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(shù)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(jīng)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(diào)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?shù)拿值臒狒[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(diào)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(chǎn)品線基本消亡。

　　到這里，謎底已經(jīng)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(xiàn)內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)有專利的產(chǎn)品

　　圖：蘋果公司專利歷史與現(xiàn)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(xiàn)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，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(jīng)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(jīng)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(chǎn)品技術一致，從US7099497B2轉換到CN101727275B對產(chǎn)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(nèi)。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(chǎn)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(shù)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(xiàn)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(nèi)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(jù)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(chǎn)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(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(jīng)指出，降低產(chǎn)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(chǎn)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(shù)字運算低成本實現(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(jīng)獲得中國知識產(chǎn)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(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(xiàn)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(chǎn)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(diào)進行行業(yè)級研發(fā)，大投入、大風險、大回報，不適合大多數(shù)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(xiàn)這個可能性既需要自身的努力，也需要整個產(chǎn)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(chǎn)業(yè)地位本身沒有上升到一定位置時，真科學家進入到產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)升級的落后因素。只有重視科學研究，尊重知識產(chǎn)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。