Postopek izdelave senzorja prstnih odtisov na zaslonu
Razvoj tehnologije pametnih telefonov v zadnjem desetletju se ni osredotočil le na izboljšave kamere in zmogljivosti, temveč tudi na način, kako uporabniki komunicirajo z napravo. Ena najpomembnejših inovacij je prisotnost senzorjev prstnih odtisov v zaslonu. Medtem ko so bili senzorji prstnih odtisov prej običajno nameščeni na gumbu Domov, na zadnji strani ali ob strani ohišja, jih ima veliko sodobnih telefonov zdaj vgrajene neposredno pod zaslon. Ta tehnologija omogoča celozaslonsko zasnovo (tanki okvirji), hkrati pa zagotavlja praktično biometrično varnost. Kako torej natančno poteka postopek izdelave senzorja prstnih odtisov v zaslonu? Ta članek obravnava tehnologijo, proizvodnjo in testiranje kakovosti.
1. Razumevanje načela delovanja senzorja prstnih odtisov na zaslonu
Preden se lotimo proizvodnega procesa, je pomembno razumeti dve glavni vrsti senzorjev prstnih odtisov na zaslonu:
1. Optični (optični)
Ta senzor deluje kot "drobna kamera" za zaslonom. Ko se s prstom dotaknemo območja senzorja, zaslon odda svetlobo (običajno iz OLED/AMOLED zaslona), senzor pa nato zajame odsevni vzorec prstnega odtisa. Ta vzorec se nato obdela v biometrične podatke.
2. Ultrazvok
Ultrazvočni senzorji uporabljajo visokofrekvenčne zvočne valove za "kartiranje" kontur prstnega odtisa. Ta metoda lahko bere globlje, vključno s podrobnostmi o teksturi kože, zaradi česar je običajno natančnejša in težje zavajajoča kot optični senzorji.
Vsaka tehnologija ima posledice za proizvodni proces: optični senzorji so običajno enostavnejši in cenejši, medtem ko ultrazvočni zahtevajo bolj kompleksne komponente in kalibracijo.
2. Faza načrtovanja: Določanje specifikacij in integracija
Proizvodni proces se začne veliko preden tovarna izdela komponento. Med fazo načrtovanja in inženiringa proizvajalci naprav (OEM) sodelujejo s prodajalci senzorjev pri določanju specifikacij, kot so:
– Velikost in debelina senzorskega modula
– Aktivno območje skeniranja (npr. 8 × 8 mm ali širše)
– Hitrost in raven natančnosti branja
– Poraba energije
– Lokacija senzorja pod zaslonom (običajno spodaj na sredini)
– Združljivost z vrstami zaslonov (OLED/AMOLED sta pogostejša, ker lahko oddajata svetlobo na slikovno piko)
Na tej stopnji se upošteva tudi, kako bo senzor priključen na matično ploščo, kako bo razporejen fleksibilni kabel in kako bo programska oprema varno obdelovala podatke o prstnih odtisih.
3. Izdelava senzorskih modulov: od rezine do čipa
Tako optični kot ultrazvočni senzorji se običajno začnejo s postopkom izdelave polprevodnikov. Tipični koraki vključujejo:
1. Izdelava na rezini (izdelava vezij na silicijevi rezini)
Livarne polprevodnikov tiskajo mikrovezja s fotolitografijo. Vzorci vezij se ustvarjajo plast za plastjo z uporabo tehnik nanašanja, jedkanja in ionske implantacije.
2. Rezanje na kocke (rezanje rezin)
Ko je rezina končana, se razreže na majhne koščke glede na velikost senzorja.
3. Embalaža (embalaža čipov)
Čip se nato "ovije", da se zaščiti in olajša namestitev v napravo. Na tej stopnji se električne povezave izvedejo z žičnim spajanjem ali preklopom čipa, odvisno od zasnove. Embalaža določa tudi odpornost na toploto, tlak in življenjsko dobo.
Pri ultrazvočnih senzorjih lahko modul vključuje ultrazvočne oddajne in sprejemne elemente ter vezje za predobdelavo signala (sprednji del). Zaradi tega je postopek bolj zapleten kot pri optičnih senzorjih, ki pogosto uporabljajo namensko slikovno tipalo in preproste leče/optiko pod zaslonom.
4. Izdelava podporne optične ali akustične plasti
Vgrajeni bralnik prstnih odtisov ne deluje sam. Potrebuje podporno plast, ki omogoča pravilen prehod signala (svetlobe ali ultrazvočnih valov).
Za optične senzorje
Potrebna je ustrezna "optična pot":
– Sloj svetlobnega vodnika ali usmerjevalnika svetlobe (pri nekaterih izvedbah)
– Mikro leča za fokusiranje odboja prstnega odtisa na senzor
– Lepilni material (OCA/optično prozorno lepilo), ki ohranja prosojnost in zmanjšuje popačenje
Ker se senzor nahaja pod ploščo, se lahko zajeti odboj zmanjša. Zato morata optična zasnova in izbira materiala zagotoviti jasno sliko prstnega odtisa.
Za ultrazvočne senzorje
Najpomembnejša stvar je "akustična pot":
– Plast, ki lahko stabilno prenaša ultrazvočne valove
– Lepila s specifičnimi akustičnimi lastnostmi
– Mehanska podporna struktura, ki preprečuje, da bi pritisk prstov poškodoval modul
Vsaka plast, ki je preveč vpojna ali odsevna, bo poslabšala kakovost skeniranja, zato je nadzor materiala na tej stopnji zelo strog.
5. Integracija s prikazovalno ploščo: namestitev in laminacija
Naslednji ključni korak je integracija senzorskega modula z zaslonom. Ta postopek poteka v obratu za sestavljanje zaslonskih modulov ali na montažni liniji telefonov, odvisno od dobavne verige proizvajalca.
