雷鋒網(wǎng)按：最近蘋果申請(qǐng)的“包含有靜電透鏡的電容式指紋傳感器”專利獲得美國專利與商標(biāo)局的授權(quán)，被媒體奉為“黑科技”，使得未來的Touch ID模塊可以安裝在iPhone屏幕下面。但是，這個(gè)看似高大上的技術(shù)背后，可能是違背了基礎(chǔ)技術(shù)原理。有業(yè)內(nèi)人士告訴雷鋒網(wǎng)，“專利審查經(jīng)常犯錯(cuò)，授予一些頭頭是道但違背物理原理”。當(dāng)然，這可能是蘋果商業(yè)上的一種考量（比如誤導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手？）。作者dragondevil，Microarray首席科學(xué)家、電子和軟件設(shè)計(jì)師，他認(rèn)為蘋果屏上指紋專利純屬烏龍一場(chǎng)，美專利審查不及中國高考。文章從技術(shù)角度展開，不談商業(yè)考量，希望能給你帶來不一樣的思考。

專利審查經(jīng)常犯錯(cuò)，授予一些頭頭是道但違背物理的？

讀者朋友們大家好，又到了喜聞樂見的調(diào)(ba)侃(pi)蘋果時(shí)間。我是指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域中文百科全書Dragondevil，也請(qǐng)同時(shí)關(guān)注全球百科全書Jean-Fran?ois，讓我們一起玩真科技，做真極客。

2016年10月4日，蘋果公司的發(fā)明專利US 9 460 332 B1，英文名“Capacitive Fingerprint Sensor Including an Electrostatic Lens”，中文譯名“包含有靜電透鏡的電容式指紋傳感器”獲得美國專利與商標(biāo)局的授權(quán)，引發(fā)業(yè)界熱議，據(jù)傳將成為蘋果新iPhone的屏上指紋識(shí)別技術(shù)。但經(jīng)我嚴(yán)(sui)謹(jǐn)(bian)分(kan)析(kan)，這其實(shí)是一起烏(che)龍(ji)事(ba)件(dan)，值得分(wa)析(ku)一下。

Fig1：專利授權(quán)，baidu搜索靜電透鏡結(jié)果

為了保持iPhone的顏值，蘋果公司一次又一次研發(fā)了最牛逼的技術(shù)（回顧一下《Touch ID變大！iPhone 6s的Home鍵下面隱藏著什么秘密？》），與其他各種布斯帶領(lǐng)的研發(fā)吹牛逼技術(shù)的手機(jī)公司相比，妥妥的高冷范。如果有一種技術(shù)能夠?qū)ouch ID融合在屏幕里，再把前攝等部件做適當(dāng)?shù)目臻g結(jié)構(gòu)處理，顏值爆表西方不敗的滿屏iPhone豈不就誕生啦！

Fig2： iPhone 8 滿屏概念機(jī)

遺憾的是，數(shù)學(xué)和物理是技術(shù)能力的邊界。這在信奉“人有多大膽地有多大產(chǎn)”的天朝或許尚不普及，例如“超越香農(nóng)限的編碼方法”就一度成為中國電子科學(xué)研究熱點(diǎn)，但在大洋彼岸的創(chuàng)新熱土可是寫進(jìn)法律的：美國專利法規(guī)定對(duì)于第三類永動(dòng)機(jī)及其等價(jià)形式不授予專利權(quán)。相比之下，中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局早年授予了居住在“某村某組某街道”的不同申請(qǐng)人共計(jì)27個(gè)涉及“核聚變裝置”的發(fā)明專利權(quán)，讓我的同學(xué)們困惑“萬一有天搞出來要不要交專利費(fèi)”，以至于為科學(xué)獻(xiàn)身的士氣長(zhǎng)期備受打擊。如今時(shí)移世易，給咱逮到個(gè)大洋彼岸頂尖公司的核(dou)心(bi)專利，豈能不喜(xiao)大(diao)普(da)奔(ya)？

