Authentec才是電容式指紋傳感技術(shù)的擁有者

在A(yíng)pple、Samsung、Huawei這些世界一流智能手機大牌開(kāi)啟的指紋識別時(shí)代里，基本上所有的手機品牌都認同了指紋識別即將為手機的標配，使得很多半導體設計公司紛紛涌入電容式指紋傳感器的研發(fā)和市場(chǎng)化當中。但在表面熱鬧的態(tài)勢下，卻隱藏著(zhù)深重的危機，大多數人其實(shí)并不知道這看似熱氣騰騰饕餮大餐，到底是美食還是毒藥。

電容式指紋傳感器共經(jīng)歷過(guò)3次研發(fā)熱潮，第1次在90年代中及以前，第2次在2008年以前，第3次正當其時(shí)。凡對電容式指紋傳感器做過(guò)專(zhuān)利調研的人，都不得不驚嘆于前兩次研發(fā)熱潮中電路設計的五花八門(mén)奇思妙想，以及囊括了Siemens、Philips、Infineon、Atmel、STM、Epson、Sharp、Sony、Fujitsu、Hitachi甚至Intel這么多耳熟能詳的名字的熱鬧程度?？上氯鐭?，第1次熱潮的玩家們早已離場(chǎng)。第2次熱潮中成立的企業(yè)留存至今也寥寥無(wú)幾。第3次熱潮盡管涌入了來(lái)自中國的新面孔，但大部分創(chuàng )意匱乏，極難看到一閃靈光。

從2013年至今，已有不少報道暗示電容式指紋傳感器背后有“沉睡的專(zhuān)利大老虎”。只要略微調查第2次研發(fā)熱潮以來(lái)發(fā)生的重要收購并購案，就知道這只大老虎的所謂沉睡，其實(shí)是在等待有價(jià)值的獵物。2008年金融危機終結了第2次研發(fā)熱潮，一大批企業(yè)倒閉，其中就有研發(fā)部門(mén)設立在中國深圳的Symwave。在金融危機爆發(fā)的同時(shí)，Authentec也趁機收官，2009年收購Atrua，2010年收購Upek，把金融危機打擊下碩果僅存的競爭對手收入囊中。這兩個(gè)收購案的共同點(diǎn)是：以專(zhuān)利對抗為前奏，以低價(jià)收購為終結，被收購企業(yè)的產(chǎn)品線(xiàn)基本消亡。

到這里，謎底已經(jīng)呼之欲出：專(zhuān)利大老虎就是Authentec。但Authentec憑什么成為專(zhuān)利大老虎的呢，不妨先了解一下背景知識：

發(fā)明專(zhuān)利的本質(zhì)就是政府用技術(shù)壟斷權來(lái)?yè)Q取發(fā)明人對技術(shù)創(chuàng )新的知識進(jìn)行公開(kāi)。一方面免除了發(fā)明人的后顧之憂(yōu)，使發(fā)明人可以積極投入發(fā)明創(chuàng )造;另一方面發(fā)明人公開(kāi)的知識促進(jìn)了社會(huì )的整體發(fā)展，使社會(huì )作為整體得利。所以通過(guò)發(fā)明專(zhuān)利獲得的技術(shù)壟斷權的上限就是該發(fā)明導致的全部的新的技術(shù)可實(shí)現內容。如果發(fā)明人開(kāi)辟了一個(gè)新的技術(shù)理論，就有條件把該技術(shù)理論導致的新的技術(shù)實(shí)現形式全部獲得專(zhuān)利授權。這就是技術(shù)理論發(fā)明人的“特權”。

圖：基于蘋(píng)果公司現有專(zhuān)利的產(chǎn)品

圖：蘋(píng)果公司專(zhuān)利歷史與現狀

詳細圖解指紋技術(shù)及專(zhuān)利演進(jìn)

