モバイル端末の指紋スキャナーとは — センサーの種類と動作原理

ディスプレイ内蔵（画面下）指紋スキャナー

画面下スキャナー（In-Display Fingerprint Scanner）は、ディスプレイマトリックスの直下に組み込まれます。このスキャナーを搭載した最初の市販端末は、2018年のvivo X20 Plus UDでした。現在では、この技術はほとんどのAndroidフラッグシップおよびミッドレンジモデルで使用されています。

画面下スキャナーには2種類あります。光学式（光を通すOLED画面でのみ動作）と超音波式（あらゆるタイプのディスプレイで動作）です。光学式画面下スキャナーは、OLEDピクセル間の隙間を通して指を照らし、パネル下のセンサーが反射を読み取ります。スキャンエリアは通常、画面上の緑色のリングで照らされます。

画面下スキャナーの欠点は、スキャンエリアが小さいこと（光学式12×8mm、ボタン式20×10mm）と、センサー領域に指を正確に置く必要があることです。超音波式画面下スキャナー（Qualcomm 3D Sonic Gen 2）は面積64mm²で、精度向上のために2つの指紋を同時に登録できます。

メーカーは画面下スキャナーの改良に継続的に取り組んでいます。2024年、Qualcommはスキャンエリアを100mm²に拡大した3D Sonic Gen 3を発表しました。これにより、画面下半分のほぼどこにでも触れるだけでロック解除が可能になります。光学式画面下センサーの第2位サプライヤーであるGoodixは、応答時間0.12秒を達成しました。これはどのボタン式スキャナーよりも高速です。

セキュリティと偽造防止

指紋スキャナーのセキュリティは、2つの要素によって決まります。偽造指に対するセンサーのハードウェア保護と、保存されたテンプレートの暗号化保護です。ライブネス検出は、生体組織と偽造物を区別する重要な技術です。静電容量式センサーは導電率を、超音波式は皮膚の音響インピーダンスを、光学式（最新版）は毛細血管の血流脈動をチェックします。

Kaspersky Labの調査によると、低価格スマホでテストされた光学式スキャナーの72%がシリコン製の偽造指でだまされました。Apple Touch IDの静電容量式スキャナーはこの攻撃に耐性がありますが、2017年にTencentの研究者は超薄型3Dプリント被膜を用いた攻撃を実証しました。Qualcommの超音波式スキャナーは既知のいずれの方法でもだまされていません。

ソフトウェアレベルでは、Androidの最新実装は指紋テンプレートをTrusted Execution Environment（TEE）またはハードウェアセキュリティモジュール（TitanチップまたはQualcomm SPU上のStrongBox KeyStore）に保存します。iOSはSecure Enclaveを使用します。テンプレートは暗号化され、アプリからアクセスできません。これはAndroid CDDおよびApple App Review Guidelinesの必須要件です。

各メーカーは独自の方法で保護を実装しています。Samsung Knoxは、指紋用に分離されたストレージを備えた独自のTrustZoneを使用しています。Google PixelはTitan M2チップによりブートローターレベルでの分離を提供しています。Qualcomm Secure Processing Unit（SPU）は、Snapdragonプロセッサ内の専用コアで、メインCPUを介さずに生体認証を処理します。NCC GroupとKryptowireによる独立した監査により、3つの実装すべてがAndroid Strong認証に十分なレベルのハードウェア分離を提供していることが確認されています。

ユーザーは、指紋スキャナーが主に利便性のための手段であり、絶対的な保護ではないことを認識すべきです。金融取引や重要なデータへのアクセスには、指紋または顔に加えてパスワードまたはハードウェアトークンを使用した二要素認証を推奨します。生体認証は第一要素として便利ですが、攻撃者と機密データの間の唯一の障壁であってはなりません。

コード例：AndroidのBiometricManager

AndroidのBiometricManagerを使用すると、認証を呼び出す前に端末上の指紋スキャナーの有無と種類を確認できます。これは、生体認証センサーがない場合や破損している場合のシナリオを適切に処理するために重要です。以下に、スキャナーの利用可能性を確認する例を示します。

class FingerprintChecker {

    fun checkSensor(context: Context) {
        val biometricManager =
            context.getSystemService(BiometricManager::class.java)

        val authenticators =
            BiometricManager.Authenticators.BIOMETRIC_STRONG

        when (biometricManager.canAuthenticate(authenticators)) {
            BiometricManager.BIOMETRIC_SUCCESS -> {
                println("スキャナー利用可能")
            }
            BiometricManager.BIOMETRIC_ERROR_NO_HARDWARE -> {
                println("指紋スキャナーがありません")
            }
            BiometricManager.BIOMETRIC_ERROR_HW_UNAVAILABLE -> {
                println("スキャナーは一時的に利用できません")
            }
            BiometricManager.BIOMETRIC_ERROR_NONE_ENROLLED -> {
                println("登録された指紋がありません")
            }
        }
    }
}

BIOMETRIC_STRONGフラグを指定したcanAuthenticateメソッドは、端末にクラス3センサー（最も安全）があるかどうかを確認します。画面下スキャナーや超音波式センサーの場合、AndroidはセンサーがStrongとして認定されている場合にのみBIOMETRIC_SUCCESSを返します。指紋スキャナーがない場合は、ユーザーに代替認証方法（PINコード、パスワード、顔認証ログイン）を提案する必要があります。