證據(jù)一，現(xiàn)代電容指紋傳感器的物理機(jī)理是電場(chǎng)強(qiáng)度差量傳感。

1997年，SetLak在專利US 5940526披露了電場(chǎng)傳感器的定義：電容指紋傳感器所采集的是傳感電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度因指紋脊谷差異導(dǎo)致的差量，即電勢(shì)的空間梯度的差量。隨后SetLak創(chuàng)立Authentec，基于如下電路實(shí)現(xiàn)了RF型電容指紋傳感器。蘋果公司于2012年全資收購Authentec作為指紋識(shí)別研發(fā)部，仍然沿用了這套技術(shù)體系來設(shè)計(jì)Touch ID。

Fig3：專利US 5940526專利附圖12

證據(jù)二，介質(zhì)厚度提升帶來電場(chǎng)強(qiáng)度差量的超指數(shù)衰減。

蘋果在2010年申請(qǐng)的專利中闡明了這個(gè)規(guī)律，取其中文版本CN 103548035 A，如Figure 4所示。介質(zhì)厚度每增加100 um，電場(chǎng)強(qiáng)度差量視指紋脊線周期不同，降低1.5數(shù)量級(jí)到0.2數(shù)量級(jí)不等。取脊線周期為8 x 50 um，即半周期約為4像素時(shí)，400 um介質(zhì)厚度帶來的空間衰減效應(yīng)接近4個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是業(yè)界傳說400 um介質(zhì)厚度極限的來源之一（之二是我根據(jù)自家C-Q-T電路設(shè)計(jì)算出來的低成本方案極限值）。至于有些廠商展示的穿過超過400 um介質(zhì)還能看見指紋影像的demo，只因采集寬脊線周期的指紋而已，沒有實(shí)用性，與其說在欺負(fù)觀眾無知，不如說暴露出自己太無知。

Fig4：專利CN 103548035 A中電場(chǎng)強(qiáng)度差量隨距傳感器距離衰減示意圖

但手機(jī)保護(hù)蓋板和屏幕的累積厚度接近1000 um，可以預(yù)料對(duì)于較細(xì)的指紋，電場(chǎng)強(qiáng)度差量還會(huì)衰減6個(gè)數(shù)量級(jí)以上。蘋果的專利US 9 460 332 B1試圖提出一種電場(chǎng)增益結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償衰減。

證據(jù)三，專利US 9 460 332 B1把物理規(guī)律理解錯(cuò)了，其技術(shù)方案是根據(jù)錯(cuò)誤的物理理解提出來的，也就沒有實(shí)現(xiàn)技術(shù)目標(biāo)的可行性。如Figure 5所示，電場(chǎng)線主動(dòng)避開金屬層，從指紋出發(fā)穿過金屬層的空隙最終到達(dá)傳感電極，這是什么鬼？

Fig5：專利US 9 460 332 B1中分析靜電透鏡示意圖

為了證明這個(gè)錯(cuò)誤有多么低級(jí)，我找出了2004年北京高考理綜卷第21題。要理解這道高考題，考生需要知道帶電粒子在電場(chǎng)中受力方向?yàn)殡妶?chǎng)等勢(shì)面的法向，所以粒子加速度方向?yàn)閳D中標(biāo)注的代表電場(chǎng)方向藍(lán)色箭頭的反向（因?yàn)殡娮訋ж?fù)電）。本題的正確答案是D，感興趣的讀者可以手繪一下電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，和電場(chǎng)線并不重合，不能代表電場(chǎng)線方向。

