揭秘電容式指紋傳感器背后的專利大老虎

　　在Apple、Samsung、Huawei這些世界一流智能手機大牌開啟的指紋識別時代里，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)和市場化當中。但在表面熱鬧的態(tài)勢下，卻隱藏著深重的危機，大多數人其實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歷過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。凡對電容式指紋傳感器做過專利調研的人，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。第2次熱潮中成立的企業(yè)留存至今也寥寥無幾。第3次熱潮盡管涌入了來自中國的新面孔，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“沉睡的專利大老虎”。只要略微調查第2次研發(fā)熱潮以來發(fā)生的重要收購并購案，就知道這只大老虎的所謂沉睡，其實是在等待有價值的獵物。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)部門設立在中國深圳的Symwave。在金融危機爆發(fā)的同時，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。這兩個收購案的共同點是：以專利對抗為前奏，以低價收購為終結，被收購企業(yè)的產品線基本消亡。

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

　　發(fā)明專利的本質就是政府用技術壟斷權來換取發(fā)明人對技術創(chuàng)新的知識進行公開。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)明人公開的知識促進了社會的整體發(fā)展，使社會作為整體得利。所以通過發(fā)明專利獲得的技術壟斷權的上限就是該發(fā)明導致的全部的新的技術可實現內容。如果發(fā)明人開辟了一個新的技術理論，就有條件把該技術理論導致的新的技術實現形式全部獲得專利授權。這就是技術理論發(fā)明人的“特權”。

　　圖：基于蘋果公司現有專利的產品

　　圖：蘋果公司專利歷史與現狀

　　詳細圖解指紋技術及專利演進

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

　　圖1，Harris/Authentec/Apple的US9540526

　　Harris成功將電場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;

　　第一層電介質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;

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

　　權項1披露的“基底 + 金屬層 + 介質層”的層次結構是任何在硅芯片上實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”的措辭可視為公開不充分，必須進一步描述否則不符合授權要求。權項12對此進行了詮釋：

　　還有屏蔽電極(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的任何東西。例如FPC獲得授權的US7864992B2，電路原理見圖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，但同時也起到屏蔽來自基底的噪聲的作用，也就是Shield;同時，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US7864992B2的技術特征完全符合US9540526，所有符合US7864992B2技術特征的商品必須經US9540526授權才可銷售。

　　這不是孤例，看看被Authentec收購的兩家公司的專利電路圖：

　　圖3，Upek專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技術特征。圖4中，Atrua用27模塊來替代amplifier，這個置換降低了性能，所以專利法庭不支持該改動是技術發(fā)展，而認為是有意的規(guī)避專利行為。當時Atrua業(yè)務狀況良好，還同時擁有Sensor + Algorithm協(xié)同設計的經驗，卻被Authentec以4.9M USD的價格全資收購。過低的收購價表示這是訴訟勝負已分背景下的極不對等和解。

　　所謂樹大招風，弱者生存，活下來的也許不是因為強壯，只是因為暫時未引起大老虎的注意。如果歷史可以重來，假使當年FPC和Validity不那么屌絲，還有沒有機會活到今天的精彩呢?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利，圖5.2是Egistec于2008年在臺灣申請的專利，為方便起見使用了中國大陸同一專利的附圖，看起來就是用圖2的風格繪制圖3的電路，再插入一些冗余項。如果Egistec的專利與其產品技術一致，從US7099497B2轉換到CN101727275B對產品性能無疑有提高，但從專利角度講則跳了火坑。

　　這不是個例，看看新玩家們：

　　圖6.1基于放大器的正弦驅動RF型

　　圖6.2基于放大器的浮空地驅動RF型

　　圖6.3，基于放大器的電路

　　圖6.4改進放大器的電路

　　圖6.5 增加了Dummy開關，且沒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不一樣，但專利保護范圍的原則是：A+B在A的保護范圍內。這似乎有點驚悚，為什么這么多企業(yè)不約而同的跳進同一個火坑里?為了產品的商業(yè)價值必須提高指紋傳感器靈敏度，但一代人學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)熱潮沒有像前兩次一樣百花齊放。

