在去年12月中旬，《手機(jī)報(bào)》曾專訪指紋芯片廠商費(fèi)恩格爾CEO黃昊（原文鏈接），當(dāng)時(shí)黃昊直言，2016年將進(jìn)行一輪大規(guī)模洗牌，指紋模組價(jià)格必須在3.5美金以下，沒(méi)想到竟一語(yǔ)中的。

指紋模組的價(jià)格很大程度上取決于指紋芯片，指紋芯片作為指紋識(shí)別的核心部件，其發(fā)展?fàn)顩r將直接左右指紋識(shí)別的未來(lái)。經(jīng)歷了去年從探索到駛上正軌的第一波發(fā)展小高潮后，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)格底線到底在哪？《手機(jī)報(bào)》將從與指紋芯片息息相關(guān)的技術(shù)路線、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價(jià)格的秘密。

一、 核心技術(shù)路線與專利

近期，敦泰與信煒指紋識(shí)別侵權(quán)糾紛鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，也讓業(yè)界再一次聚焦指紋識(shí)別知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

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)專利商標(biāo)局遞交的名為Electric Field Fingerprint Sensor Havin Enhanced Feathers and Related Methods（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。在該專利的說(shuō)明書里，發(fā)明人介紹了以往的電容式指紋傳感器（Harris之前被稱作被動(dòng)式Passive，Harris之后被稱作主動(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。如圖1所示：

圖1

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

美國(guó)的發(fā)明專利和設(shè)計(jì)專利的有效期為：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利，其有效期可以延長(zhǎng)，最多可以延長(zhǎng)5年?？梢运阋幌?，Harris的US9540526專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)別的方案都繞不開這一技術(shù)的壁壘。

雖然電容式指紋傳感器及專利早在20年前就已經(jīng)存在，但其穿透能力比較弱，不能滿足現(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利的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并申請(qǐng)專利。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果、FPC和匯頂?shù)取?/span>

下圖是FPC申請(qǐng)專利的說(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，目前蘋果走在了最前面。匯頂則在蘋果的基礎(chǔ)上提升了像素位數(shù)，將蘋果的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)專利目前已經(jīng)過(guò)期，成為公用專利，因此不存在專利侵權(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)專利的說(shuō)明圖。PIXEL設(shè)計(jì)只需幾個(gè)開關(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)路線對(duì)比可以看出，從技術(shù)路線上就產(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。

（未完待續(xù)）