Procesul de realizare a unui senzor de amprentă pe ecran
Dezvoltarea tehnologiei smartphone-urilor în ultimul deceniu nu s-a concentrat doar pe îmbunătățirile camerei și ale performanței, ci și pe modul în care utilizatorii interacționează cu dispozitivul. Una dintre cele mai importante inovații este prezența senzorilor de amprentă încorporați în ecran. În timp ce senzorii de amprentă erau anterior plasați în general pe butonul de pornire, pe spate sau pe lateralul carcasei, multe telefoane moderne îi au acum încorporați direct sub ecran. Această tehnologie permite un design pe tot ecranul (margini subțiri), oferind în același timp securitate biometrică practică. Așadar, cum este exact procesul de creare a unui senzor de amprentă încorporat în ecran? Acest articol discută despre tehnologie, producție și testarea calității.
1. Înțelegeți principiul de funcționare al senzorului de amprentă de pe ecran
Înainte de a intra în procesul de fabricație, este important să înțelegem cele două tipuri principale de senzori de amprentă încorporați în ecran:
1. Optic (optic)
Acest senzor funcționează ca o „cameră minusculă” în spatele ecranului. Când un deget atinge zona senzorului, ecranul emite lumină (de obicei de la un panou OLED/AMOLED), iar senzorul captează apoi modelul amprentei reflectate. Acest model este apoi procesat în date biometrice.
2. Ultrasunete
Senzorii cu ultrasunete utilizează unde sonore de înaltă frecvență pentru a „cartografia” contururile unei amprente digitale. Această metodă poate citi mai profund, inclusiv detalii despre textura pielii, fiind de obicei mai precisă și mai greu de păcălit decât senzorii optici.
Fiecare tehnologie are consecințe asupra procesului de fabricație: senzorii optici tind să fie mai simpli și mai ieftini, în timp ce ultrasunetele necesită componente și calibrare mai complexe.
2. Faza de proiectare: Definirea specificațiilor și integrarea
Procesul de fabricație începe cu mult înainte ca o fabrică să producă o componentă. În timpul fazei de proiectare și inginerie, producătorul dispozitivului (OEM) colaborează cu furnizorul senzorului pentru a defini specificații precum:
– Dimensiunea și grosimea modulului senzor
– Zonă de scanare activă (de exemplu, 8×8 mm sau mai lată)
– Viteza de citire și nivelul de precizie
– Consum de energie
– Amplasarea senzorului sub ecran (de obicei, în partea de jos, în centru)
– Compatibilitate cu tipurile de ecrane (OLED/AMOLED sunt mai comune deoarece pot emite lumină per pixel)
În această etapă, se ia în considerare și modul în care senzorul va fi conectat la placa de bază, cum va fi amplasat cablul flexibil și cum va procesa software-ul în siguranță datele amprentelor digitale.
3. Fabricarea modulelor senzoriale: De la napolitană la cip
Atât senzorii optici, cât și cei cu ultrasunete încep de obicei cu procesul de fabricație a semiconductorilor. Etapele tipice includ:
1. Fabricație pe plachetă (realizarea circuitelor pe plachetă de siliciu)
Turnătoriile de semiconductori imprimă microcircuite folosind fotolitografia. Modelele de circuite sunt create strat cu strat folosind tehnici de depunere, gravare și implantare ionică.
2. Tăierea napolitanelor în cuburi (așchii)
Odată ce placheta este gata, aceasta este tăiată în așchii mici, în funcție de dimensiunea senzorului.
3. Ambalare (ambalare cu cip)
Cipul este apoi „înfășurat” pentru a-l proteja și a facilita instalarea în dispozitiv. În această etapă, conexiunile electrice se realizează prin lipire cu fir sau prin flip-chip, în funcție de design. Ambalajul determină, de asemenea, rezistența la căldură, presiune și durata de viață.
Pentru senzorii cu ultrasunete, modulul poate include elemente de emițător și receptor cu ultrasunete, precum și un circuit de preprocesare a semnalului (front-end). Acest lucru face ca procesul să fie mai complex decât în cazul senzorilor optici, care utilizează adesea un senzor de imagine dedicat și lentile/optică simple sub afișaj.
4. Realizarea stratului optic sau acustic de susținere
Senzorul de amprentă integrat în ecran nu funcționează singur. Necesită un strat de susținere pentru a permite trecerea corectă a semnalului (lumină sau unde ultrasonice).
Pentru senzori optici
Este necesară o „cale optică” adecvată:
– Strat de ghid de lumină sau director de lumină (în anumite modele)
– Microlentilă pentru focalizarea reflexiei amprentei pe senzor
– Material adeziv (OCA/adeziv optic transparent) care menține transparența și reduce distorsiunea
Deoarece senzorul este amplasat sub panou, reflexia captată poate fi atenuată. Prin urmare, designul optic și selecția materialelor trebuie să asigure o imagine clară a amprentei digitale.
Pentru senzori cu ultrasunete
Cel mai important lucru este „calea acustică”:
– Strat capabil să transmită stabil undele ultrasonice
– Adezivi cu caracteristici acustice specifice
– Structură mecanică de susținere, astfel încât presiunea degetelor să nu deterioreze modulul
Orice strat prea absorbant sau reflectorizant va degrada calitatea scanării, așa că controlul materialelor în această etapă este foarte strict.
5. Integrare cu panoul de afișare: Plasare și laminare
Următorul pas crucial este integrarea modulului senzor cu afișajul. Acest proces are loc la fabrica de asamblare a modulelor de afișaj sau pe linia de asamblare a telefonului, în funcție de lanțul de aprovizionare al producătorului.
