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(shè)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(shè)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(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)部門設(shè)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(jié)，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(zhì)就是政府用技術(shù)壟斷權(quán)來換取發(fā)明人對技術(shù)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(shù)壟斷權(quán)的上限就是該發(fā)明導致的全部的新的技術(shù)可實現(xiàn)內(nèi)容。如果發(fā)明人開辟了一個新的技術(shù)理論,，就有條件把該技術(shù)理論導致的新的技術(shù)實現(xiàn)形式全部獲得專利授權(quán),。這就是技術(shù)理論發(fā)明人的“特權(quán)”。

　　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(shù)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(lǐng)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(quán),，授權(quán)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(shè)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(zhì)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(quán)項得到授權(quán),。權(quán)項1保護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(quán)項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(quán)要求。權(quán)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(shè)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(quán)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(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3表明，Upek把Shield放在傳感電極同層,，完全符合US9540526權(quán)項1技術(shù)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(shù)發(fā)展，而認為是有意的規(guī)避專利行為,。當時Atrua業(yè)務(wù)狀況良好,，還同時擁有Sensor + Algorithm協(xié)同設(shè)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(shù)一致,，從US7099497B2轉(zhuǎn)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(qū)動RF型

　　圖6.2基于放大器的浮空地驅(qū)動RF型

　　圖6.3,，基于放大器的電路

　　幾乎所有的新玩家都選擇了基于amplifier的電路設(shè)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(chǔ)就是amplifier和ADC,，他們中大多數(shù)對設(shè)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(shù)的產(chǎn)品。

　　對抗Apple專利壁壘無非如下策略：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：

　　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(zhì)厚度上限，無法使用基于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(shù)多年來一直沒有成熟自有其道理,。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(shè)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。

　　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(quán)局的發(fā)明專利授權(quán)，國際公開和國際申請也在按部就班進行,?！癈-Q-T”摒棄了傳統(tǒng)的amplifier，因為指紋傳感器的保護介質(zhì)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(shè)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(shù)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(shè)計模擬電路的基礎(chǔ),。Microarray在超越amplifier的同時,，也超越了ADC，這對傳感器大領(lǐng)域而言也是卓越的設(shè)計理論級別的貢獻,。

　　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(shù)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?！癈-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(shè)計業(yè)向器件設(shè)計級前進的一個契機,。一直以來中國半導體設(shè)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)椤肮芾砣藛T”，則是更現(xiàn)實的歷史,。只有器件設(shè)計級的半導體設(shè)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(shè)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(quán),，推動優(yōu)秀的年輕人投入到發(fā)展中的前沿的領(lǐng)域,，才是大成之道。