【干货】揭秘电容式指纹传感器背后的专利大老虎

【思博知识产权资讯】在Apple、Samsung、Huawei这些世界一流智能手机大牌开启的指纹识别时代里，基本上所有的手机品牌都认同了指纹识别即将为手机的标配，使得很多半导体设计公司纷纷涌入电容式指纹传感器的研发和市场化当中。但在表面热闹的态势下，却隐藏着深重的危机，大多数人其实并不知道这看似热气腾腾饕餮大餐，到底是美食还是**。

　　电容式指纹传感器共经历过3次研发热潮，第1次在90年代中及以前，第2次在2008年以前，第3次正当其时。凡对电容式指纹传感器做过专利调研的人，都不得不惊叹于前两次研发热潮中电路设计的五花八门奇思妙想，以及囊括了Siemens、Philips、Infineon、Atmel、STM、Epson、Sharp、Sony、Fujitsu、Hitachi甚至Intel这么多耳熟能详的名字的热闹程度。可惜往事如烟，第1次热潮的玩家们早已离场。第2次热潮中成立的企业留存至今也寥寥无几。第3次热潮尽管涌入了来自中国的新面孔，但大部分创意匮乏，极难看到一闪灵光。

　　从2013年至今，已有不少报道暗示电容式指纹传感器背后有“沉睡的专利大老虎”。只要略微调查第2次研发热潮以来发生的重要收购并购案，就知道这只大老虎的所谓沉睡，其实是在等待有价值的猎物。2008年**危机终结了第2次研发热潮，一大批企业倒闭，其中就有研发部门设立在中国深圳的Symwave。在**危机爆发的同时，Authentec也趁机收官，2009年收购Atrua，2010年收购Upek，把**危机打击下硕果仅存的竞争对手收入囊中。这两个收购案的共同点是：以专利对抗为前奏，以低价收购为终结，被收购企业的产品线基本消亡。

　　到这里，谜底已经呼之欲出：专利大老虎就是Authentec。但Authentec凭什么成为专利大老虎的呢，不妨先了解一下背景知识：

　　发明专利的本质就是政府用技术垄断权来换取发明人对技术创新的知识进行公开。一方面免除了发明人的后顾之忧，使发明人可以积极投入发明创造；另一方面发明人公开的知识促进了社会的整体发展，使社会作为整体得利。所以通过发明专利获得的技术垄断权的上限就是该发明导致的全部的新的技术可实现内容。如果发明人开辟了一个新的技术理论，就有条件把该技术理论导致的新的技术实现形式全部获得专利授权。这就是技术理论发明人的“特权”。



　　详细图解指纹技术及专利演进

　　Harris在1997年5月16日向美国专利商标局递交了名为Electric Field Fingerprint Sensor Having Enhanced Feathers and Related Methods（具有增强特征和领先方法的电场指纹传感器）的发明专利申请，于1999年8月17日获得授权，授权号US9540526。这是Harris/Authentec/Apple的指纹传感器专利组合中最有代表性的一篇，在该专利的说明书里，发明人介绍了以往的电容式指纹传感器（Harris之前被称作被动式Passive，Harris之后被称作主动式Active）在可靠性（尤其是ESD）上的不足，并基于电场理论提出了新的设计，提高了对指纹进行探测的灵敏度，以提高传感器表面保护介质的厚度容限，来增强可靠性。如图1所示：


　　Harris成功将电场传感器理论的必要电路作为US9540526的主权项得到授权。权项1保护了一种指纹传感器的像素电路结构，包括：

　　具有多种半导体器件的基底（substrate）；

　　基底之上有第一层金属用于互联基地上的多种半导体器件；

　　第一层金属之上有第一层电介质；

　　第一层电介质之上有第二层金属作为地平面；

　　第二层金属之上有第二层电介质；

　　第二层电介质之上有第三层金属，作为传感电极（sensing electrodes）。

　　权项1披露的“基底 + 金属层 + 介质层”的层次结构是任何在硅芯片上实现的指纹传感器不可回避的基本结构；只有“多种半导体器件”的措辞可视为公开不充分，必须进一步描述否则不符合授权要求。权项12对此进行了诠释：