Harris在1997年5月16日向美國專(zhuān)利商標局遞交了名為Electric Field Fingerprint Sensor Having Enhanced Feathers and Related Methods(具有增強特征和領(lǐng)先方法的電場(chǎng)指紋傳感器)的發(fā)明專(zhuān)利申請，于1999年8月17日獲得授權，授權號US9540526。這是Harris/Authentec/Apple的指紋傳感器專(zhuān)利組合中最有代表性的一篇，在該專(zhuān)利的說(shuō)明書(shū)里，發(fā)明人介紹了以往的電容式指紋傳感器(Harris之前被稱(chēng)作被動(dòng)式Passive，Harris之后被稱(chēng)作主動(dòng)式Active)在可靠性(尤其是ESD)上的不足，并基于電場(chǎng)理論提出了新的設計，提高了對指紋進(jìn)行探測的靈敏度，以提高傳感器表面保護介質(zhì)的厚度容限，來(lái)增強可靠性。如圖1所示：

圖1，Harris/Authentec/Apple的US9540526

Harris成功將電場(chǎng)傳感器理論的必要電路作為US9540526的主權項得到授權。權項1保護了一種指紋傳感器的像素電路結構，包括：

具有多種半導體器件的基底(substrate);

基底之上有第一層金屬用于互聯(lián)基地上的多種半導體器件;

第一層金屬之上有第一層電介質(zhì);

第一層電介質(zhì)之上有第二層金屬作為地平面;

第二層金屬之上有第二層電介質(zhì);

第二層電介質(zhì)之上有第三層金屬，作為傳感電極(sensing electrodes)。

權項1披露的“基底 + 金屬層 + 介質(zhì)層”的層次結構是任何在硅芯片上實(shí)現的指紋傳感器不可回避的基本結構;只有“多種半導體器件”的措辭可視為公開(kāi)不充分，必須進(jìn)一步描述否則不符合授權要求。權項12對此進(jìn)行了詮釋?zhuān)哼€有屏蔽電極(shield electrode);

放大器(amplifier)的輸入端連接傳感電極，輸出端連接屏蔽電極，放大器增益大于1，以增強噪聲抑制能力。

Shield在電路設計里可以指跟噪聲抑制功能有關(guān)的任何東西。例如FPC獲得授權的US7864992B2，電路原理見(jiàn)圖2。

圖2，Fingerprint Cards AB的US7864992B2

電極17的主要功能是和傳感電極11b形成耦合電容Cref，但同時(shí)也起到屏蔽來(lái)自基底的噪聲的作用，也就是Shield;同時(shí)，比較器13由于正輸入端14接地，所以等效為以負輸入端12為輸入端以輸出端18為輸出端的放大率大于1的amplifier。也就是說(shuō)US7864992B2的技術(shù)特征完全符合US9540526，所有符合US7864992B2技術(shù)特征的商品必須經(jīng)US9540526授權才可銷(xiāo)售。

這不是孤例，看看被Authentec收購的兩家公司的專(zhuān)利電路圖：

圖3，Upek專(zhuān)利組合中的電路原理圖

圖4，Atrua的US7256587B2

圖3表明，Upek把Shield放在傳感電極同層，完全符合US9540526權項1技術(shù)特征。圖4中，Atrua用27模塊來(lái)替代amplifier，這個(gè)置換降低了性能，所以專(zhuān)利法庭不支持該改動(dòng)是技術(shù)發(fā)展，而認為是有意的規避專(zhuān)利行為。當時(shí)Atrua業(yè)務(wù)狀況良好，還同時(shí)擁有Sensor + Algorithm協(xié)同設計的經(jīng)驗，卻被Authentec以4.9M USD的價(jià)格全資收購。過(guò)低的收購價(jià)表示這是訴訟勝負已分背景下的極不對等和解。

所謂樹(shù)大招風(fēng)，弱者生存，活下來(lái)的也許不是因為強壯，只是因為暫時(shí)未引起大老虎的注意。如果歷史可以重來(lái)，假使當年FPC和Validity不那么潘浚還有沒(méi)有機會(huì )活到今天的精彩呢?不妨看看另一家從第二次研發(fā)熱潮生存至今的公司的專(zhuān)利情況以作參考吧。

圖5.1，Egistec前身Lightuning的US7099497B2

圖5.2，Egistec的CN101727275B

圖5.1是臺灣Egistec的前身Lightuning在2003年申請的基于D-ram原理的指紋傳感器專(zhuān)利，圖5.2是Egistec于2008年在臺灣申請的專(zhuān)利，為方便起見(jiàn)使用了中國大陸同一專(zhuān)利的附圖，看起來(lái)就是用圖2的風(fēng)格繪制圖3的電路，再插入一些冗余項。如果Egistec的專(zhuān)利與其產(chǎn)品技術(shù)一致，從US7099497B2轉換到CN101727275B對產(chǎn)品性能無(wú)疑有提高，但從專(zhuān)利角度講則跳了火坑。

