El procés de fabricació d'un sensor d'empremtes dactilars en pantalla
El desenvolupament de la tecnologia dels telèfons intel·ligents en l'última dècada no només s'ha centrat en les millores de la càmera i el rendiment, sinó també en com els usuaris interactuen amb el dispositiu. Una de les innovacions més destacades és la presència de sensors d'empremtes dactilars integrats a la pantalla. Mentre que abans els sensors d'empremtes dactilars es col·locaven generalment al botó d'inici, a la part posterior o al lateral del cos, molts telèfons moderns ara els tenen integrats directament sota la pantalla. Aquesta tecnologia permet un disseny de pantalla completa (marcs prims) alhora que proporciona una seguretat biomètrica pràctica. Aleshores, com és exactament el procés de creació d'un sensor d'empremtes dactilars integrat a la pantalla? Aquest article tracta la tecnologia, la producció i les proves de qualitat.
1. Comprendre el principi de funcionament del sensor d'empremtes dactilars a la pantalla
Abans d'entrar en el procés de fabricació, és important entendre els dos tipus principals de sensors d'empremtes dactilars en pantalla:
1. Òptic (òptic)
Aquest sensor funciona com una "càmera petita" darrere la pantalla. Quan un dit toca la zona del sensor, la pantalla emet llum (normalment d'un panell OLED/AMOLED) i el sensor captura el patró de l'empremta digital reflectida. Aquest patró es processa en dades biomètriques.
2. Ultrasons
Els sensors ultrasònics utilitzen ones sonores d'alta freqüència per "mapejar" els contorns d'una empremta digital. Aquest mètode pot llegir més a fons, inclosos detalls de la textura de la pell, cosa que el fa normalment més precís i difícil d'enganyar que els sensors òptics.
Cada tecnologia té conseqüències per al procés de fabricació: els sensors òptics tendeixen a ser més senzills i econòmics, mentre que els ultrasons requereixen components i calibratges més complexos.
2. Fase de disseny: definició d'especificacions i integració
El procés de fabricació comença molt abans que una fàbrica produeixi un component. Durant la fase de disseny i enginyeria, els fabricants de dispositius (OEM) treballen amb els proveïdors de sensors per definir especificacions com ara:
– Mida i gruix del mòdul sensor
– Àrea d'escaneig activa (per exemple, 8 × 8 mm o més ampla)
– Velocitat de lectura i nivell de precisió
– Consum d'energia
– Ubicació del sensor sota la pantalla (normalment a la part inferior central)
– Compatibilitat amb els tipus de panells de pantalla (OLED/AMOLED són més comuns perquè poden emetre llum per píxel)
En aquesta fase, també es té en compte com es connectarà el sensor a la placa base, com es disposarà el cable flexible i com el programari processarà de manera segura les dades d'empremtes dactilars.
3. Fabricació de mòduls de sensors: de l'oblia al xip
Tant els sensors òptics com els ultrasònics solen començar amb el procés de fabricació de semiconductors. Els passos típics inclouen:
1. Fabricació en oblia (circuits en oblia de silici)
Les foneries de semiconductors imprimeixen microcircuits mitjançant fotolitografia. Els patrons de circuits es creen capa per capa mitjançant tècniques de deposició, gravat i implantació d'ions.
2. Tallar a daus (tallar les oblies en xips)
Un cop acabada la làmina, es talla en petits fragments segons la mida del sensor.
3. Embalatge (embalatge de xips)
El xip s'"embolica" per protegir-lo i facilitar la instal·lació al dispositiu. En aquesta etapa, les connexions elèctriques es fan mitjançant unió de cables o flip-chip, segons el disseny. L'embalatge també determina la resistència a la calor, la pressió i la vida útil.
Per als sensors ultrasònics, el mòdul pot incloure elements transmissors i receptors ultrasònics, així com un circuit de preprocessament de senyals (front-end). Això fa que el procés sigui més complex que el dels sensors òptics, que sovint utilitzen un sensor d'imatge dedicat i lents/òptiques simples sota la pantalla.
4. Fabricació de la capa òptica o acústica de suport
El sensor d'empremtes dactilars en pantalla no funciona sol. Requereix una capa de suport per permetre que el senyal (llum o ones ultrasòniques) el travessi correctament.
Per a sensors òptics
Cal una "ruta òptica" adequada:
– Capa guia de llum o directora de llum (en certs dissenys)
– Microlent per enfocar el reflex de l'empremta digital al sensor
– Material adhesiu (OCA/adhesiu transparent òptic) que manté la transparència i redueix la distorsió
Com que el sensor està situat sota el panell, la reflexió capturada es pot atenuar. Per tant, el disseny òptic i la selecció del material han de garantir una imatge clara de l'empremta digital.
Per a sensors ultrasònics
El més important és el "camí acústic":
– Capa capaç de transmetre ones ultrasòniques de manera estable
– Adhesius amb característiques acústiques específiques
– Estructura de suport mecànic perquè la pressió dels dits no danyi el mòdul
Qualsevol capa massa absorbent o reflectant degradarà la qualitat de l'escaneig, per la qual cosa el control del material en aquesta etapa és molt estricte.
5. Integració amb el panell de visualització: col·locació i laminació
El següent pas crucial és integrar el mòdul del sensor amb la pantalla. Aquest procés té lloc a la planta de muntatge del mòdul de pantalla o a la línia de muntatge del telèfon, depenent de la cadena de subministrament del fabricant.
