在Apple、Samsung、Huawei这些世界一流智能手机大牌敞开的指纹识别年代里，根本上一切的手机品牌都认同了指纹识别即将为手机的标配，使得许多半导体规划公司纷繁涌入电容式指纹传感器的研制和商场化傍边。但在外表热烈的态势下，却隐藏着深重的危机，大大都人其实并不知道这看似热火朝天贪吃大餐，到底是美食仍是毒药。
电容式指纹传感器共经历过3次研制热潮，第1次在90年代中及曾经，第2次在2008年曾经，第3次合理其时。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制热潮中电路规划的形形色色奇思妙想，以及包含了Siemens、Philips、Infineon、Atmel、STM、Epson、Sharp、Sony、Fujitsu、Hitachi乃至Intel这么多耳熟能详的姓名的热烈程度。惋惜往事如烟，第1次热潮的玩家们早已离场。第2次热潮中建立的企业留存至今也屈指可数。第3次热潮虽然涌入了来自我国的新面孔，但大部分构思匮乏，极难看到一闪灵光。
从2013年至今，已有不少报导暗示电容式指纹传感器背面有“熟睡的专利大山君”。只需稍微查询第2次研制热潮以来产生的重要收买并购案，就知道这只大山君的所谓熟睡，其实是在等候有价值的猎物。2008年金融危机完结了第2次研制热潮，一大批企业倒闭，其间就有研制部门建立在我国深圳的Symwave。在金融危机迸发的一起，Authentec也趁机收官，2009年收买Atrua，2010年收买Upek，把金融危机冲击下硕果仅存的竞争对手收入囊中。这两个收买案的共同点是：以专利对立为序幕，以贱价收买为完结，被收买企业的产品线根本消亡。
到这儿，谜底现已呼之欲出：专利大山君便是Authentec。但Authentec凭什么成为专利大山君的呢，无妨先了解一下布景常识：
发明专利的实质便是政府用技能独占权来交换发明人对技能创新的常识进行揭露。一方面免除了发明人的后顾之虑，使发明人可以活跃投入发明发明;另一方面发明人揭露的常识促进了社会的全体展开，使社会作为全体得利。所以经过发明专利取得的技能独占权的上限便是该发明导致的悉数的新的技能可完结内容。假如发明人拓荒了一个新的技能理论，就有条件把该技能理论导致的新的技能完结方法悉数取得专利授权。这便是技能理论发明人的“特权”。
图：依据苹果公司现有专利的产品
图：苹果公司专利前史与现状
详细图解指纹技能及专利演进
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(具有增强特征和抢先办法的电场指纹传感器)的发明专利请求，于1999年8月17日取得授权，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，在该专利的阐明书里，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之后被称作自动式Active)在可靠性(尤其是ESD)上的缺乏，并依据电场理论提出了新的规划，进步了对指纹进行勘探的灵敏度，以进步传感器外表维护介质的厚度容限，来增强可靠性。如图1所示：
图1，Harris/Authentec/Apple的US9540526
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维护了一种指纹传感器的像素电路结构，包含：
具有多种半导体器材的基底(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材;
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发表的“基底 + 金属层 + 介质层”的层次结构是任安在硅芯片上完结的指纹传感器不行逃避的根本结构;只要“多种半导体器材”的遣词可视为揭露不充分，有必要进一步描绘不然不契合授权要求。权项12对此进行了诠释：还有屏蔽电极(shield electrode);
扩大器(amplifier)的输入端衔接传感电极，输出端衔接屏蔽电极，扩大器增益大于1，以增强噪声按捺才能。
Shield在电路规划里可以指跟噪声按捺功用有关的任何东西。例如FPC取得授权的US7864992B2，电路原理见图2。
图2，Fingerprint Cards AB的US7864992B2
电极17的主要功用是和传感电极11b构成耦合电容Cref，但一起也起到屏蔽来自基底的噪声的效果，也便是Shield;一起，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为输出端的扩大率大于1的amplifier。也便是说US7864992B2的技能特征完全契合US9540526，一切契合US7864992B2技能特征的产品有必要经US9540526授权才可出售。
这不是孤例，看看被Authentec收买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4，Atrua的US7256587B2
图3标明，Upek把Shield放在传感电极同层，完全契合US9540526权项1技能特征。图4中，Atrua用27模块来代替amplifier，这个置换下降了功能，所以专利法庭不支撑该改动是技能展开，而认为是有意的躲避专利行为。其时Atrua事务状况良好，还一起具有Sensor + Algorithm协同规划的经历，却被Authentec以4.9M USD的价格全资收买。过低的收买价标明这是诉讼输赢已分布景下的极不对等宽和。
所谓树大招风，弱者生计，活下来的或许不是由于健壮，仅仅由于暂时未引起大山君的留意。假如前史可以重来，倘若当年FPC和Validity不那么潘浚还有没有机会活到今日的精彩呢?无妨看看另一家从第2次研制热潮生计至今的公司的专利状况以作参阅吧。
图5.1，Egistec前身Lightuning的US7099497B2
图5.2，Egistec的CN101727275B
