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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

  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:

图7,Validity的US71460B2
图7,Validity的US71460B2

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,只能依靠被投资的UltraScan团队。总之这玩意值得憧憬,也值得等待。

图8,高通的超声波指纹传感器和合成的指纹图象
图8,高通的超声波指纹传感器和合成的指纹图象

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,“C-Q-T”的电路图和读出电路图
图9,“C-Q-T”的电路图和读出电路图

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。

图10,Apple的浮空地驱动电路
图10,Apple的浮空地驱动电路

 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投资,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。

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电容式指纹传感器? 苹果? 专利?

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