這不是個(gè)例，看看新玩家們：

圖6.1基于放大器的正弦驅動(dòng)RF型

圖6.2基于放大器的浮空地驅動(dòng)RF型

圖6.3，基于放大器的電路

圖6.4改進(jìn)放大器的電路

圖6.5 增加了Dummy開(kāi)關(guān)，且沒(méi)有繪制傳感電極的電路

圖6.6，非常非常復雜化后的電路

幾乎所有的新玩家都選擇了基于amplifier的電路設計。圖6的1和2直接繪制amplifier符號;3和4把amplifier繪制成更底層的MOS管;5把傳感電極和amplifier分別繪制在不同的附圖里;6增加許多額外的電路試圖看起來(lái)不一樣，但專(zhuān)利保護范圍的原則是：A+B在A(yíng)的保護范圍內。這似乎有點(diǎn)驚悚，為什么這么多企業(yè)不約而同的跳進(jìn)同一個(gè)火坑里?為了產(chǎn)品的商業(yè)價(jià)值必須提高指紋傳感器靈敏度，但一代人學(xué)習模擬電路的基礎就是amplifier和ADC，他們中大多數對設計的認識就是用好amplifier和ADC。思維就禁錮在這里了，怎么可能回避amplifier?故而第3次指紋傳感器研發(fā)熱潮沒(méi)有像前兩次一樣百花齊放。

各大佬們對抗蘋(píng)果專(zhuān)利的措施

可如今Authentec歸了Apple。在專(zhuān)利訴訟方面Apple無(wú)疑比Authentec更為強大，現階段進(jìn)行專(zhuān)利訴訟和毀滅性收購的得利也遠勝于當年。如果世界范圍內沒(méi)有半導體業(yè)者能夠突破Apple的專(zhuān)利封鎖，那么智能手機行業(yè)可能在指紋識別全面普及后才突然面對指紋傳感器斷供。就算根據反壟斷法案要求Apple必須出售，也只能在漫長(cháng)的反壟斷訴訟周期后買(mǎi)到Apple持有的相對落后技術(shù)的產(chǎn)品。

對抗Apple專(zhuān)利壁壘無(wú)非如下策略：Validity/Synaptics采取技術(shù)形式差異化;Qualcomm換一種物理量開(kāi)展研發(fā);Microarray提出新的電容式傳感理論。

Validity和Authentec在信號處理上最為接近，都采用交流信號同步解調求幅的方式。圖7示意了Validity傳感器的電路原理：

圖7，Validity的US71460B2

Authentec發(fā)射正弦波，Validity發(fā)射方波;Authentec對正弦波同步解調，validity把方波經(jīng)帶通濾波器(濾成正弦波)再同步解調;Authentec的像素在硅芯片內，Validity的像素在PCB上。

為此Validity付出的代價(jià)是像素布線(xiàn)精度不夠，除了降低Sensor圖像分辨率，還抑制了靈敏度。圖像分辨率不足導致紋理采樣率不夠，女性和兒童等指紋脊線(xiàn)周期小的用戶(hù)可用性下降;靈敏度不足則降低了保護介質(zhì)厚度上限，無(wú)法使用基于Cover或Mold的新型封裝技術(shù)，提高了模組成本，可靠性也低。Atrua的例子已經(jīng)指出，降低產(chǎn)品品質(zhì)的技術(shù)差異化不受專(zhuān)利法庭支持，仍視為原發(fā)明的保護范圍。所以Validity一直只制造單行和雙行的Swipe指紋傳感器，以形成對Authentec在產(chǎn)品形態(tài)上的優(yōu)勢。但為了市場(chǎng)不得不跟風(fēng)Touch型指紋傳感器時(shí)，就在自己并不穩固的專(zhuān)利防線(xiàn)上撕開(kāi)了口子。