图5.1是台湾Egistec的前身Lightuning在2003年请求的依据D-ram原理的指纹传感器专利，图5.2是Egistec于2008年在台湾请求的专利，为便利起见运用了我国大陆同一专利的附图，看起来便是用图2的风格制作图3的电路，再刺进一些冗余项。假如Egistec的专利与其产品技能共同，从US7099497B2转换到CN101727275B对产品功能无疑有进步，但从专利视点讲则跳了火坑。
这不是个例，看看新玩家们：
图6.1依据扩大器的正弦驱动RF型
图6.2依据扩大器的浮空位驱动RF型
图6.3，依据扩大器的电路
图6.4改善扩大器的电路
图6.5 添加了Dummy开关，且没有制作传感电极的电路
图6.6，十分十分杂乱化后的电路
简直一切的新玩家都挑选了依据amplifier的电路规划。图6的1和2直接制作amplifier符号;3和4把amplifier制作成更底层的MOS管;5把传感电极和amplifier别离制作在不同的附图里;6添加许多额定的电路企图看起来不相同，但专利维护规模的原则是：A+B在A的维护规模内。这好像有点惊悚，为什么这么多企业不谋而合的跳进同一个火坑里?为了产品的商业价值有必要进步指纹传感器灵敏度，但一代人学习模仿电路的根底便是amplifier和ADC，他们中大大都对规划的知道便是用好amplifier和ADC。思想就禁闭在这儿了，怎么可能逃避amplifier?故而第3次指纹传感器研制热潮没有像前两次相同百家争鸣。
各大佬们对立苹果专利的办法
可现在Authentec归了Apple。在专利诉讼方面Apple无疑比Authentec更为强壮，现阶段进行专利诉讼和毁灭性收买的得利也远胜于当年。假如世界规模内没有半导体业者可以打破Apple的专利封闭，那么智能手机职业可能在指纹识别全面遍及后才忽然面临指纹传感器断供。就算依据反独占法案要求Apple有必要出售，也只能在绵长的反独占诉讼周期后买到Apple持有的相对落后技能的产品。
对立Apple专利壁垒无非如下战略：Validity/Synaptics采纳技能方法差异化;Qualcomm换一种物理量展开研制;Microarray提出新的电容式传感理论。
Validity和Authentec在信号处理上最为挨近，都选用沟通信号同步解调求幅的方法。图7暗示了Validity传感器的电路原理：
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支付的价值是像素布线精度不行，除了下降Sensor图画分辨率，还按捺了灵敏度。图画分辨率缺乏导致纹路采样率不行，女人和儿童等指纹脊线周期小的用户可用性下降;灵敏度缺乏则下降了维护介质厚度上限，无法运用依据Cover或Mold的新式封装技能，进步了模组本钱，可靠性也低。Atrua的比如现已指出，下降产品品质的技能差异化不受专利法庭支撑，仍视为原发明的维护规模。所以Validity一向只制作单行和双行的Swipe指纹传感器，以构成对Authentec在产品形状上的优势。但为了商场不得不跟风Touch型指纹传感器时，就在自己并不安定的专利防线上撕开了口儿。
Qualcomm收买UltraScan并投入研制面向智能手机的超声波指纹传感器。由于超声波传感在物理量上不同于电，专利必定没问题。但超声波指纹传感器技能多年来一向没有老练自有其道理。超声波成像技能和雷达范畴的孔径组成图画挨近，需求很多杂乱的浮点运算，对阵元的共同性更有严苛的要求，和CMOS制程的电容式指纹传感器比较则短少老练的资料和制程。作为一个闻名的半导体规划公司，把数字运算低本钱完结是本行，但要大批量低本钱制作超声波阵列就不在行了，只能依托被出资的UltraScan团队。总归这玩意值得神往，也值得等候。
图8，高通的超声波指纹传感器和组成的指纹图象
迈瑞微提出“C-Q-T”型电容式指纹传感器，《电容式间隔传感器》CN201210403271.2和《边缘时刻读出电路》CN201210405080.X现已取得我国常识产权局的发明专利授权，世界揭露和世界请求也在墨守成规进行。“C-Q-T”摒弃了传统的amplifier，由于指纹传感器的维护介质增大到100um等级时，电路布景重量和搅扰重量都远大于指纹信号重量，从指纹信号视点看这是一个负信噪比信号，用amplifier现已不合适了。发明人另辟蹊径，把布景和搅扰看作信号，把指纹信号看作单向偏移，并运用具有“扩大偏移，按捺信号”特色的时刻积分电路。详细便是规划一个把固定的电容积分充溢的时刻进程，用指纹信号重量的引进来影响电容积分充溢的速率，然后完结对指纹信号重量的丈量。依据传感器的术语规矩，这被命名为“C”(电容)to“Q”(电荷)to“T”(时刻)，标明这是一个两次间接丈量的传感器。而传统的电容式包含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。为什么必定以电压为终究量，前面提到过由于ADC是一代人学习和规划模仿电路的根底。Microarray在逾越amplifier的一起，也逾越了ADC，这对传感器大范畴而言也是杰出的规划理论等级的奉献。
图9，“C-Q-T”的电路图和读出电路图
图9暗示了Microarray在专利权项中确定的该传感理论下不行躲避的电路特征。在指纹传感器研制的第3次热潮中，这是唯二的令人惊叹的发明，另一个是Apple未得到授权的US 2013/0471422 A1，用驱动Sensor的GND来代替驱动手指，见图10。
图10，Apple的浮空位驱动电路
在Validity、Qualcomm、迈瑞微电子的3种挑选傍边，Validity的做法不值得学习，既不能发明杰出的产品，也不能从实质上防止遭受专利诉讼。Qualcomm以一流企业的风格进行职业级研制，大投入、大危险、大报答，不适合大大都我国同行们学习。迈瑞微从传感理论动身推理出一个史无前例的传感器电路，这种科学家的做法，才是曙光。技能的展开既是由科学家推进的，也是由企业推进的，就比如1997年Harris藉由电场传感理论拓荒的RF年代终究完结于Apple。“C-Q-T”型具有平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，这使迈瑞微具有了成为完结一个年代的企业的可能性。当然，完结这个可能性既需求本身的尽力，也需求整个工业的支撑。