　　各大佬們對抗蘋果專利的措施

　　可如今Authentec歸了Apple。在專利訴訟方面Apple無疑比Authentec更為強大，現階段進行專利訴訟和毀滅性收購的得利也遠勝于當年。如果世界范圍內沒有半導體業(yè)者能夠突破Apple的專利封鎖，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，也只能在漫長的反壟斷訴訟周期后買到Apple持有的相對落后技術的產品。

　　對抗Apple專利壁壘無非如下策略：Validity/Synaptics采取技術形式差異化;Qualcomm換一種物理量開展研發(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介質厚度上限，無法使用基于Cover或Mold的新型封裝技術，提高了模組成本，可靠性也低。Atrua的例子已經指出，降低產品品質的技術差異化不受專利法庭支持，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在產品形態(tài)上的優(yōu)勢。但為了市場不得不跟風Touch型指紋傳感器時，就在自己并不穩(wěn)固的專利防線上撕開了口子。

　　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，專利肯定沒問題。但超聲波指紋傳感器技術多年來一直沒有成熟自有其道理。超聲波成像技術和雷達領域的孔徑合成圖像接近，需要大量復雜的浮點運算，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。作為一個著名的半導體設計公司，把數字運算低成本實現是本行，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《邊沿時間讀出電路》CN201210405080.X已經獲得中國知識產權局的發(fā)明專利授權，國際公開和國際申請也在按部就班進行。“C-Q-T”摒棄了傳統(tǒng)的amplifier，因為指紋傳感器的保護介質增大到100um級別時，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負信噪比信號，用amplifier已經不合適了。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”特點的時間積分電路。具體就是設計一個把固定的電容積分充滿的時間過程，用指紋信號分量的引入來影響電容積分充滿的速率，從而實現對指紋信號分量的測量?；趥鞲衅鞯男g語規(guī)則，這被命名為“C”(電容)to“Q”(電荷)to“T”(時間)，表明這是一個兩次間接測量的傳感器。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，前面提到過因為ADC是一代人學習和設計模擬電路的基礎。Microarray在超越amplifier的同時，也超越了ADC，這對傳感器大領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在專利權項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，另一個是Apple未得到授權的US 2013/0471422 A1，用驅動Sensor的GND來替代驅動手指，見圖10。

　　圖10，Apple的浮空地驅動電路

　　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)造卓越的產品，也不能從本質上避免遭受專利訴訟。Qualcomm以一流企業(yè)的格調進行行業(yè)級研發(fā)，大投入、大風險、大回報，不適合大多數中國同行們學習。邁瑞微從傳感理論出發(fā)推理出一個前所未有的傳感器電路，這種科學家的做法，才是曙光。技術的發(fā)展既是由科學家推動的，也是由企業(yè)推動的，就好比1997年Harris藉由電場傳感理論開辟的RF時代最終完成于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，這使邁瑞微擁有了成為完成一個時代的企業(yè)的可能性。當然，實現這個可能性既需要自身的努力，也需要整個產業(yè)的支持。

　　指紋傳感器是中國半導體設計業(yè)向器件設計級前進的一個契機。一直以來中國半導體設計業(yè)的短板是工程味太重而科學家太少。在僵化的科研體制下，科學家偽的多真的少是一方面因素;但產業(yè)地位本身沒有上升到一定位置時，真科學家進入到產業(yè)也發(fā)揮不了作用，最終往往蛻變?yōu)?ldquo;管理人員”，則是更現實的歷史。只有器件設計級的半導體設計企業(yè)必須由科學家主導，這正是Authentec這個源自Harris的企業(yè)能夠打敗眾多出身名門的對手站在行業(yè)頂端的原因。一些半導體設計業(yè)同行寧可在錯誤的產品上面賠錢，也不肯在獲取知識上投資，這種偏執(zhí)的病態(tài)心理不能成為普遍阻礙產業(yè)升級的落后因素。只有重視科學研究，尊重知識產權，推動優(yōu)秀的年輕人投入到發(fā)展中的前沿的領域，才是大成之道。