marknaden men det har inte gått länge sedan dessa sensorer började göra det till smartphones inom budgetområdet. Dessa sensorer har blivit snabbare och säkrare på senare tid. Som ett resultat används dessa sensorer främst för smarttelefonsäkerhet idag.

Den genomtänkta konkurrensen inom smarttelefonindustrin och den utvecklade tekniken har fått oss in i den fasen, där vi stöter på en ny innovation varannan dag. Fingeravtryckssensorer har också kommit långt borta, med det aktuella motordet som fingeravtryckssensorer på skärmen. Smartphone-tillverkare som Xiaomi, Realme och Oppo har sett till att tekniken inte bara är begränsad till flaggskeppsenheter.

Nya enheter som Realme X, Redmi K20 och OPPO K3 erbjuder fingeravtrycksskannrar i displayen till ett pris som är svårt att smälta. Med allt detta i åtanke, låt oss ta reda på vad som är denna fingeravtryckssensorteknologi på skärmen och hur den fungerar.

Historia

Låt oss börja från början när allt började. Att dyka in i fingeravtrycksläsarens historia på mobila enheter tar oss till ' Pantech GI100 ', som lanserades 2004. Enheten var utrustad med en fingeravtrycksläsare, den första i sitt slag. Nästa enheter som följer trenden " G900 och G500 " kom från Toshiba 2007. Senare gick tillverkare som HTC, Acer och Motorola med i sina respektive enheter. Även Apple gick med i festen 2013 med att iPhone 5s fick en fingeravtryckssensor. Den Cupertino-baserade jätten som ringde fortsatte med att kalla det Touch ID. Sedan dess har fingeravtryckssensorteknologier genomgått några stora förändringar.

Teknikentusiaster kanske vet att det finns tre olika tekniker för autentisering av fingeravtryck i aktion. Men fingeravtryckstekniken på skärmen drar för närvarande bara nytta av de två.

Innan vi går in i helheten kan vi förstå den grundläggande tekniken i verk bakom. Alla fingeravtryckssensorer fungerar genom att spåra de unika spårkanterna och linjerna på fingrarna. Olika tekniker kan dock vara på jobbet i denna spårningsprocess inklusive optisk skanning, kapacitiv skanning eller ultraljudsskanning.

Typer av fingeravtrycksläsare

1. Optiska skannrar (används i fingeravtryckssensorer på skärmen)
2. Ultraljudscannrar (används i fingeravtrycksläsare på skärmen)
3. Kapacitiva skannrar

Visade optiska skannrar

Optiska skannrar har funnits ganska länge nu och är de äldsta metoderna för fingeravtrycksautentisering. Men optiska sensorer på displayen är relativt nya för smartphones. Vivo Apex, en konceptenhet som ställdes upp på MWC 2018 vände många huvuden i smartphone-industrin. Enheten innehöll 'CLEAR ID 9500', en optisk fingeravtryckssensor utvecklad av Synaptics, den USA-baserade sensortillverkaren. Det kom senare till konsumenterna i en ny enhet som heter 'Vivo X20 Plus UD'. Den nya designen antogs snart av företag som OPPO, Samsung, Huawei och mer. Det mesta av fingeravtryckssensorn vi ser är optisk fingeravtryckssensor och de kan enkelt kopplas ihop med Arduino, Raspberry pi och andra mikrokontroller.

Arbeta med optisk fingeravtryckssensor

Tekniken bygger på att fånga en bild av ditt fingeravtryck och analysera vidare om det aktuella fingeravtrycket matchar den sparade bilden. En laddningskopplad enhet (CCD) sitter i hjärtat av en optisk sensor, samma sensor som används i digitalkameror och videokameror. För folk som inte är medvetna är en CCD en uppsättning ljuskänsliga dioder som kallas fotosites, som genererar elektriska signaler som svar på ljusfotoner.

Så snart du placerar fingret på sensorn tänds en rad ljusdioder (LED) för att belysa åsarna och luckorna och en CCD-kamera tar snabbt en bild av samma. CCD-systemet genererar en inverterad bild av fingret, med mörkare områden som representerar mer reflekterat ljus (fingrarna) och ljusare områden representerar mindre reflekterat ljus (dalarna mellan åsarna). Den tagna bilden jämförs sedan med den lagrade bilden.

De optiska sensorerna är lätta att lura då tekniken som används tar en 2D-bild och en bild av god kvalitet kan möjligen genombringa denna säkerhet. Det är värt att notera att tekniken endast fungerar med OLED-skärmar, där det finns luckor i bakplanet. Inledningsvis var fingeravtryckssensorer på skärmen inte lika pålitliga och snabba som de är nu. Men saker och ting har förändrats till förmån för dessa sensorer på senare tid.

Ultraljudsskannrar på displayen

Ultraljudsgivare är de senaste fingeravtrycksteknikerna som används. Som namnet antyder använder dessa sensorer högfrekvent ultraljud för att kartlägga ditt fingeravtryck. Samsung samarbetade med Qualcomm för att ta med den första enheten med en ultraljudssensor för fingeravtryck i displayen 'Galaxy S10 / S10 +. Enheten var också den första med Qualcomms 3D Sonic-sensor som är en iteration av Sense ID.

Qualcomms senaste ultraljudsteknik fungerar genom glas som är upp till 800 mikron tjocka. Företaget hävdar en latens på 250 millisekunder för upplåsning vilket är nära vad en kapacitiv fingeravtrycksskanner kan uppnå.

