移动设备中的指纹扫描仪 — 传感器类型和工作原理

屏下指纹扫描仪

屏下传感器（In-Display Fingerprint Scanner）直接嵌入屏幕矩阵下方。第一款采用这种传感器的商用设备是2018年的vivo X20 Plus UD。如今，该技术已用于大多数Android旗舰和中端机型。

屏下扫描仪有两种类型：光学型（仅适用于OLED屏幕，光可透过）和超声波型（适用于任何类型的显示屏）。光学屏下传感器通过OLED像素之间的间隙照亮手指，面板下方的传感器读取反射光。扫描区域通常在屏幕上以绿色圆环高亮显示。

屏下扫描仪的缺点是扫描区域较小（光学型12×8毫米，按键型20×10毫米），且需要手指精确对准传感器区域。超声波屏下传感器（Qualcomm 3D Sonic Gen 2）面积为64平方毫米，支持同时扫描两个指纹以提高精度。

制造商们不断致力于改进屏下扫描仪。2024年，Qualcomm推出了3D Sonic Gen 3，扫描区域扩大至100平方毫米——这使得用户可以通过触摸屏幕下半部分几乎任何区域来解锁手机。第二大光学屏下传感器供应商Goodix实现了0.12秒的响应时间——比任何按键式扫描仪都快。

安全性与防伪保护

指纹扫描仪的安全性由两个因素决定：传感器防假体的硬件保护和存储模板的加密保护。活体检测（Liveness detection）是区分活体组织与假体的关键技术。电容式传感器检测导电性，超声波传感器检测皮肤的声阻抗，光学传感器（现代版本）检测毛细血管中的血液脉动。

根据卡巴斯基实验室的研究，72%测试过的廉价手机光学传感器可以被硅胶指纹膜欺骗。Apple Touch ID的电容式传感器对此类攻击具有抵抗力，但2017年腾讯的研究人员展示了使用超薄3D打印贴片的攻击方法。Qualcomm的超声波传感器尚未被任何已知方法欺骗。

在软件层面，Android上的现代实现将指纹模板存储在可信执行环境（TEE）或硬件安全模块（Titan芯片或Qualcomm SPU上的StrongBox KeyStore）中。iOS使用Secure Enclave。模板被加密且不向应用程序开放——这是Android CDD和Apple App Review Guidelines的强制性要求。

每个制造商都有自己的保护实现方式。Samsung Knox使用自己的TrustZone和隔离的指纹存储。搭载Titan M2芯片的Google Pixel在引导加载程序级别提供隔离。Qualcomm Secure Processing Unit（SPU）是Snapdragon处理器中的专用核心，无需主CPU参与即可处理生物识别。NCC Group和Kryptowire的独立审计证实，所有三种实现都提供硬件级模板隔离，达到Android Strong认证所需的水平。

用户应记住，指纹扫描仪首先是便利工具，而非绝对保护。对于金融交易和访问关键数据，建议使用双因素认证：指纹或面部加密码或硬件令牌。生物识别适合作为第一因素，但不应成为攻击者与敏感数据之间的唯一屏障。

代码示例：Android上的BiometricManager

Android BiometricManager允许在调用身份验证之前检查设备上指纹扫描仪的存在状态和类型。这对于正确处理生物识别传感器缺失或损坏的情况非常重要。以下是检查扫描仪可用性的示例。

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("扫描仪可用")
            }
            BiometricManager.BIOMETRIC_ERROR_NO_HARDWARE -> {
                println("指纹扫描仪不存在")
            }
            BiometricManager.BIOMETRIC_ERROR_HW_UNAVAILABLE -> {
                println("扫描仪暂时不可用")
            }
            BiometricManager.BIOMETRIC_ERROR_NONE_ENROLLED -> {
                println("未注册指纹")
            }
        }
    }
}

canAuthenticate方法使用BIOMETRIC_STRONG标志检查设备上是否存在Class 3传感器（最安全级别）。对于屏下和超声波传感器，Android仅在传感器被认证为Strong时返回BIOMETRIC_SUCCESS。如果指纹扫描仪不可用，应向用户提供替代身份验证方法：PIN码、密码或面部识别。