Fig6：2004年北京理綜卷第21題截圖

回到Figure 5，避讓開金屬層并從空隙中穿過去的線束是神馬玩意？基本的物理常識(shí)是，電場(chǎng)不能被隨心所欲的控制，只能以具備基本電勢(shì)的帶電體作為邊界條件，依靠空間中電場(chǎng)平衡方程自動(dòng)的產(chǎn)生電勢(shì)分布，而電勢(shì)的梯度就是電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)在指紋傳感器和指紋中間插入了金屬網(wǎng)格，就是給電場(chǎng)施加了額外的內(nèi)部邊界條件，從定性分析角度，金屬導(dǎo)電的特性決定了金屬網(wǎng)格是等勢(shì)體，提供了額外的使電勢(shì)在X-Y平面方向平衡化的因子，應(yīng)使傳感電極接受到的電場(chǎng)強(qiáng)度差量進(jìn)一步衰減。從定量分析角度，進(jìn)行數(shù)值仿真，把靜電透鏡結(jié)構(gòu)造成的相對(duì)變化計(jì)算出來。

第一步要建立沒有所謂“靜電透鏡”結(jié)構(gòu)時(shí)的電場(chǎng)。首先將描述電勢(shì)的拉普拉斯方程在空間離散，得到電場(chǎng)平衡方程；其次找一條合適的曲線代替指紋，這里采用三角函數(shù)；最后將四周配上合適的邊界條件，其中上邊界指紋作為等勢(shì)面1，下邊界傳感電極為等勢(shì)面0，左右為自由邊界條件。經(jīng)有限差分法進(jìn)行數(shù)值仿真，在充分迭代退火收斂的情況下（迭代1,000,000次），得到Figure 7中的解。

Fig7：電容式傳感器計(jì)算區(qū)域，以及電勢(shì)分布

然后把“靜電透鏡”加入作為內(nèi)部邊界條件，即強(qiáng)制金屬層的非開口區(qū)域的電勢(shì)處處相等。加入單層 “靜電透鏡”，無論使金屬層非開口區(qū)域的電勢(shì)為定值還是自由值，均得到形同F(xiàn)igure 8的結(jié)論，雖然電場(chǎng)強(qiáng)度絕對(duì)值在一些條件下有所增加，但差量實(shí)實(shí)在在的衰減了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

Fig8：無靜電透鏡時(shí)傳感器表面場(chǎng)強(qiáng)分布，有靜電透鏡時(shí)傳感器表面場(chǎng)強(qiáng)分布

一層“靜電透鏡”衰減2個(gè)數(shù)量級(jí)，而蘋果的專利圖例里可是用了不止一層“靜電透鏡”。按照專利US 9 460 332 B1圖示所闡述的2層“靜電透鏡”技術(shù)方案，并把因介質(zhì)厚度提升導(dǎo)致的電場(chǎng)強(qiáng)度差量衰減看作6個(gè)數(shù)量級(jí)，則相對(duì)于400 um介質(zhì)的方案使電場(chǎng)強(qiáng)度差量衰減了10個(gè)數(shù)量級(jí)。要知道Touch ID只使用了300 um不到的藍(lán)寶石而已，單單變成400 um厚的玻璃就得衰減1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，再加上10個(gè)數(shù)量級(jí)共計(jì)一千億倍的衰減，要這么微小的量都能探測(cè)到，探索暗物質(zhì)實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越等統(tǒng)統(tǒng)是小兒科啦。

關(guān)于論證方法的有效性讀者大可不必懷疑。首先，靜電透鏡的應(yīng)用非常普遍，已經(jīng)普通到出現(xiàn)在高考物理題的地步，CRT顯像管就是最廣為人知的應(yīng)用；其次，由于任何實(shí)際測(cè)量都會(huì)給電場(chǎng)施加額外邊界條件導(dǎo)致電場(chǎng)的變化，所以“靜電透鏡”的發(fā)明本身就不來自實(shí)證，而是基于物理方程的推導(dǎo)。帶電粒子不可能主動(dòng)繞開金屬，這本應(yīng)是一個(gè)淺顯的直覺。盡管科學(xué)家們總喜歡揭示一些貌似違反常識(shí)讓人大吃一驚的物理現(xiàn)象，但這反過來其實(shí)正說明了物理學(xué)在大多數(shù)時(shí)候的普通的和符合常識(shí)的。作為電場(chǎng)理論的結(jié)果，“靜電透鏡”是技術(shù)手段；當(dāng)科學(xué)使我們獲得對(duì)自然的認(rèn)知，技術(shù)就可以進(jìn)行對(duì)具體可實(shí)施性的挖掘過程?？茖W(xué)和技術(shù)之間是因果關(guān)系，不是平行關(guān)系，決不能本末倒置。如US 9 460 332 B1這樣基于對(duì)技術(shù)手段的誤解反過來曲解科學(xué)理論，再繞回去推理構(gòu)建出的所謂新的技術(shù)方法，算得上一種高級(jí)的技術(shù)騙子套路。至于低級(jí)套路，則是無視科學(xué)研究在先的普遍共識(shí)，經(jīng)常搞點(diǎn)“世界首創(chuàng)”的24K純屌絲。 

