Authentec才是電容式指紋傳感技術(shù)的擁有者

在Apple、Samsung、Huawei這些世界一流智能手機(jī)大牌開(kāi)啟的指紋識(shí)別時(shí)代里，基本上所有的手機(jī)品牌都認(rèn)同了指紋識(shí)別即將為手機(jī)的標(biāo)配，使得很多半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司紛紛涌入電容式指紋傳感器的研發(fā)和市場(chǎng)化當(dāng)中。但在表面熱鬧的態(tài)勢(shì)下，卻隱藏著深重的危機(jī)，大多數(shù)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(dāng)其時(shí)。凡對(duì)電容式指紋傳感器做過(guò)專(zhuān)利調(diào)研的人，都不得不驚嘆于前兩次研發(fā)熱潮中電路設(shè)計(jì)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?shù)拿值臒狒[程度。可惜往事如煙，第1次熱潮的玩家們?cè)缫央x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(guó)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(bào)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(diào)查第2次研發(fā)熱潮以來(lái)發(fā)生的重要收購(gòu)并購(gòu)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(jī)終結(jié)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(shè)立在中國(guó)深圳的Symwave。在金融危機(jī)爆發(fā)的同時(shí)，Authentec也趁機(jī)收官，2009年收購(gòu)Atrua，2010年收購(gòu)Upek，把金融危機(jī)打擊下碩果僅存的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手收入囊中。這兩個(gè)收購(gòu)案的共同點(diǎn)是：以專(zhuān)利對(duì)抗為前奏，以低價(jià)收購(gòu)為終結(jié)，被收購(gòu)企業(yè)的產(chǎn)品線基本消亡。

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(shí)：

發(fā)明專(zhuān)利的本質(zhì)就是政府用技術(shù)壟斷權(quán)來(lái)?yè)Q取發(fā)明人對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的知識(shí)進(jìn)行公開(kāi)。一方面免除了發(fā)明人的后顧之憂，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(shí)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(quán)的上限就是該發(fā)明導(dǎo)致的全部的新的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)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(dǎo)致的新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式全部獲得專(zhuān)利授權(quán)。這就是技術(shù)理論發(fā)明人的“特權(quán)”。

圖：基于蘋(píng)果公司現(xiàn)有專(zhuān)利的產(chǎn)品

圖：蘋(píng)果公司專(zhuān)利歷史與現(xiàn)狀

詳細(xì)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(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局遞交了名為Electric Field Fingerprint Sensor Having Enhanced Feathers and Related Methods(具有增強(qiáng)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(qǐng)，于1999年8月17日獲得授權(quán)，授權(quán)號(hào)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(shè)計(jì)，提高了對(duì)指紋進(jìn)行探測(cè)的靈敏度，以提高傳感器表面保護(hù)介質(zhì)的厚度容限，來(lái)增強(qiáng)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(quán)項(xiàng)得到授權(quán)。權(quán)項(xiàng)1保護(hù)了一種指紋傳感器的像素電路結(jié)構(gòu)，包括：

具有多種半導(dǎo)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(dǎo)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(quán)項(xiàng)1披露的“基底 + 金屬層 + 介質(zhì)層”的層次結(jié)構(gòu)是任何在硅芯片上實(shí)現(xiàn)的指紋傳感器不可回避的基本結(jié)構(gòu);只有“多種半導(dǎo)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(quán)要求。權(quán)項(xiàng)12對(duì)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(qiáng)噪聲抑制能力。

Shield在電路設(shè)計(jì)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(quán)的US7864992B2，電路原理見(jiàn)圖2。

圖2，F(xiàn)ingerprint 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(fù)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(quán)才可銷(xiāo)售。

這不是孤例，看看被Authentec收購(gòu)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(quán)項(xiàng)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(rèn)為是有意的規(guī)避專(zhuān)利行為。當(dāng)時(shí)Atrua業(yè)務(wù)狀況良好，還同時(shí)擁有Sensor + Algorithm協(xié)同設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，卻被Authentec以4.9M USD的價(jià)格全資收購(gòu)。過(guò)低的收購(gòu)價(jià)表示這是訴訟勝負(fù)已分背景下的極不對(duì)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?yàn)閺?qiáng)壯，只是因?yàn)闀簳r(shí)未引起大老虎的注意。如果歷史可以重來(lái)，假使當(dāng)年FPC和Validity不那么潘浚還有沒(méi)有機(jī)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(tái)灣Egistec的前身Lightuning在2003年申請(qǐng)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(tái)灣申請(qǐng)的專(zhuān)利，為方便起見(jiàn)使用了中國(guó)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(xiàng)。如果Egistec的專(zhuān)利與其產(chǎn)品技術(shù)一致，從US7099497B2轉(zhuǎn)換到CN101727275B對(duì)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(qū)動(dòng)RF型