Arbeta med ultraljud fingeravtryckssensor

Maskinvaran på dessa skannrar består av en ultraljudssändare och mottagare. Skanningsprocessen börjar så snart en fingertopp placeras på sensorn. En ultraljudspuls överförs av sändaren som kolliderar med åsarna och dalarna på fingertoppen, en del av pulstrycket absorberas och en del av det studsas tillbaka till sensorn. Mängden absorption och studs av pulsen varierar med olika fingeravtryck. Genom att gå vidare används en sensor som kan detektera mekanisk spänning för att beräkna intensiteten för den återgående ultraljudspulsen vid olika punkter på skannern. Dessa skannrar får detaljerad detaljerad information, vilket resulterar i en detaljerad 3D-replika av det skannade fingeravtrycket.

Eftersom dessa skannrar ligger under skärmen. Vågorna från ultraljudssensorer måste färdas genom bildskärmens bakplan, glas och skyddshölje innan du når fingret. Därför ser tillverkarna till att glaset som används för visning inte är för tjockt. Med detta sagt rekommenderas det att du inte lägger till extra skydd, till exempel ett skärmskydd, vilket kan förhindra att denna teknik fungerar korrekt.

Inte många enheter har en ultraljudssensor som är den dyraste tillgängliga tekniken. Flaggskeppsenheter som Samsung Galaxy S10 / 10 + är utrustade med en ultraljudssensor. Det finns dock fortfarande lite tid innan vi ser den här tekniken tränga in i budgetsegmentet.

Kapacitiva skannrar

Kapacitiva sensorer är de mest använda sensorerna idag och finns på alla andra enheter som du stöter på. Dessa sensorer använder kondensatorer som kärnkomponent, vilket är en elektronisk komponent som används för att lagra elektrisk energi. Tekniken används för närvarande inte för fingeravtrycksscanning på skärmen.

Funktion av kapacitiv fingeravtryckssensor

Även dessa sensorer skannar åsar och dalar på fingeravtryck. I det här fallet används dock elektrisk ström för att samla in data istället för ljus. En rad kondensatorer är placerade under skanningsytan för att samla in fingeravtrycksdetaljer. När en fingertopp placeras på avsökningsytan ändras laddningen som lagras på kondensatorn. Denna laddningsskillnad spåras av en op-amp-integratorkrets som registreras ytterligare av en analog-till-digital-omvandlare.

De fångade uppgifterna används för autentisering. Det är värt att notera att kapacitiva sensorer ökar med ökningen av antalet kondensatorer. Dessa skannrar erbjuder bättre säkerhet är snabbt och vansinnigt svårt att luras. Kapacitiva sensorer är dyrare jämfört med optiska och användes endast i flaggskeppsenheter då. Dessutom är detta 2019 och kapacitiva sensorer har trängt igenom alla segment inom smartphone-industrin. Kapacitiva pekplattor är billiga och kan enkelt integreras med vilken enhet som helst.

Algoritm och kryptografi

Skanning är bara hälften av processen, efter att ha sagt att det är viktigt att lagra data på en säker plats. För denna process läggs en dedikerad IC till sensorn som behandlar tolkning av skannad data och vidare sändning till processorn. Den säkra platsen är oåtkomlig och till och med förankring kan inte hjälpa till att bryta sig in. Varje tillverkare har olika sätt och använder olika algoritmer för att identifiera viktiga fingeravtrycksegenskaper. Generellt sett letar dessa algoritmer efter mycket specifika funktioner som kallas minutiae, där linjerna i ditt fingeravtryck slutar eller delas i två. Därför kan skannern matcha dessa detaljer istället för att skanna hela fingeravtrycket igen. Vilket gör hela processen lite snabbare.

För att gå vidare har dessa sensortillverkare separata system för lagring. ARM använder Trusted Execution Environment (TEE) -baserad TrustZone-teknik som lagrar data på en säker plats i huvudprocessorn. Qualcomm på andra sidan använder Qualcomm Secure Execution Environment (QSEE) för att säkra privata krypteringsnycklar och lösenord. Dessa system kan ha olika namn men alla har ett gemensamt mål som är att skydda data.

Vilket är bättre optiskt eller ultraljud?

Ultraljudsskannrar är naturligtvis bättre eftersom de drar nytta av 3D-skanningsprocessen, medan optiska skannrar bara kan 2D-skanning som nämnts tidigare. Förutom dessa är ultraljudssensorer extremt små i storlek, Qualcomms senaste 3D-soniska sensor mäter bara 0,2 mm. Den lilla formfaktorn för dessa sensorer möter det nuvarande behovet av smala och ramlösa apparater. När vi går vidare påverkas inte dessa sensorer av damm, fett eller våta händer.

Det finns dock inte många enheter som använder ultraljudssensorer och det har helt att göra med tillverkningskostnader. Dessa sensorer är kostsamma och finns bara tillgängliga på utvalda enheter från nu av.

Vilka är de senaste enheterna med fingeravtrycksläsare på skärmen?

Nu när du är medveten om den nuvarande tekniken och deras funktion. Det skulle vara ännu bättre om du känner till de senaste enheterna med fingeravtryckssensorer på displayen och deras typ.

Enheter med optiska bildskannrar	Enheter med ultraljudsskannrar
Redmi K20 / k20 Pro	Samsung Galaxy S10 / S10 +
Realme X
One Plus 7/7 Pro
OPPO K3
Samsung Galaxy A50 / A70 / A80
OPPO K1
Vivo V15 Pro
One Plus 6T
Huawei P30 Pro
Xiaomi Mi 9