Passos generals que es produeixen:
1. Determinació de l'àrea del sensor al panell
Per als sensors òptics, els panells OLED sovint es personalitzen per garantir que l'àrea del sensor tingui unes característiques de transmissió de llum adequades. En alguns dissenys, es pot optimitzar la densitat de píxels o la disposició de subpíxels dins de l'àrea del sensor.
2. Col·locació del mòdul sensor
Els mòduls es col·loquen sota zones específiques, normalment utilitzant plantilles de precisió per garantir un posicionament precís. Les toleràncies de desplaçament poden ser molt petites, cosa que afecta l'experiència de l'usuari.
3. Laminació
El sensor i les capes associades s'enganxen amb un adhesiu especial. El procés de laminació ha d'evitar:
– bombolles d'aire
- pols
– irregularitat en el gruix de l'adhesiu
Perquè tot això pot reduir la precisió de la lectura d'empremtes dactilars.
4. Instal·lació de connectors flexibles
El mòdul està connectat a la placa base mitjançant un cable flexible. Aquest cable ha de suportar la calor i la pressió d'ús.
6. El paper del programari i els enclavaments de seguretat
Els sensors d'empremtes dactilars no només tenen a veure amb el maquinari. Pel que fa al programari, hi ha un procés crucial:
– Creació de plantilla d'empremta digital quan l'usuari registra l'empremta digital
– Extracció de característiques (minucies) d'imatges o mapes ultrasònics
– Coincidència ràpida i segura
– Emmagatzematge segur en maquinari de seguretat com ara Trusted Execution Environment (TEE) o Secure Enclave/element segur
En producció, el firmware del sensor i els controladors del sistema operatiu han de coincidir amb les característiques del sensor. Petites diferències en el mòdul o el panell de visualització poden requerir paràmetres de calibratge personalitzats.
7. Calibratge a la línia de producció: conciliació de maquinari i pantalles
Després d'instal·lar la unitat, el telèfon es calibra per garantir un rendiment òptim del sensor. Això inclou:
– Calibreu la intensitat de la llum (per a sensors òptics) de manera que la brillantor de la pantalla sigui suficient però no malgasti energia.
– Calibra el guany i el soroll del sensor de manera que la imatge no sigui massa fosca/massa brillant
– Calibratge de pressió i senyal (per a ultrasons) per tal que les ones es llegeixin de manera consistent en diverses afeccions de la pell.
– Ajust de l'algoritme anti-fallades, com ara quan els dits estan mullats, greixosos o la pantalla està lleugerament bruta
El calibratge es realitza automàticament mitjançant equips de prova especials i programari de fàbrica, i els resultats es desen com a paràmetres del dispositiu.
8. Proves de qualitat: precisió, durabilitat i consistència
Abans d'enviar el telèfon, el mòdul sensor ha de superar una sèrie de proves, per exemple:
– Taxa d'acceptació falsa (FAR): freqüència amb què el sistema accepta incorrectament una empremta digital que no és la del propietari.
– Taxa de rebuig fals (FRR): freqüència amb què el sistema rebutja l'empremta digital correcta del propietari.
– Prova en diverses condicions: dits secs, humits, suats o plens de pols
– Prova de resistència als canvis de temperatura, humitat, pressió repetida i envelliment del material adhesiu.
– Prova de caiguda i torsió del dispositiu per assegurar-se que el mòdul no es desplaça
A més, els fabricants comproven la coherència entre les unitats. El sensor d'empremtes dactilars en pantalla ha de funcionar uniformement en milers, fins i tot milions d'unitats, malgrat les petites variacions a la pantalla i els components.
9. Principals reptes en la creació d'un sensor d'empremtes dactilars en pantalla
Aquesta tecnologia té alguns reptes únics:
– El senyal ha de penetrar la pantalla, de manera que la qualitat de lectura és sensible al material i al gruix del recobriment.
– Disseny prim: l'espai intern del telèfon és limitat, per la qual cosa el mòdul ha de ser molt compacte.
– Costos de producció: els sensors ultrasònics són més cars, mentre que els sensors òptics requereixen una optimització de la pantalla per aconseguir resultats satisfactoris.
– Seguretat: ha de ser resistent als intents de falsificació (spoofing), per exemple, imatges, impressions o materials de silicona.
Per tant, el procés de fabricació no només consisteix a instal·lar sensors, sinó també a equilibrar el disseny, els materials, el programari i les proves per garantir que l'experiència de l'usuari continuï sent ràpida i segura.
Conclusió
El procés de creació d'un sensor d'empremtes dactilars integrat a la pantalla és una combinació complexa de fabricació de semiconductors, enginyeria de materials, integració de panells de visualització i desenvolupament de programari de seguretat. Des de la fabricació de xips en una oblia, passant per l'empaquetament de mòduls, el muntatge de capes òptiques o acústiques, la laminació de precisió sota la pantalla, fins a múltiples calibratges i proves de qualitat, tot s'ha d'executar amb els més alts estàndards. El resultat final és una característica biomètrica que és pràctica, compatible amb dissenys moderns de telèfons intel·ligents sense botons i que manté la seguretat de les dades de l'usuari.
Si ho desitgeu, també puc crear una versió més tècnica de l'article (per exemple, parlant en detall sobre fotolitografia, OCA o paràmetres FAR/FRR) o una versió més popular per a lectors generals.
