指纹识别技术解析：苹果屏上指纹乌龙一场，美专利审查不及中国高考

雷锋网按：最近苹果申请的“包含有静电透镜的电容式指纹传感器”专利获得美国专利与商标局的授权，被媒体奉为“黑科技”，使得未来的Touch ID模块可以安装在iPhone屏幕下面。但是，这个看似高大上的技术背后，可能是违背了基础技术原理。有业内人士告诉雷锋网，“专利审查经常犯错，授予一些头头是道但违背物理原理”。当然，这可能是苹果商业上的一种考量（比如误导竞争对手？）。作者dragondevil，Microarray首席科学家、电子和软件设计师，他认为苹果屏上指纹专利纯属乌龙一场，美专利审查不及中国高考。文章从技术角度展开，不谈商业考量，希望能给你带来不一样的思考。

专利审查经常犯错，授予一些头头是道但违背物理的？

读者朋友们大家好，又到了喜闻乐见的调(ba)侃(pi)苹果时间。我是指纹识别技术领域中文百科全书Dragondevil，也请同时关注全球百科全书Jean-François，让我们一起玩真科技，做真极客。

2016年10月4日，苹果公司的发明专利US 9 460 332 B1，英文名“Capacitive Fingerprint Sensor Including an Electrostatic Lens”，中文译名“包含有静电透镜的电容式指纹传感器”获得美国专利与商标局的授权，引发业界热议，据传将成为苹果新iPhone的屏上指纹识别技术。但经我严(sui)谨(bian)分(kan)析(kan)，这其实是一起乌(che)龙(ji)事(ba)件(dan)，值得分(wa)析(ku)一下。

Fig1：专利授权，baidu搜索静电透镜结果

为了保持iPhone的颜值，苹果公司一次又一次研发了最牛逼的技术（回顾一下《Touch ID变大！iPhone 6s的Home键下面隐藏着什么秘密？》），与其他各种布斯带领的研发吹牛逼技术的手机公司相比，妥妥的高冷范。如果有一种技术能够将Touch ID融合在屏幕里，再把前摄等部件做适当的空间结构处理，颜值爆表西方不败的满屏iPhone岂不就诞生啦！

Fig2： iPhone 8 满屏概念机

遗憾的是，数学和物理是技术能力的边界。这在信奉“人有多大胆地有多大产”的天朝或许尚不普及，例如“超越香农限的编码方法”就一度成为中国电子科学研究热点，但在大洋彼岸的创新热土可是写进法律的：美国专利法规定对于第三类永动机及其等价形式不授予专利权。相比之下，中国知识产权局早年授予了居住在“某村某组某街道”的不同申请人共计27个涉及“核聚变装置”的发明专利权，让我的同学们困惑“万一有天搞出来要不要交专利费”，以至于为科学献身的士气长期备受打击。如今时移世易，给咱逮到个大洋彼岸顶尖公司的核(dou)心(bi)专利，岂能不喜(xiao)大(diao)普(da)奔(ya)？

证据一，现代电容指纹传感器的物理机理是电场强度差量传感。

1997年，SetLak在专利US 5940526披露了电场传感器的定义：电容指纹传感器所采集的是传感电极表面电场强度因指纹脊谷差异导致的差量，即电势的空间梯度的差量。随后SetLak创立Authentec，基于如下电路实现了RF型电容指纹传感器。苹果公司于2012年全资收购Authentec作为指纹识别研发部，仍然沿用了这套技术体系来设计Touch ID。

Fig3：专利US 5940526专利附图12

证据二，介质厚度提升带来电场强度差量的超指数衰减。

苹果在2010年申请的专利中阐明了这个规律，取其中文版本CN 103548035 A，如Figure 4所示。介质厚度每增加100 um，电场强度差量视指纹脊线周期不同，降低1.5数量级到0.2数量级不等。取脊线周期为8 x 50 um，即半周期约为4像素时，400 um介质厚度带来的空间衰减效应接近4个数量级。这就是业界传说400 um介质厚度极限的来源之一（之二是我根据自家C-Q-T电路设计算出来的低成本方案极限值）。至于有些厂商展示的穿过超过400 um介质还能看见指纹影像的demo，只因采集宽脊线周期的指纹而已，没有实用性，与其说在欺负观众无知，不如说暴露出自己太无知。

Fig4：专利CN 103548035 A中电场强度差量随距传感器距离衰减示意图

但手机保护盖板和屏幕的累积厚度接近1000 um，可以预料对于较细的指纹，电场强度差量还会衰减6个数量级以上。苹果的专利US 9 460 332 B1试图提出一种电场增益结构来补偿衰减。

证据三，专利US 9 460 332 B1把物理规律理解错了，其技术方案是根据错误的物理理解提出来的，也就没有实现技术目标的可行性。如Figure 5所示，电场线主动避开金属层，从指纹出发穿过金属层的空隙最终到达传感电极，这是什么鬼？

Fig5：专利US 9 460 332 B1中分析静电透镜示意图

为了证明这个错误有多么低级，我找出了2004年北京高考理综卷第21题。要理解这道高考题，考生需要知道带电粒子在电场中受力方向为电场等势面的法向，所以粒子加速度方向为图中标注的代表电场方向蓝色箭头的反向（因为电子带负电）。本题的正确答案是D，感兴趣的读者可以手绘一下电子的运动轨迹，和电场线并不重合，不能代表电场线方向。