不過話說回來，嚴(yán)肅的物理學(xué)家把物理量綱算錯(cuò)也是常有的事，所以蘋果的工程師并不可笑，值得嘲笑的是美國專利局審查員居然看走眼，此為一笑；各種“科技媒體”對(duì)“黑科技”大肆渲染，是第二笑；聽聞?dòng)腥擞么祟惣夹g(shù)融資圈錢躋身創(chuàng)業(yè)圈子，是第三笑。唐伯虎三笑能點(diǎn)秋香，蘋果工程師的一個(gè)小失誤能讓全球產(chǎn)業(yè)界三笑還能創(chuàng)造就業(yè)崗位，這既體現(xiàn)了商業(yè)巨人的力量，又體現(xiàn)不懂科學(xué)的科技媒體們的力量，以及有錢任性的風(fēng)投們的力量，都特么的有(lei)聲(sheng)有(gun)色(gun)文(wai)采(jiao)飛(li)揚(yáng)(nen)。 

須知，但凡技術(shù)體系的開辟，一定由對(duì)該領(lǐng)域的認(rèn)知提升所引領(lǐng)，圍繞之一步步建立夯實(shí)的實(shí)施方法。這就指出了真正對(duì)產(chǎn)業(yè)做出本質(zhì)性貢獻(xiàn)的人總是少之又少，凡有資格成為產(chǎn)業(yè)驕子的人一定因?yàn)樵谡J(rèn)知上達(dá)到獨(dú)有的突破。只要不是那個(gè)人，統(tǒng)統(tǒng)不值一提。高通砸了幾億美金也不能戰(zhàn)勝純超聲波方式在物理上的缺陷，對(duì)干手指的總是弱的發(fā)指。還有炒作喧囂的“活體指紋識(shí)別”，戰(zhàn)勝個(gè)把淘寶店就自以為戰(zhàn)勝全世界，卻看不見各國刑偵部門和國際犯罪集團(tuán)幾十年攻防經(jīng)驗(yàn)，隨便流點(diǎn)手段出來都不是商用廉價(jià)指紋傳感器所能抵抗的。

20年來，在半導(dǎo)體指紋傳感器領(lǐng)域既作出理論性的開辟工作又親身推動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的前輩只有2個(gè)人而已，第一位是蘋果指紋識(shí)別研發(fā)部門Authentec的技術(shù)老大Setlak，第二位前Atmel指紋識(shí)別研發(fā)部門技術(shù)老大Jean。無論商業(yè)成功的Setlak，還是商業(yè)失敗轉(zhuǎn)做百科全書的Jean，都是指紋識(shí)別行業(yè)最重要的領(lǐng)路人，他們創(chuàng)造的知識(shí)對(duì)產(chǎn)業(yè)的提升是歷史性的。拋開成敗，必須感恩：老朋友，忘年交，幸虧世上有你們，才有這個(gè)產(chǎn)業(yè)，才有這碗飯吃。只有當(dāng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)都具備飲水思源的覺悟時(shí)，才能進(jìn)入科學(xué)與技術(shù)突飛猛進(jìn)的好時(shí)代。

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