從iphone5配備指紋識(shí)別功能以來(lái)，指紋識(shí)別功能已成為市場(chǎng)大勢(shì)所趨，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，在2016年剛迎來(lái)開(kāi)春之際，指紋識(shí)別芯片的價(jià)格戰(zhàn)就已早早上演。

在眾多芯片當(dāng)中，來(lái)自成都的新銳公司費(fèi)恩格爾已經(jīng)成為市場(chǎng)上的生力軍，借由先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，背靠成本合理的成都微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，其性能優(yōu)異價(jià)格合理的產(chǎn)品在市場(chǎng)已大量出貨。

指紋芯片模組價(jià)格，從十幾美金已經(jīng)直線(xiàn)跌落至費(fèi)恩格爾量產(chǎn)出貨的4美元區(qū)間。當(dāng)前指紋芯片的現(xiàn)狀究竟如何，是哪些因素決定了指紋芯片的價(jià)格，指紋芯片與模組的價(jià)格底線(xiàn)到底在哪?

應(yīng)我們邀請(qǐng)，費(fèi)恩格爾CEO黃昊先生，從與指紋芯片息息相關(guān)的技術(shù)路線(xiàn)、算法以及封裝工藝三個(gè)方面，結(jié)合技術(shù)與市場(chǎng)，深度解析指紋芯片及模組的專(zhuān)利構(gòu)成與價(jià)格成本的秘密。以下內(nèi)容由費(fèi)恩格爾協(xié)助提供。

一、核心技術(shù)路線(xiàn)與專(zhuān)利

說(shuō)到指紋識(shí)別，最關(guān)鍵的技術(shù)其實(shí)就是檢測(cè)手指電容的半導(dǎo)體電容傳感器技術(shù)。不管是主動(dòng)式還是被動(dòng)式，它都是電容式傳感器技術(shù)。就像“天下武學(xué)皆出自少林”一樣，現(xiàn)階段，所有指紋識(shí)別半導(dǎo)體傳感器技術(shù)都源于1997年5月16日Harris向美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局遞交的名為ElectricFieldFingerprintSensorHavingEnhancedFeathersandRelatedMethods(具有增強(qiáng)特征和領(lǐng)先方法的電場(chǎng)指紋傳感器)的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，該申請(qǐng)于1999年8月17日獲得授權(quán)，授權(quán)號(hào)US9540526。在該專(zhuān)利的說(shuō)明書(shū)里，發(fā)明人介紹了以往的電容式指紋傳感器(Harris之前被稱(chēng)作被動(dòng)式Passive，Harris之后被稱(chēng)作主動(dòng)式Active)，并基于電場(chǎng)理論提出了新的設(shè)計(jì)，提高了對(duì)指紋進(jìn)行探測(cè)的靈敏度，以提高傳感器表面保護(hù)介質(zhì)的厚度容限來(lái)增強(qiáng)可靠性。

該公司后被Authentec收購(gòu)，Authentec在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)出射頻式傳感器技術(shù)。而Authentec擁有的這項(xiàng)專(zhuān)利與技術(shù)也成為了蘋(píng)果收購(gòu)它的原因之一。

美國(guó)的發(fā)明專(zhuān)利和設(shè)計(jì)專(zhuān)利的有效期為：95年6月8日之前的，保護(hù)期自授權(quán)之日起算17年;95年6月8日之后的，自最早申請(qǐng)日起20年，注意，是最早申請(qǐng)日起算。此外，如果保護(hù)范圍涉及組合物或者使用該組合物方法的專(zhuān)利，其有效期可以延長(zhǎng)，最多可以延長(zhǎng)5年。可以算一下，Harris的US9540526專(zhuān)利有效期至少可以到2017年5月16日。也就是說(shuō)，在此期間，采用主動(dòng)式的電容指紋識(shí)別的方案都繞不開(kāi)這一技術(shù)的壁壘。

雖然電容式指紋傳感器及專(zhuān)利早在20年前就已經(jīng)存在，但其穿透能力比較弱，不能滿(mǎn)足現(xiàn)今的手機(jī)應(yīng)用。為了提高指紋傳感器的穿透能力，各指紋傳感器設(shè)計(jì)公司都是在原有電容傳感器專(zhuān)利的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并申請(qǐng)專(zhuān)利。提高指紋傳感器穿透能力的有效辦法是消除PIXEL的寄生電容和噪聲，根據(jù)消除PIXEL寄生電容的方式，目前已形成兩大主流派別。