Fig6：2004年北京理综卷第21题截图

回到Figure 5，避让开金属层并从空隙中穿过去的线束是神马玩意？基本的物理常识是，电场不能被随心所欲的控制，只能以具备基本电势的带电体作为边界条件，依靠空间中电场平衡方程自动的产生电势分布，而电势的梯度就是电场强度。当在指纹传感器和指纹中间插入了金属网格，就是给电场施加了额外的内部边界条件，从定性分析角度，金属导电的特性决定了金属网格是等势体，提供了额外的使电势在X-Y平面方向平衡化的因子，应使传感电极接受到的电场强度差量进一步衰减。从定量分析角度，进行数值仿真，把静电透镜结构造成的相对变化计算出来。

第一步要建立没有所谓“静电透镜”结构时的电场。首先将描述电势的拉普拉斯方程在空间离散，得到电场平衡方程；其次找一条合适的曲线代替指纹，这里采用三角函数；最后将四周配上合适的边界条件，其中上边界指纹作为等势面1，下边界传感电极为等势面0，左右为自由边界条件。经有限差分法进行数值仿真，在充分迭代退火收敛的情况下（迭代1,000,000次），得到Figure 7中的解。

Fig7：电容式传感器计算区域，以及电势分布

然后把“静电透镜”加入作为内部边界条件，即强制金属层的非开口区域的电势处处相等。加入单层 “静电透镜”，无论使金属层非开口区域的电势为定值还是自由值，均得到形同Figure 8的结论，虽然电场强度绝对值在一些条件下有所增加，但差量实实在在的衰减了2个数量级。

Fig8：无静电透镜时传感器表面场强分布，有静电透镜时传感器表面场强分布

一层“静电透镜”衰减2个数量级，而苹果的专利图例里可是用了不止一层“静电透镜”。按照专利US 9 460 332 B1图示所阐述的2层“静电透镜”技术方案，并把因介质厚度提升导致的电场强度差量衰减看作6个数量级，则相对于400 um介质的方案使电场强度差量衰减了10个数量级。要知道Touch ID只使用了300 um不到的蓝宝石而已，单单变成400 um厚的玻璃就得衰减1个数量级以上，再加上10个数量级共计一千亿倍的衰减，要这么微小的量都能探测到，探索暗物质实现时空穿越等统统是小儿科啦。

关于论证方法的有效性读者大可不必怀疑。首先，静电透镜的应用非常普遍，已经普通到出现在高考物理题的地步，CRT显像管就是最广为人知的应用；其次，由于任何实际测量都会给电场施加额外边界条件导致电场的变化，所以“静电透镜”的发明本身就不来自实证，而是基于物理方程的推导。带电粒子不可能主动绕开金属，这本应是一个浅显的直觉。尽管科学家们总喜欢揭示一些貌似违反常识让人大吃一惊的物理现象，但这反过来其实正说明了物理学在大多数时候的普通的和符合常识的。作为电场理论的结果，“静电透镜”是技术手段；当科学使我们获得对自然的认知，技术就可以进行对具体可实施性的挖掘过程。科学和技术之间是因果关系，不是平行关系，决不能本末倒置。如US 9 460 332 B1这样基于对技术手段的误解反过来曲解科学理论，再绕回去推理构建出的所谓新的技术方法，算得上一种高级的技术骗子套路。至于低级套路，则是无视科学研究在先的普遍共识，经常搞点“世界首创”的24K纯屌丝。 

不过话说回来，严肃的物理学家把物理量纲算错也是常有的事，所以苹果的工程师并不可笑，值得嘲笑的是美国专利局审查员居然看走眼，此为一笑；各种“科技媒体”对“黑科技”大肆渲染，是第二笑；听闻有人用此类技术融资圈钱跻身创业圈子，是第三笑。唐伯虎三笑能点秋香，苹果工程师的一个小失误能让全球产业界三笑还能创造就业岗位，这既体现了商业巨人的力量，又体现不懂科学的科技媒体们的力量，以及有钱任性的风投们的力量，都特么的有(lei)声(sheng)有(gun)色(gun)文(wai)采(jiao)飞(li)扬(nen)。 

须知，但凡技术体系的开辟，一定由对该领域的认知提升所引领，围绕之一步步建立夯实的实施方法。这就指出了真正对产业做出本质性贡献的人总是少之又少，凡有资格成为产业骄子的人一定因为在认知上达到独有的突破。只要不是那个人，统统不值一提。高通砸了几亿美金也不能战胜纯超声波方式在物理上的缺陷，对干手指的总是弱的发指。还有炒作喧嚣的“活体指纹识别”，战胜个把淘宝店就自以为战胜全世界，却看不见各国刑侦部门和国际犯罪集团几十年攻防经验，随便流点手段出来都不是商用廉价指纹传感器所能抵抗的。

20年来，在半导体指纹传感器领域既作出理论性的开辟工作又亲身推动技术和产业进步的前辈只有2个人而已，第一位是苹果指纹识别研发部门Authentec的技术老大Setlak，第二位前Atmel指纹识别研发部门技术老大Jean。无论商业成功的Setlak，还是商业失败转做百科全书的Jean，都是指纹识别行业最重要的领路人，他们创造的知识对产业的提升是历史性的。抛开成败，必须感恩：老朋友，忘年交，幸亏世上有你们，才有这个产业，才有这碗饭吃。只有当整个产业都具备饮水思源的觉悟时，才能进入科学与技术突飞猛进的好时代。