圖6.2基于放大器的浮空地驅(qū)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(fù)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(shè)計(jì)。圖6的1和2直接繪制amplifier符號(hào);3和4把a(bǔ)mplifier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(hù)范圍的原則是：A+B在A的保護(hù)范圍內(nèi)。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(xí)模擬電路的基礎(chǔ)就是amplifier和ADC，他們中大多數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)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(duì)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(qiáng)大，現(xiàn)階段進(jìn)行專(zhuān)利訴訟和毀滅性收購(gòu)的得利也遠(yuǎn)勝于當(dāng)年。如果世界范圍內(nèi)沒(méi)有半導(dǎo)體業(yè)者能夠突破Apple的專(zhuān)利封鎖，那么智能手機(jī)行業(yè)可能在指紋識(shí)別全面普及后才突然面對(duì)指紋傳感器斷供。就算根據(jù)反壟斷法案要求Apple必須出售，也只能在漫長(zhǎng)的反壟斷訴訟周期后買(mǎi)到Apple持有的相對(duì)落后技術(shù)的產(chǎn)品。

對(duì)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(hào)處理上最為接近，都采用交流信號(hào)同步解調(diào)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(duì)正弦波同步解調(diào)，validity把方波經(jīng)帶通濾波器(濾成正弦波)再同步解調(diào);Authentec的像素在硅芯片內(nèi)，Validity的像素在PCB上。

為此Validity付出的代價(jià)是像素布線精度不夠，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(dǎo)致紋理采樣率不夠，女性和兒童等指紋脊線周期小的用戶可用性下降;靈敏度不足則降低了保護(hù)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(hù)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(duì)Authentec在產(chǎn)品形態(tài)上的優(yōu)勢(shì)。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(wěn)固的專(zhuān)利防線上撕開(kāi)了口子。

Qualcomm收購(gòu)UltraScan并投入研發(fā)面向智能手機(jī)的超聲波指紋傳感器。因?yàn)槌暡▊鞲性谖锢砹可喜煌陔姡瑢?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(dá)領(lǐng)域的孔徑合成圖像接近，需要大量復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)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)著名的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，把數(shù)字運(yùn)算低成本實(shí)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)?？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(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，國(guó)際公開(kāi)和國(guó)際申請(qǐng)也在按部就班進(jìn)行。“C-Q-T”摒棄了傳統(tǒng)的amplifier，因?yàn)橹讣y傳感器的保護(hù)介質(zhì)增大到100um級(jí)別時(shí)，電路背景分量和干擾分量都遠(yuǎn)大于指紋信號(hào)分量，從指紋信號(hào)角度看這是一個(gè)負(fù)信噪比信號(hào)，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(hào)，把指紋信號(hào)看作單向偏移，并使用具有“放大偏移，抑制信號(hào)”特點(diǎn)的時(shí)間積分電路。具體就是設(shè)計(jì)一個(gè)把固定的電容積分充滿的時(shí)間過(guò)程，用指紋信號(hào)分量的引入來(lái)影響電容積分充滿的速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋信號(hào)分量的測(cè)量?；趥鞲衅鞯男g(shù)語(yǔ)規(guī)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(cè)量的傳感器。而傳統(tǒng)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?yàn)锳DC是一代人學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)模擬電路的基礎(chǔ)。Microarray在超越amplifier的同時(shí)，也超越了ADC，這對(duì)傳感器大領(lǐng)域而言也是卓越的設(shè)計(jì)理論級(jí)別的貢獻(xiàn)。

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(quán)項(xiàng)中鎖定的該傳感理論下不可規(guī)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(quán)的US 2013/0471422 A1，用驅(qū)動(dòng)Sensor的GND來(lái)替代驅(qū)動(dòng)手指，見(jiàn)圖10。

圖10，Apple的浮空地驅(qū)動(dòng)電路

在Validity、Qualcomm、邁瑞微電子的3種選擇當(dāng)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(diào)進(jìn)行行業(yè)級(jí)研發(fā)，大投入、大風(fēng)險(xiǎn)、大回報(bào)，不適合大多數(shù)中國(guó)同行們學(xué)習(xí)。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Apple。“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(shì)，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(dāng)然，實(shí)現(xiàn)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。