1.升壓與調(diào)制派

該技術(shù)流派簡(jiǎn)單說(shuō)就是采用浮地設(shè)計(jì)，需要使用外圍驅(qū)動(dòng)或調(diào)制芯片配合起來(lái)消除PIXEL的寄生電容。

第一種是升壓。通過(guò)添加一顆驅(qū)動(dòng)芯片，將電壓從一般的2.8~3.3V提升至12~16V。該方法雖然能極大提升芯片穿透力，但也帶來(lái)了功耗多的缺點(diǎn)。另外，有些人對(duì)電壓比較敏感，在使用時(shí)會(huì)有刺痛感。目前采用升壓方式提升穿透力的芯片廠商主要有思立微、信煒等。

升壓方式在使用體驗(yàn)上存在缺陷，于是人們又采用了第二種方法，就是調(diào)制。該方法讓金屬環(huán)不用帶高電壓，取而代之的是帶有b電頻。然后通過(guò)添加一顆調(diào)制芯片，將電源調(diào)制為負(fù)電壓。這樣既能提升穿透力，又解決了刺痛感的問(wèn)題，但仍然沒(méi)解決功耗高的缺點(diǎn)。目前采用調(diào)制法的芯片廠商主要有蘋(píng)果、FPC和匯頂?shù)取?/p>

下圖是FPC申請(qǐng)專(zhuān)利的說(shuō)明圖，通過(guò)外圍驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生下圖所示驅(qū)動(dòng)信號(hào)32，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)PIXEL的浮地設(shè)計(jì)及配合外圍驅(qū)動(dòng)芯片能夠?qū)IXEL的大部分寄生電容消除，其缺點(diǎn)是使用浮地設(shè)計(jì)，外圍驅(qū)動(dòng)芯片不能整合到指紋芯片里面，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用外圍驅(qū)動(dòng)芯片，良率低，成本高。

以Harris的電容式傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)路線(xiàn)，目前蘋(píng)果走在了最前面。匯頂則在蘋(píng)果的基礎(chǔ)上提升了像素位數(shù)，將蘋(píng)果的8位像素提升至16位。而不論是升壓還是調(diào)制，都需要額外增加一顆芯片來(lái)解決穿透力的問(wèn)題。這兩種方法的共同特點(diǎn)是：穿透力高、功耗高、成本高(多芯片)。

2.純電容式派

純電容技術(shù)的源頭來(lái)自于上世紀(jì)80年代的平板電容原理。由于已經(jīng)過(guò)去20年，該技術(shù)專(zhuān)利目前已經(jīng)過(guò)期，成為公用專(zhuān)利，因此不存在專(zhuān)利侵權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)。

純電容式技術(shù)使用電荷泵結(jié)構(gòu)的單芯片設(shè)計(jì)，不需要使用外圍驅(qū)動(dòng)芯片配合來(lái)消除寄生電容，也可以不帶金屬環(huán)。目前采用純電容式技術(shù)的芯片廠商主要有費(fèi)恩格爾、邁瑞微、神盾等，另外，匯頂也剛推出單芯片產(chǎn)品。

下圖是費(fèi)恩格爾申請(qǐng)專(zhuān)利的說(shuō)明圖。PIXEL設(shè)計(jì)只需幾個(gè)開(kāi)關(guān)管，配合反饋電路及相應(yīng)的處理時(shí)序，實(shí)現(xiàn)消除寄生電容、PIXEL之間的FPN、及電源干擾。其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外圍驅(qū)動(dòng)芯片，功耗低，良率高達(dá)99%以上，成本較低。

總的來(lái)說(shuō)，采用純電容式技術(shù)的傳感器具有成本低(單芯片)、功耗低(射頻式傳感器的四分之一)的優(yōu)點(diǎn)。但相對(duì)的，該技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體工藝及傳感器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的要求較高。

從目前指紋識(shí)別傳感器的兩種主要技術(shù)路線(xiàn)對(duì)比可以看出，從技術(shù)路線(xiàn)上就產(chǎn)生了價(jià)格區(qū)別——采用升壓或調(diào)制的指紋傳感器由于需要多顆芯片，成本自然較高;采用純電容式技術(shù)的指紋傳感器由于只需要單芯片，成本自然較低。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展及傳感器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)水平逐漸提高，純電容式技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)將愈發(fā)明顯。