詳解iPhone 7為什么將取消實(shí)體home鍵：越來(lái)越大的Touch ID

雷鋒網(wǎng)按：本文作者dragondevil，Microarray首席科學(xué)家，電子和軟件設(shè)計(jì)師。本文相關(guān)人物Setlak，Authentec創(chuàng)始人和主要技術(shù)發(fā)明人，Touch ID設(shè)計(jì)者，C-Q-T技術(shù)路線以外所有商用電容式指紋傳感器所基于的技術(shù)原理的發(fā)現(xiàn)者。

傳聞iPhone 7則將延用實(shí)體Home鍵，而虛擬Home鍵或?qū)⒂迷趇Phone 7 Plus上，由于蘋果還未正式發(fā)布，所以本文只是根據(jù)作者拿到的樣板機(jī)進(jìn)行推測(cè)：如果iPhone 7 Plus上了虛擬Home鍵，可能會(huì)是什么原因？Touch ID又會(huì)有什么變化？

 

（網(wǎng)傳iPhone7與iPhone 7 plus諜照）

與iPhone6 Plus相比，iPhone7 Plus在外觀上并沒(méi)有變大，而iPhone 6 Plus上的實(shí)體Home鍵限制了晶片尺寸最大為實(shí)體鍵內(nèi)壁的內(nèi)接矩形，所以，在采用了虛擬Home鍵的iPhone7 Plus上則進(jìn)一步擴(kuò)大了Touch ID的面積。

和iPhone 6S Plus比，iPhone 7 Plus沒(méi)有長(zhǎng)大，但Touch ID繼續(xù)長(zhǎng)大：

 

不妨回顧一下此前我給雷鋒網(wǎng)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(dá)到90%以上的水平，那么第二代Touch ID無(wú)疑將大幅度提高安全性和使用體驗(yàn)。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(lái)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(shí)體Home鍵限制了晶片尺寸最大為實(shí)體鍵內(nèi)壁的內(nèi)接矩形，當(dāng)晶片尺寸不可擴(kuò)大時(shí)，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(duì)比“國(guó)產(chǎn)Touch ID”在同樣尺寸晶片上做到120x120像素陣列，蘋果的設(shè)計(jì)實(shí)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(chuàng)新，而是借鑒了“國(guó)產(chǎn)TouchID”的專利技術(shù)：基于專利CN201510230871.1披露的模組結(jié)構(gòu)，得以使用TSV封裝；基于TSV封裝通過(guò)硅穿孔節(jié)省了晶片正面打線空間（Touch ID 1.0左右側(cè)的黑區(qū)），才有面積用于布局像素。 

但蘋果之所以是蘋果，在于當(dāng)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入瓶頸時(shí)能夠神來(lái)一筆。進(jìn)一步擴(kuò)大指紋傳感器的面積必須突破實(shí)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(zhì)的設(shè)想最早見于蘋果公司2010年10月8日申請(qǐng)的美國(guó)專利”method and apparatus for sensing”，其中國(guó)專利申請(qǐng)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(yīng)雖介質(zhì)厚度增加和指紋脊線周期減小時(shí)的指數(shù)階衰減效應(yīng)：

 

通過(guò)對(duì)電場(chǎng)物理規(guī)律的研究，蘋果公司發(fā)現(xiàn)要想穿透300um - 400um厚度的介質(zhì)，電容信號(hào)將衰減成百上千倍，指紋越細(xì)衰減越厲害。所以我們從未見作為技術(shù)領(lǐng)先者之一的蘋果公司宣稱過(guò)什么700um穿透，倒是一些同（wen）行（mang）混淆了電容值和電容信號(hào)，以為大小和距離成反比，簡(jiǎn)直貽（wu）笑（zhi）大（tou）方（ding）。

為了達(dá)到足夠高的靈敏度來(lái)測(cè)量急劇衰減的電容信號(hào)，首先要收購(gòu)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(shù)的獨(dú)占權(quán)和全行業(yè)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(shù)水平，例如采用CN201180055850.6披露的差分圖像合成技術(shù)：用專門設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)傳感器的地電位進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于在傳感器參考系里包括人體在內(nèi)的絕對(duì)大地電位受到驅(qū)動(dòng)，從而超越了外置金屬環(huán)的驅(qū)動(dòng)電壓上限：

 

這才有了Touch ID 1.0在2013年的橫空出世。

缺點(diǎn)是傳感器面積有點(diǎn)小，安全性不足。于是Touch ID 2.0靠借（chao）鑒（xi）了“國(guó)產(chǎn)Touch ID”的設(shè)計(jì)方案得到了一小步提升。終于Touch ID 3.0重新在技術(shù)上領(lǐng)先。

作為“國(guó)產(chǎn)Touch ID”的設(shè)計(jì)師，我與Touch ID設(shè)計(jì)師Setlak之間你追我趕共同引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的過(guò)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(guó)產(chǎn)Touch ID改進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低厚度至1.1mm；Touch ID 2.0照搬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就非要再降低厚度至1.06mm。盡管在技術(shù)競(jìng)賽中略為落后，但這是因?yàn)槲野资制鸺遥炔簧蟂etlak背靠大樹。實(shí)際上在2015年我就小范圍發(fā)布了Under Glass工程樣機(jī)，只不過(guò)蘋果以外的手機(jī)品牌都安于追隨蘋果，不敢領(lǐng)先。從這個(gè)角度看，把Authentec賣給蘋果，從Setlak作為設(shè)計(jì)師希望新技術(shù)率先得到應(yīng)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(shù)再好，靈敏度再怎么高，也擋不住介質(zhì)厚度提升時(shí)信號(hào)的指數(shù)衰減效應(yīng)。一方面玻璃越厚結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越好，另一方面指紋識(shí)別要求玻璃越薄越好，這就需要確定妥協(xié)點(diǎn)。先（re）知（ai）先（yan）覺(jué)（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(chǎn)時(shí)須高于這個(gè)數(shù)值，達(dá)到300um以上，但也不宜超過(guò)400um。

iPhone 7的Touch ID設(shè)計(jì)采用了把蓋板玻璃正面先局部減薄再化學(xué)強(qiáng)化的工藝，既降低了Touch ID的覆蓋介質(zhì)厚度，又為使用者提供了觸覺(jué)引導(dǎo)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(shí)別的安全性。

為進(jìn)一步改善虛擬按鍵的使用體驗(yàn)，還可以通過(guò)引入Force Touch提供震動(dòng)反饋，使手感無(wú)限逼近實(shí)體按鍵。

在做了這么多工作以后，Touch ID的晶片終于不受實(shí)體按鍵外框的限制，可以把Sensor區(qū)域做到虛擬按鍵區(qū)域的內(nèi)接正方形那么大，也沒(méi)有降低按鍵的手感。

但是，與其這么麻煩，直接上“國(guó)產(chǎn)Touch ID”不就一步到位了么？

蘋果是否會(huì)在iPhone 7 plus上使用虛擬home鍵還未可知，等待8號(hào)凌晨發(fā)布會(huì)揭曉吧。

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