Qualcomm收購UltraScan并投入研發(fā)面向智能手機的超聲波指紋傳感器。因為超聲波傳感在物理量上不同于電，專(zhuān)利肯定沒(méi)問(wèn)題。但超聲波指紋傳感器技術(shù)多年來(lái)一直沒(méi)有成熟自有其道理。超聲波成像技術(shù)和雷達領(lǐng)域的孔徑合成圖像接近，需要大量復雜的浮點(diǎn)運算，對陣元的一致性更有苛刻的要求，和CMOS制程的電容式指紋傳感器相比則缺少成熟的材料和制程。作為一個(gè)著(zhù)名的半導體設計公司，把數字運算低成本實(shí)現是本行，但要大批量低成本制造超聲波陣列就不在行了，只能依靠被投資的UltraScan團隊?？傊@玩意值得憧憬，也值得等待。

圖8，高通的超聲波指紋傳感器和合成的指紋圖象

邁瑞微提出“C-Q-T”型電容式指紋傳感器，《電容式距離傳感器》CN201210403271.2和《邊沿時(shí)間讀出電路》CN201210405080.X已經(jīng)獲得中國知識產(chǎn)權局的發(fā)明專(zhuān)利授權，國際公開(kāi)和國際申請也在按部就班進(jìn)行。“C-Q-T”摒棄了傳統的amplifier，因為指紋傳感器的保護介質(zhì)增大到100um級別時(shí)，電路背景分量和干擾分量都遠大于指紋信號分量，從指紋信號角度看這是一個(gè)負信噪比信號，用amplifier已經(jīng)不合適了。發(fā)明人另辟蹊徑，把背景和干擾看作信號，把指紋信號看作單向偏移，并使用具有“放大偏移，抑制信號”特點(diǎn)的時(shí)間積分電路。具體就是設計一個(gè)把固定的電容積分充滿(mǎn)的時(shí)間過(guò)程，用指紋信號分量的引入來(lái)影響電容積分充滿(mǎn)的速率，從而實(shí)現對指紋信號分量的測量?；趥鞲衅鞯男g(shù)語(yǔ)規則，這被命名為“C”(電容)to“Q”(電荷)to“T”(時(shí)間)，表明這是一個(gè)兩次間接測量的傳感器。而傳統的電容式包括Passive和Active(RF)大多是“C”(電容)to“V”(電壓)傳感器，部分是“C”(電容)to“I”(電流)to“V”(電壓)傳感器。為什么一定以電壓為最終量，前面提到過(guò)因為ADC是一代人學(xué)習和設計模擬電路的基礎。Microarray在超越amplifier的同時(shí)，也超越了ADC，這對傳感器大領(lǐng)域而言也是卓越的設計理論級別的貢獻。

圖9，“C-Q-T”的電路圖和讀出電路圖

圖9示意了Microarray在專(zhuān)利權項中鎖定的該傳感理論下不可規避的電路特征。在指紋傳感器研發(fā)的第3次熱潮中，這是唯二的令人驚嘆的創(chuàng )造，另一個(gè)是Apple未得到授權的US 2013/0471422 A1，用驅動(dòng)Sensor的GND來(lái)替代驅動(dòng)手指，見(jiàn)圖10。

圖10，Apple的浮空地驅動(dòng)電路

在Validity、Qualcomm、邁瑞微電子的3種選擇當中，Validity的做法不值得借鑒，既不能創(chuàng )造卓越的產(chǎn)品，也不能從本質(zhì)上避免遭受專(zhuān)利訴訟。Qualcomm以一流企業(yè)的格調進(jìn)行行業(yè)級研發(fā)，大投入、大風(fēng)險、大回報，不適合大多數中國同行們學(xué)習。邁瑞微從傳感理論出發(fā)推理出一個(gè)前所未有的傳感器電路，這種科學(xué)家的做法，才是曙光。技術(shù)的發(fā)展既是由科學(xué)家推動(dòng)的，也是由企業(yè)推動(dòng)的，就好比1997年Harris藉由電場(chǎng)傳感理論開(kāi)辟的RF時(shí)代最終完成于A(yíng)pple。“C-Q-T”型具有同等高靈敏度條件下比Touch ID高近一倍的Sensor占比(Sensor Size/Die Size)的優(yōu)勢，這使邁瑞微擁有了成為完成一個(gè)時(shí)代的企業(yè)的可能性。當然，實(shí)現這個(gè)可能性既需要自身的努力，也需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)的支持。