　　还有屏蔽电极（shield electrode）；

　　放大器（amplifier）的输入端连接传感电极，输出端连接屏蔽电极，放大器增益大于1，以增强噪声抑制能力。

　　Shield在电路设计里可以指跟噪声抑制功能有关的任何东西。例如FPC获得授权的US7864992B2，电路原理见图2。


　　电极17的主要功能是和传感电极11b形成耦合电容Cref，但同时也起到屏蔽来自基底的噪声的作用，也就是Shield；同时，比较器13由于正输入端14接地，所以等效为以负输入端12为输入端以输出端18为输出端的放大率大于1的amplifier。也就是说US7864992B2的技术特征完全符合US9540526，所有符合US7864992B2技术特征的商品必须经US9540526授权才可销售。

　　这不是孤例，看看被Authentec收购的两家公司的专利电路图：



　　图3表明，Upek把Shield放在传感电极同层，完全符合US9540526权项1技术特征。图4中，Atrua用27模块来替代amplifier，这个置换降低了性能，所以专利法庭不支持该改动是技术发展，而认为是有意的规避专利行为。当时Atrua业务状况良好，还同时拥有Sensor + Algorithm协同设计的经验，却被Authentec以4.9M USD的价格全资收购。过低的收购价表示这是诉讼胜负已分背景下的极不对等和解。

　　所谓树大招风，弱者生存，活下来的也许不是因为强壮，只是因为暂时未引起大老虎的注意。如果历史可以重来，假使当年FPC和Validity不那么屌丝，还有没有机会活到今天的精彩呢？不妨看看另一家从第二次研发热潮生存至今的公司的专利情况以作参考吧。



　　图5.1是台湾Egistec的前身Lightuning在2003年申请的基于D-ram原理的指纹传感器专利，图5.2是Egistec于2008年在台湾申请的专利，为方便起见使用了中国大陆同一专利的附图，看起来就是用图2的风格绘制图3的电路，再插入一些冗余项。如果Egistec的专利与其产品技术一致，从US7099497B2转换到CN101727275B对产品性能无疑有提高，但从专利角度讲则跳了火坑。

　　这不是个例，看看新玩家们：







　　几乎所有的新玩家都选择了基于amplifier的电路设计。图6的1和2直接绘制amplifier符号；3和4把amplifier绘制成更底层的MOS管；5把传感电极和amplifier分别绘制在不同的附图里；6增加许多额外的电路试图看起来不一样，但专利保护范围的原则是：A+B在A的保护范围内。这似乎有点惊悚，为什么这么多企业不约而同的跳进同一个火坑里？为了产品的商业价值必须提高指纹传感器灵敏度，但一代人学习模拟电路的基础就是amplifier和ADC，他们中大多数对设计的认识就是用好amplifier和ADC。思维就禁锢在这里了，怎么可能回避amplifier？故而第3次指纹传感器研发热潮没有像前两次一样百花齐放。

　　各大佬们对抗苹果专利的措施

　　可如今Authentec归了Apple。在专利诉讼方面Apple无疑比Authentec更为强大，现阶段进行专利诉讼和毁灭性收购的得利也远胜于当年。如果世界范围内没有半导体业者能够突破Apple的专利封锁，那么智能手机行业可能在指纹识别全面普及后才突然面对指纹传感器断供。就算根据反垄断法案要求Apple必须出售，也只能在漫长的反垄断诉讼周期后买到Apple持有的相对落后技术的产品。

　　对抗Apple专利壁垒无非如下策略：Validity/Synaptics采取技术形式差异化；Qualcomm换一种物理量开展研发；Microarray提出新的电容式传感理论。

　　Validity和Authentec在信号处理上最为接近，都采用交流信号同步解调求幅的方式。图7示意了Validity传感器的电路原理：


　　Authentec发射正弦波，Validity发射方波；Authentec对正弦波同步解调，validity把方波经带通滤波器（滤成正弦波）再同步解调；Authentec的像素在硅芯片内，Validity的像素在PCB上。

　　为此Validity付出的代价是像素布线精度不够，除了降低Sensor图像分辨率，还抑制了灵敏度。图像分辨率不足导致纹理采样率不够，女性和儿童等指纹脊线周期小的用户可用性下降；灵敏度不足则降低了保护介质厚度上限，无法使用基于Cover或Mold的新型封装技术，提高了模组成本，可靠性也低。Atrua的例子已经指出，降低产品品质的技术差异化不受专利法庭支持，仍视为原发明的保护范围。所以Validity一直只制造单行和双行的Swipe指纹传感器，以形成对Authentec在产品形态上的优势。但为了市场不得不跟风Touch型指纹传感器时，就在自己并不稳固的专利防线上撕开了口子。