Splošni koraki, ki se zgodijo:
1. Določanje območja senzorja na plošči
Pri optičnih senzorjih so OLED plošče pogosto prilagojene tako, da se zagotovijo ustrezne lastnosti prenosa svetlobe na območju senzorja. Pri nekaterih izvedbah je mogoče optimizirati gostoto slikovnih pik ali razporeditev podslikovnih pik znotraj območja senzorja.
2. Namestitev senzorskega modula
Moduli so nameščeni pod določenimi območji, običajno z uporabo preciznih šablon za zagotovitev natančnega pozicioniranja. Tolerance premika so lahko zelo majhne, kar vpliva na uporabniško izkušnjo.
3. Laminacija
Senzor in pripadajoče plasti so zlepljene s posebnim lepilom. Postopek laminiranja se mora izogibati:
– zračni mehurčki
- prah
– neenakomernost debeline lepila
Ker vse to lahko zmanjša natančnost branja prstnih odtisov.
4. Namestitev fleksibilnih konektorjev
Modul je na matično ploščo priključen prek fleksibilnega kabla. Ta kabel mora prenesti vročino in pritisk med uporabo.
6. Vloga programske opreme in varnostnih enklav
Senzorji prstnih odtisov niso samo stvar strojne opreme. Na strani programske opreme obstaja ključni postopek:
– Ustvarjanje predloge prstnega odtisa, ko uporabnik registrira prst
– Izločanje značilnosti (minucij) iz ultrazvočnih slik ali zemljevidov
– Hitro in varno ujemanje
– Varno shranjevanje v varnostni strojni opremi, kot je Trusted Execution Environment (TEE) ali Secure Enclave/secure element
V proizvodnji se morata vdelana programska oprema senzorja in gonilniki operacijskega sistema ujemati z značilnostmi senzorja. Majhne razlike v modulu ali zaslonu lahko zahtevajo prilagoditev parametrov kalibracije.
7. Kalibracija na proizvodni liniji: ujemanje strojne opreme in zaslonov
Po namestitvi enote se telefon kalibrira, da se zagotovi optimalno delovanje senzorja. To vključuje:
– Umerite intenzivnost svetlobe (za optične senzorje) tako, da bo sijaj zaslona zadosten, vendar ne bo porabljal energije.
– Kalibrirajte ojačanje in šum na senzorju, da slika ne bo pretemna/presvetla
– Kalibracija tlaka in signala (za ultrazvok), da se valovi dosledno odčitavajo pri različnih kožnih stanjih.
– Prilagoditev algoritma za preprečevanje okvar, na primer, ko so prsti mokri, mastni ali je zaslon rahlo umazan
Kalibracija se izvede samodejno z uporabo posebne testne opreme in tovarniške programske opreme, rezultati pa se shranijo kot parametri naprave.
8. Testiranje kakovosti: natančnost, trajnost in doslednost
Preden je telefon odposlan, mora senzorski modul opraviti vrsto testov, na primer:
– Stopnja lažnega sprejemanja (FAR): kako pogosto sistem napačno sprejme prstni odtis, ki ni lastnikov.
– Stopnja lažnih zavrnitev (FRR): kako pogosto sistem zavrne pravilen prstni odtis lastnika.
– Testirajte v različnih pogojih: suhi, mokri, prepoteni ali prašni prsti
– Preizkus odpornosti lepilnega materiala na spremembe temperature, vlažnosti, ponavljajočega se pritiska in staranja.
– Preizkus padca in torzijske trdnosti naprave, da se zagotovi, da se modul ne premakne
Poleg tega proizvajalci preverjajo skladnost med enotami. Vgrajeni senzor prstnih odtisov mora delovati enakomerno na tisočih, celo milijonih enot, kljub manjšim razlikam v zaslonu in komponentah.
9. Glavni izzivi pri ustvarjanju senzorja prstnih odtisov na zaslonu
Ta tehnologija ima nekaj edinstvenih izzivov:
– Signal mora prodreti skozi zaslon, zato je kakovost branja odvisna od materiala in debeline prevleke.
– Tanka zasnova: notranji prostor telefona je omejen, zato mora biti modul zelo kompakten.
– Proizvodni stroški: ultrazvočni senzorji so dražji, medtem ko optični senzorji zahtevajo optimizacijo zaslona za doseganje zadovoljivih rezultatov.
– Varnost: mora biti odporna proti poskusom ponarejanja (prevarjanja), na primer slik, odtisov ali silikonskih materialov.
Zato proizvodni proces ni le vgradnja senzorjev, temveč tudi uravnoteženje zasnove, materialov, programske opreme in testiranja, da se zagotovi hitra in varna uporabniška izkušnja.
Zaključek
Postopek izdelave senzorja prstnih odtisov, vgrajenega v zaslon, je kompleksna kombinacija proizvodnje polprevodnikov, inženiringa materialov, integracije zaslonske plošče in razvoja varnostne programske opreme. Od izdelave čipa na rezini, preko pakiranja modulov, sestavljanja optične ali akustične plasti, natančne laminacije pod zaslonom do večkratnih kalibracij in testiranja kakovosti – vse mora biti izvedeno po najvišjih standardih. Končni rezultat je biometrična funkcija, ki je praktična, podpira sodobne zasnove pametnih telefonov brez gumbov in ohranja varnost uporabniških podatkov.
Če želite, lahko ustvarim tudi bolj tehnično različico članka (npr. podrobno razpravo o fotolitografiji, OCA ali parametrih FAR/FRR) ali bolj priljubljeno različico za splošne bralce.
