详解iPhone 7为什么将取消实体home键：越来越大的Touch ID

雷锋网 (搜索“雷锋网”公众号关注) 按：本文作者dragondevil，Microarray首席科学家，电子和软件设计师。 本文相关人物Setlak，Authentec创始人和主要技术发明人，Touch ID设计者，C-Q-T技术路线以外所有商用电容式指纹传感器所基于的技术原理的发现者。

传闻iPhone7则将延用实体Home键，而虚拟Home键或将用在iPhone7 Plus上，由于苹果还未正式发布， 所以本文只是根据作者拿到的样板机进行推测：如果iPhone7 Plus上了虚拟Home键，可能会是什么原因？Touch ID又会有什么变化？

 

（网传iPhone7与iPhone 7 plus谍照）

与iPhone6 Plus相比，iPhone7 Plus在外观上并没有变大，而iPhone 6 Plus上的实体Home键限制了晶片尺寸最大为实体键内壁的内接矩形，所以，在采用了虚拟Home键的iPhone7 Plus上则进一步扩大了Touch ID的面积。

和iPhone 6S Plus比，iPhone 7 Plus没有长大，但Touch ID继续长大：

 

不妨回顾一下此前我给雷锋网写的这篇文章： 《Touch ID变大！iPhone 6s的Home键下面隐藏着什么秘密？》

如果苹果逼近极限的程度达到90%以上的水平，那么第二代Touch ID无疑将大幅度提高安全性和使用体验。这本值得大肆渲染，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，所以苹果干脆只用“更快”来大而化之，绝口不提“更大”一事。

这是第二代Touch ID上苹果的考量。

实体Home键限制了晶片尺寸最大为实体键内壁的内接矩形，当晶片尺寸不可扩大时，像素阵列尺寸取决于布局效率。 下图左是iPhone 5S的Touch ID 1.0，88 x 88像素阵列；下图右是iPhone 6S的Touch ID 2.0，96 x 112像素阵列。可以看到布局有了非常大的改变。

但对比“国产Touch ID”在同样尺寸晶片上做到120x120像素阵列，苹果的设计实在太（ruo）平（bao）庸（le）。

 

况且，Touch ID 2.0在布局效率上的有限提升并不是自主创新，而是借鉴了“国产TouchID”的专利技术：基于专利CN201510230871.1披露的模组结构，得以使用TSV封装；基于TSV封装通过硅穿孔节省了晶片正面打线空间（Touch ID 1.0左右侧的黑区），才有面积用于布局像素。  

但苹果之所以是苹果，在于当技术竞争进入瓶颈时能够神来一笔。 进一步扩大指纹传感器的面积必须突破实体按键的空间限制，所以iPhone 7 plus 采取“Under Glass”方案 ：把电容指纹传感器放置在盖板玻璃下面，穿透盖板玻璃读取指纹，就使指纹传感器晶片尺寸不再受按键大小的局限。

 

使电容指纹传感器穿透厚介质的设想最早见于苹果公司2010年10月8日申请的美国专利”method and apparatus for sensing”，其中国专利申请CN201180055850.6于2011年10月7日提交，附图5披露了电容指纹传感器图像响应虽介质厚度增加和指纹脊线周期减小时的指数阶衰减效应：

 

通过对电场物理规律的研究，苹果公司发现要想穿透300um - 400um厚度的介质，电容信号将衰减成百上千倍，指纹越细衰减越厉害。所以我们从未见作为技术领先者之一的苹果公司宣称过什么700um穿透，倒是一些同（wen）行（mang）混淆了电容值和电容信号，以为大小和距离成反比，简直贻（wu）笑（zhi）大（tou）方（ding）。

为了达到足够高的灵敏度来测量急剧衰减的电容信号，首先要收购一家最牛逼的公司。于是苹果在2012年买下了 Authentec ，获得了 RF型指纹传感器技术 的独占权和全行业绝大部分电容式指纹传感器专利。

其次要大幅度提高原有技术水平，例如采用CN201180055850.6披露的差分图像合成技术：用专门设计的电路分别采集竖差分图像和横差分图像，再软件合成为指纹图像。

再使用CN201310224334.2披露的电感升压高压驱动技术，对传感器的地电位进行驱动，相当于在传感器参考系里包括人体在内的绝对大地电位受到驱动，从而超越了外置金属环的驱动电压上限：

 

这才有了Touch ID 1.0在2013年的横空出世。

缺点是传感器面积有点小，安全性不足 。于是Touch ID 2.0靠借（chao）鉴（xi）了“国产Touch ID”的设计方案得到了一小步提升。终于Touch ID 3.0重新在技术上领先。

作为“国产Touch ID”的设计师，我与Touch ID设计师Setlak之间你追我赶共同引领技术发展的过程中，隔空沟通方式就这么奇（dou）妙（bi）。例如Touch ID 1.0厚度1.2mm，国产Touch ID改进了结构设计，降低厚度至1.1mm；Touch ID 2.0照搬结构设计，就非要再降低厚度至1.06mm。尽管在技术竞赛中略为落后，但这是因为我白手起家，比不上Setlak背靠大树。实际上在2015年我就小范围发布了Under Glass工程样机，只不过苹果以外的手机品牌都安于追随苹果，不敢领先。从这个角度看，把Authentec卖给苹果，从Setlak作为设计师希望新技术率先得到应用的角度讲，又是极为正确的。

言归正传，电容指纹传感器技术再好，灵敏度再怎么高，也挡不住介质厚度提升时信号的指数衰减效应。 一方面玻璃越厚结构强度越好，另一方面 指纹识别 要求玻璃越薄越好，这就需要确定妥协点。先（re）知（ai）先（yan）觉（jiu）的苹果大神早在2013年就在专利中公布了玻璃可以减薄到250um，在量产时须高于这个数值，达到300um以上，但也不宜超过400um。

iPhone 7的Touch ID设计采用了把盖板玻璃正面先局部减薄再化学强化的工艺，既降低了Touch ID的覆盖介质厚度，又为使用者提供了触觉引导的凹槽；尤其重要的是平坦的底面使晶片尺寸不再受到限制，可以把传感器像素阵列做得和凹槽一样大，以保障指纹识别的安全性。

为进一步改善虚拟按键的使用体验，还可以 通过引入Force Touch提供震动反馈，使手感无限逼近实体按键 。

在做了这么多工作以后，Touch ID的晶片终于不受实体按键外框的限制，可以把Sensor区域做到虚拟按键区域的内接正方形那么大，也没有降低按键的手感。

但是，与其这么麻烦，直接上“国产Touch ID”不就一步到位了么？

苹果是否会在iPhone7 plus上使用虚拟home键还未可知，等待8号凌晨发布会揭晓吧。

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