　　Qualcomm收购UltraScan并投入研发面向智能手机的超声波指纹传感器。因为超声波传感在物理量上不同于电，专利肯定没问题。但超声波指纹传感器技术多年来一直没有成熟自有其道理。超声波成像技术和雷达领域的孔径合成图像接近，需要大量复杂的浮点运算，对阵元的一致性更有苛刻的要求，和CMOS制程的电容式指纹传感器相比则缺少成熟的材料和制程。作为一个著名的半导体设计公司，把数字运算低成本实现是本行，但要大批量低成本制造超声波阵列就不在行了，只能依靠被**的UltraScan团队。总之这玩意值得憧憬，也值得等待。


　　迈瑞微提出“C-Q-T”型电容式指纹传感器，《电容式距离传感器》CN201210403271.2和《边沿时间读出电路》CN201210405080.X已经获得中国知识产权局的发明专利授权，国际公开和国际申请也在按部就班进行。“C-Q-T”摒弃了传统的amplifier，因为指纹传感器的保护介质增大到100um级别时，电路背景分量和干扰分量都远大于指纹信号分量，从指纹信号角度看这是一个负信噪比信号，用amplifier已经不合适了。发明人另辟蹊径，把背景和干扰看作信号，把指纹信号看作单向偏移，并使用具有“放大偏移，抑制信号”特点的时间积分电路。具体就是设计一个把固定的电容积分充满的时间过程，用指纹信号分量的引入来影响电容积分充满的速率，从而实现对指纹信号分量的测量。基于传感器的术语规则，这被命名为“C”（电容）to“Q”（电荷）to“T”（时间），表明这是一个两次间接测量的传感器。而传统的电容式包括Passive和Active（RF）大多是“C”（电容）to“V”（电压）传感器，部分是“C”（电容）to“I”（电流）to“V”（电压）传感器。为什么一定以电压为最终量，前面提到过因为ADC是一代人学习和设计模拟电路的基础。Microarray在超越amplifier的同时，也超越了ADC，这对传感器大领域而言也是卓越的设计理论级别的贡献。


　　图9示意了Microarray在专利权项中锁定的该传感理论下不可规避的电路特征。在指纹传感器研发的第3次热潮中，这是唯二的令人惊叹的创造，另一个是Apple未得到授权的US 2013/0471422 A1，用驱动Sensor的GND来替代驱动手指，见图10。


　　在Validity、Qualcomm、迈瑞微电子的3种选择当中，Validity的做法不值得借鉴，既不能创造卓越的产品，也不能从本质上避免遭受专利诉讼。Qualcomm以一流企业的格调进行行业级研发，大投入、大风险、大回报，不适合大多数中国同行们学习。迈瑞微从传感理论出发推理出一个前所未有的传感器电路，这种科学家的做法，才是曙光。技术的发展既是由科学家推动的，也是由企业推动的，就好比1997年Harris藉由电场传感理论开辟的RF时代最终完成于Apple。“C-Q-T”型具有同等高灵敏度条件下比Touch ID高近一倍的Sensor占比（Sensor Size/Die Size）的优势，这使迈瑞微拥有了成为完成一个时代的企业的可能性。当然，实现这个可能性既需要自身的努力，也需要整个产业的支持。

　　指纹传感器是中国半导体设计业向器件设计级前进的一个契机。一直以来中国半导体设计业的短板是工程味太重而科学家太少。在僵化的科研体制下，科学家伪的多真的少是一方面因素；但产业地位本身没有上升到一定位置时，真科学家进入到产业也发挥不了作用，最终往往蜕变为“管理人员”，则是更现实的历史。只有器件设计级的半导体设计企业必须由科学家主导，这正是Authentec这个源自Harris的企业能够打败众多出身名门的对手站在行业顶端的原因。一些半导体设计业同行宁可在错误的产品上面赔钱，也不肯在获取知识上**，这种偏执的病态心理不能成为普遍阻碍产业升级的落后因素。只有重视科学研究，尊重知识产权，推动优秀的年轻人投入到发展中的前沿的领域，才是大成之道。

　　作者:李扬渊
　　来源：电子工程专辑

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