Etape generale care au loc:
1. Determinarea zonei senzorului pe panou
Pentru senzorii optici, panourile OLED sunt adesea personalizate pentru a asigura caracteristici adecvate de transmisie a luminii în zona senzorului. În unele modele, densitatea pixelilor sau aranjamentul subpixelilor în zona senzorului poate fi optimizat.
2. Amplasarea modulului senzor
Modulele sunt plasate în zone specifice, de obicei folosind dispozitive de precizie pentru a asigura o poziționare precisă. Toleranțele de deplasare pot fi foarte mici, afectând experiența utilizatorului.
3. Laminare
Senzorul și straturile asociate sunt lipite împreună folosind un adeziv special. Procesul de laminare trebuie să evite:
– bule de aer
- praf
– neregularități în grosimea adezivului
Pentru că toate acestea pot reduce precizia citirii amprentelor digitale.
4. Instalarea conectorilor flexibili
Modulul este conectat la placa de bază printr-un cablu flexibil. Acest cablu trebuie să reziste la căldură și presiune din utilizare.
6. Rolul software-ului și al enclavelor de securitate
Senzorii de amprentă nu se referă doar la hardware. Din punct de vedere software, există un proces crucial:
– Crearea unui șablon de amprentă digitală atunci când utilizatorul înregistrează amprenta
– Extragerea caracteristicilor (minuții) din imagini sau hărți cu ultrasunete
– Potrivire rapidă și sigură
– Stocare securizată în hardware de securitate, cum ar fi Trusted Execution Environment (TEE) sau Secure Enclave/element securizat
În producție, firmware-ul senzorului și driverele sistemului de operare trebuie să corespundă caracteristicilor senzorului. Micile diferențe în modul sau panoul de afișare pot necesita parametri de calibrare personalizați.
7. Calibrarea pe linia de producție: Potrivirea hardware-ului și a afișajelor
După instalarea unității, telefonul este calibrat pentru a asigura performanța optimă a senzorului. Aceasta include:
– Calibrați intensitatea luminii (pentru senzorii optici) astfel încât strălucirea ecranului să fie suficientă, dar să nu irosească energie.
– Calibrați amplificarea și zgomotul senzorului astfel încât imaginea să nu fie prea întunecată/prea luminoasă
– Calibrarea presiunii și a semnalului (pentru ultrasunete) astfel încât undele să fie citite în mod consecvent în diferite afecțiuni ale pielii.
– Reglarea algoritmului anti-eroare, cum ar fi atunci când degetele sunt ude, uleioase sau ecranul este ușor murdar
Calibrarea se efectuează automat folosind echipamente speciale de testare și software din fabrică, iar rezultatele sunt salvate ca parametri ai dispozitivului.
8. Testarea calității: precizie, durabilitate și consecvență
Înainte de expedierea telefonului, modulul senzor trebuie să treacă o serie de teste, de exemplu:
– Rata de acceptare falsă (FAR): frecvența cu care sistemul acceptă incorect o amprentă care nu este a proprietarului.
– Rata de respingere falsă (FRR): cât de des respinge sistemul amprenta corectă a proprietarului.
– Testați în diverse condiții: degete uscate, ude, transpirate sau prăfuite
– Testarea rezistenței materialului adeziv la schimbări de temperatură, umiditate, presiune repetată și îmbătrânire.
– Test de cădere și torsiune pe dispozitiv pentru a se asigura că modulul nu se deplasează
În plus, producătorii verifică consecvența între unități. Senzorul de amprentă integrat în ecran trebuie să funcționeze uniform pe mii, chiar milioane de unități, în ciuda unor variații minore ale afișajului și componentelor.
9. Provocări majore în crearea unui senzor de amprentă pe ecran
Această tehnologie prezintă câteva provocări unice:
– Semnalul trebuie să pătrundă prin ecran, deci calitatea citirii este sensibilă la materialul și grosimea stratului de acoperire.
– Design subțire: spațiul intern al telefonului este limitat, așadar modulul trebuie să fie foarte compact.
– Costuri de producție: senzorii cu ultrasunete sunt mai scumpi, în timp ce senzorii optici necesită optimizarea ecranului pentru a obține rezultate satisfăcătoare.
– Securitate: trebuie să fie rezistentă la tentativele de contrafacere (spoofing), de exemplu imagini, imprimeuri sau materiale siliconice.
Prin urmare, procesul de fabricație nu se rezumă doar la instalarea senzorilor, ci și la echilibrarea designului, materialelor, software-ului și testării pentru a asigura o experiență rapidă și sigură a utilizatorului.
Concluzie
Procesul de creare a unui senzor de amprentă integrat în ecran este o combinație complexă de fabricație a semiconductorilor, inginerie a materialelor, integrare a panourilor de afișare și dezvoltare de software de securitate. De la fabricarea cipurilor pe o placă de circuit, trecând prin ambalarea modulelor, asamblarea straturilor optice sau acustice, laminarea de precizie sub ecran, până la multiple calibrări și teste de calitate - toate trebuie executate la cele mai înalte standarde. Rezultatul final este o caracteristică biometrică practică, care acceptă designuri moderne de smartphone-uri fără butoane și menține securitatea datelor utilizatorilor.
Dacă doriți, pot crea și o versiune mai tehnică a articolului (de exemplu, discutând în detaliu fotolitografia, OCA sau parametrii FAR/FRR) sau o versiune mai populară pentru cititorii generali.
