指纹识别芯片深度剖析第一波—核心技术

         据业内人士透露,在2016年刚迎来开春之际,指纹识别的价格战就已早早上演。从ODM厂商的反馈来看,已经有指纹芯片厂商报出了3.2美金的模组价格。2014年指纹模组价格还维持在10美金以上的高位,2015年指纹模组价格直接砍半,跌到5美金附近,而到了今年开春,指纹模组价格就已经跌至3美金附近。


   指纹模块的价格很大程度上取决于指纹芯片,指纹芯片作为指纹识别的核心部件,其发展状况将直接左右指纹识别的未来。经历了去年从探索到驶上正轨的第一波发展小高潮后,当前指纹芯片的现状究竟如何,是哪些因素决定了指纹芯片的价格,指纹芯片与模组的价格底线到底在哪?《手机报》将从与指纹芯片息息相关的技术路线、算法以及封装工艺三个方面,结合技术与市场,深度解析指纹芯片及模组价格的秘密。


      一、核心技术路线与专利


        说到指纹识别,最关键的技术其实就是检测手指电容的半导体电容传感器技术。不管是主动式还是被动式,它都是电容式传感器技术。就像“天下武学皆出自少林”一样,现阶段,所有指纹识别半导体传感器技术都源于1997年5月16日Harris向美国专利商标局递交的名为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,该申请于1999年8月17日获得授权,授权号US9540526。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),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:

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        该公司后被Authen tec收购,Authen tec在此基础上进一步研发出射频式传感器技术。而Authen tec拥有的这项专利与技术也成为了苹果收购它的原因之一。

   

        美国的发明专利和设计专利的有效期为:95年6月8日之前的,保护期自授权之日起算17年;95年6月8日之后的,自最早申请日起20年,注意,是最早申请日起算。此外,如果保护范围涉及组合物或者使用该组合物方法的专利,其有效期可以延长,最多可以延长5年。可以算一下,Harris的US9540526专利有效期至少可以到2017年5月16日。也就是说,在此期间,采用主动式的电容指纹识别的方案都绕不开这一技术的壁垒。


        虽然电容式指纹传感器及专利早在20年前就已经存在,但其穿透能力比较弱,不能满足现今的手机应用。为了提高指纹传感器的穿透能力,各指纹传感器设计公司都是在原有电容传感器专利的基础上进行改进并申请专利。提高指纹传感器穿透能力的有效办法是消除PIXEL的寄生电容和噪声,根据消除PIXEL寄生电容的方式,目前已形成两大主流派别。


        1.升压与调制派

  

        该技术流派简单说就是采用浮地设计,需要使用外围驱动或调制芯片配合起来消除PIXEL的寄生电容。


        第一种是升压。通过添加一颗驱动芯片,将电压从一般的2.8~3.3V提升至12~16V。该方法虽然能极大提升芯片穿透力,但也带来了功耗多的缺点。另外,有些人对电压比较敏感,在使用时会有刺痛感。目前采用升压方式提升穿透力的芯片厂商主要有思立微、信炜等。


        升压方式在使用体验上存在缺陷,于是人们又采用了第二种方法,就是调制。该方法让金属环不用带高电压,取而代之的是带有b电频。然后通过添加一颗调制芯片,将电源调制为负电压。这样既能提升穿透力,又解决了刺痛感的问题,但仍然没解决功耗高的缺点。目前采用调制法的芯片厂商主要有苹果、FPC和汇顶等。


        下图是FPC申请专利的说明图,通过外围驱动芯片产生下图所示驱动信号32,其优点是通过PIXEL的浮地设计及配合外围驱动芯片能够将PIXEL的大部分寄生电容消除,其缺点是使用浮地设计,外围驱动芯片不能整合到指纹芯片里面,设计结构复杂,需要使用外围驱动芯片,良率低,成本高。

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        以Harris的电容式传感器技术为基础的技术路线,目前苹果走在了最前面。汇顶则在苹果的基础上提升了像素位数,将苹果的8位像素提升至16位。而不论是升压还是调制,都需要额外增加一颗芯片来解决穿透力的问题。这两种方法的共同特点是:穿透力高、功耗高、成本高(多芯片)。

        2.纯电容式派


        纯电容技术的源头来自于上世纪80年代的平板电容原理。由于已经过去20年,该技术专利目前已经过期,成为公用专利,因此不存在专利侵权的风险。


        纯电容式技术使用电荷泵结构的单芯片设计,不需要使用外围驱动芯片配合来消除寄生电容,也可以不带金属环。目前采用纯电容式技术的芯片厂商主要有费恩格尔、迈瑞微、神盾等,另外,汇顶也刚推出单芯片产品。


        PIXEL设计只需几个开关管,配合反馈电路及相应的处理时序,实现消除寄生电容、PIXEL之间的FPN、及电源干扰。其优点是电路结构简单,不需要外围驱动芯片,功耗低,良率高达99%以上,成本较低。

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        总的来说,采用纯电容式技术的传感器具有成本低(单芯片)、功耗低(射频式传感器的四分之一)的优点。但相对的,该技术对半导体工艺及传感器设计团队的要求较高。


        从目前指纹识别传感器的两种主要技术路线对比可以看出,从技术路线上就产生了价格区别——采用升压或调制的指纹传感器由于需要多颗芯片,成本自然较高;采用纯电容式技术的指纹传感器由于只需要单芯片,成本自然较低。随着半导体工艺的发展及传感器设计团队水平逐渐提高,纯电容式技术的成本优势将愈发明显。