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指纹识别芯片背后的大老虎,其实一直没沉睡

李扬渊?? 迈瑞微电子CTO?? 2015年08月20日 ?? 收藏1

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:

图1,Harris/Authentec/Apple的US9540526
图1,Harris/Authentec/Apple的US9540526

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。

图2,Fingerprint Cards AB的US7864992B2
图2,Fingerprint Cards AB的US7864992B2

 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,Upek专利组合中的电路原理图
图3,Upek专利组合中的电路原理图

图4,Atrua的US7256587B2
图4,Atrua的US7256587B2

 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,Egistec前身Lightuning的US7099497B2
图5.1,Egistec前身Lightuning的US7099497B2

图5.2,Egistec的CN101727275B
图5.2,Egistec的CN101727275B

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:

图6.1基于放大器的正弦驱动RF型
图6.1基于放大器的正弦驱动RF型

图6.2基于放大器的浮空地驱动RF型
图6.2基于放大器的浮空地驱动RF型

图6.3,基于放大器的电路
图6.3,基于放大器的电路

图6.4改进放大器的电路
图6.4改进放大器的电路

图6.5 增加了Dummy开关,且没有绘制传感电极的电路
图6.5 增加了Dummy开关,且没有绘制传感电极的电路

图6.6,非常非常复杂化后的电路
图6.6,非常非常复杂化后的电路

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。

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第3页:各大佬们对抗苹果专利的措施



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电容式指纹传感器? 苹果? 专利?

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