指紋識別技術(shù)解析：蘋果屏上指紋烏龍一場，美專利審查不及中國高考

雷鋒網(wǎng)按：最近蘋果申請的“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，授予一些頭頭是道但違背物理原理”。當然，這可能是蘋果商業(yè)上的一種考量（比如誤導(dǎo)競爭對手？）。作者dragondevil，Microarray首席科學家、電子和軟件設(shè)計師，他認為蘋果屏上指紋專利純屬烏龍一場，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，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)蘋果時間。我是指紋識別技術(shù)領(lǐng)域中文百科全書Dragondevil，也請同時關(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的屏上指紋識別技術(shù)。但經(jīng)我嚴(sui)謹(bian)分(kan)析(kan)，這其實是一起烏(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?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

遺憾的是，數(shù)學和物理是技術(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研究熱點，但在大洋彼岸的創(chuàng)新熱土可是寫進法律的：美國專利法規(guī)定對于第三類永動機及其等價形式不授予專利權(quán)。相比之下，中國知識產(chǎn)權(quán)局早年授予了居住在“某村某組某街道”的不同申請人共計27個涉及“核聚變裝置”的發(fā)明專利權(quán)，讓我的同學們困惑“萬一有天搞出來要不要交專利費”，以至于為科學獻身的士氣長期備受打擊。如今時移世易，給咱逮到個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理是電場強度差量傳感。

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

Fig3：專利US 5940526專利附圖12

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

蘋果在2010年申請的專利中闡明了這個規(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，電場強度差量視指紋脊線周期不同，降低1.5數(shù)量級到0.2數(shù)量級不等。取脊線周期為8 x 50 um，即半周期約為4像素時，400 um介質(zhì)厚度帶來的空間衰減效應(yīng)接近4個數(shù)量級。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，沒有實用性，與其說在欺負觀眾無知，不如說暴露出自己太無知。

Fig4：專利CN 103548035 A中電場強度差量隨距傳感器距離衰減示意圖

但手機保護蓋板和屏幕的累積厚度接近1000 um，可以預(yù)料對于較細的指紋，電場強度差量還會衰減6個數(shù)量級以上。蘋果的專利US 9 460 332 B1試圖提出一種電場增益結(jié)構(gòu)來補償衰減。

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

Fig5：專利US 9 460 332 B1中分析靜電透鏡示意圖

為了證明這個錯誤有多么低級，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中受力方向為電場等勢面的法向，所以粒子加速度方向為圖中標注的代表電場方向藍色箭頭的反向（因為電子帶負電）。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動軌跡，和電場線并不重合，不能代表電場線方向。

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？基本的物理常識是，電場不能被隨心所欲的控制，只能以具備基本電勢的帶電體作為邊界條件，依靠空間中電場平衡方程自動的產(chǎn)生電勢分布，而電勢的梯度就是電場強度。當在指紋傳感器和指紋中間插入了金屬網(wǎng)格，就是給電場施加了額外的內(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)格是等勢體，提供了額外的使電勢在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強度差量進一步衰減。從定量分析角度，進行數(shù)值仿真，把靜電透鏡結(jié)構(gòu)造成的相對變化計算出來。

第一步要建立沒有所謂“靜電透鏡”結(jié)構(gòu)時的電場。首先將描述電勢的拉普拉斯方程在空間離散，得到電場平衡方程；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面1，下邊界傳感電極為等勢面0，左右為自由邊界條件。經(jīng)有限差分法進行數(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：電容式傳感器計算區(qū)域，以及電勢分布

然后把“靜電透鏡”加入作為內(nèi)部邊界條件，即強制金屬層的非開口區(qū)域的電勢處處相等。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，雖然電場強度絕對值在一些條件下有所增加，但差量實實在在的衰減了2個數(shù)量級。

Fig8：無靜電透鏡時傳感器表面場強分布，有靜電透鏡時傳感器表面場強分布

一層“靜電透鏡”衰減2個數(shù)量級，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)致的電場強度差量衰減看作6個數(shù)量級，則相對于400 um介質(zhì)的方案使電場強度差量衰減了10個數(shù)量級。要知道Touch ID只使用了300 um不到的藍寶石而已，單單變成400 um厚的玻璃就得衰減1個數(shù)量級以上，再加上10個數(shù)量級共計一千億倍的衰減，要這么微小的量都能探測到，探索暗物質(zhì)實現(xiàn)時空穿越等統(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，由于任何實際測量都會給電場施加額外邊界條件導(dǎo)致電場的變化，所以“靜電透鏡”的發(fā)明本身就不來自實證，而是基于物理方程的推導(dǎo)。帶電粒子不可能主動繞開金屬，這本應(yīng)是一個淺顯的直覺。盡管科學家們總喜歡揭示一些貌似違反常識讓人大吃一驚的物理現(xiàn)象，但這反過來其實正說明了物理學在大多數(shù)時候的普通的和符合常識的。作為電場理論的結(jié)果，“靜電透鏡”是技術(shù)手段；當科學使我們獲得對自然的認知，技術(shù)就可以進行對具體可實施性的挖掘過程。科學和技術(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這樣基于對技術(shù)手段的誤解反過來曲解科學理論，再繞回去推理構(gòu)建出的所謂新的技術(shù)方法，算得上一種高級的技術(shù)騙子套路。至于低級套路，則是無視科學研究在先的普遍共識，經(jīng)常搞點“世界首創(chuàng)”的24K純屌絲。 

不過話說回來，嚴肅的物理學家把物理量綱算錯也是常有的事，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“黑科技”大肆渲染，是第二笑；聽聞有人用此類技術(shù)融資圈錢躋身創(chuàng)業(yè)圈子，是第三笑。唐伯虎三笑能點秋香，蘋果工程師的一個小失誤能讓全球產(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)不懂科學的科技媒體們的力量，以及有錢任性的風投們的力量，都特么的有(lei)聲(sheng)有(gun)色(gun)文(wai)采(jiao)飛(li)揚(nen)。 

須知，但凡技術(shù)體系的開辟，一定由對該領(lǐng)域的認知提升所引領(lǐng)，圍繞之一步步建立夯實的實施方法。這就指出了真正對產(chǎn)業(yè)做出本質(zhì)性貢獻的人總是少之又少，凡有資格成為產(chǎn)業(yè)驕子的人一定因為在認知上達到獨有的突破。只要不是那個人，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，對干手指的總是弱的發(fā)指。還有炒作喧囂的“活體指紋識別”，戰(zhàn)勝個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幾十年攻防經(jīng)驗，隨便流點手段出來都不是商用廉價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技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進步的前輩只有2個人而已，第一位是蘋果指紋識別研發(fā)部門Authentec的技術(shù)老大Setlak，第二位前Atmel指紋識別研發(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，都是指紋識別行業(yè)最重要的領(lǐng)路人，他們創(chuàng)造的知識對產(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，才有這個產(chǎn)業(yè)，才有這碗飯吃。只有當整個產(chǎn)業(yè)都具備飲水思源的覺悟時，才能進入科學與技術(shù)突飛猛進的好時代。

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