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从汇顶科技与思立微互诉侵权案,看屏下指纹识别技术发展现状

摘要
 
       近年来,随着全面屏的盛行与普及,屏下指纹识别技术备受关注,成为智能移动终端生物识别解决方案提供商的研发热点。为更好的保护创新、增强市场竞争力,屏下指纹识别技术解决方案提供商在研发的同时,进行了积极的专利布局。本文借助汇顶科技与思立微间的侵权诉讼案,介绍屏下指纹识别技术解决方案,结合公开的专利文献,对已经规模化商用的屏下光学指纹识别技术及终端应用进行分析,揭示屏下指纹识别技术的发展现状。
 
关键词
 
       屏下,指纹,光学,超声波,全屏幕
 
       2018年,汇顶科技与思立微发生互诉专利侵权案,涉案专利涉及智能移动终端的屏下指纹识别技术,又因短时间内双方诉讼频发且要求赔偿额度之高而备受关注。本文通过汇顶科技与思立微二者间的互诉案情及市场背景,结合当前消费者对智能移动终端全面屏的追捧,检索专利文献,详述屏下指纹识别技术的三种解决方案,并对当前已经规模化商用的屏下光学指纹识别技术及终端应用,从专利角度进一步分析,揭示屏下指纹识别技术的发展现状。
 
1、绪论
 
1.1互诉专利侵权案情
 
       深圳市汇顶科技股份有限公司(以下简称“汇顶科技”),成立于2002年,总部位于深圳市福田区,目前主要面向智能移动终端市场提供人机交互和生物识别解决方案。上海思立微电子科技有限公司(以下简称“思立微”),成立于2010年,研发总部位于上海张江高科技园区,目前主营业务为生物识别传感器SoC芯片和解决方案的研制开发。当前,指纹识别供应链厂商中,智能移动终端所采用的屏下指纹识别技术方案,国内仅有汇顶科技与思立微实现相应芯片的量产,思立微作为后起之秀,首次量产的屏下指纹识别芯片应用于OPPO公司的R17,从而与汇顶科技形成直接市场竞争关系。现今,两公司通过互诉专利侵权抢占屏下指纹芯片供应市场。在2018年9月至12月这短短四个月时间里,双方先后四次提起专利侵权诉讼。其中:
 
       2018年9月12日,汇顶科技起诉思立微和深圳市鼎芯无限科技有限公司(以下简称“鼎芯”),侵犯其指纹芯片方面3项专利,包括2项发明专利:电容指纹感应电路和感应器(ZL201410105847.6)和基于指纹识别的终端及其待机状态下的登录方法、系统(ZL201410204545.4),1项实用新型专利:硅通孔芯片的二次封装体(ZL201720925097.6)。要求法院判令思立微、鼎芯立即停止侵犯汇顶科技的专利权,销毁侵权产品,每项专利分别索赔7000万元人民币,另加诉讼费用,总额超过2.1亿元。
 
       2018年11月6日,汇顶科技起诉思立微、信利光电有限公司(以下简称“信利光电”)和深圳苏宁易购销售有限公司(以下简称“深圳苏宁易购”),侵害其实用新型专利:屏下生物特征识别装置和电子设备(ZL201821077979.2),要求判令三被告立即停止侵权行为,销毁被控侵权产品,索赔经济损失5000万元人民币,另加诉讼费用。
 
     二次诉讼半月后的11月20日,汇顶科技对上述三被告再次追加2项实用新型专利侵权诉讼,具体包括:屏下生物特征识别装置和电子设备(ZL201821220420.0)和屏下生物特征识别装置、生物特征识别组件和终端设备(ZL201820937410.2),同样要求判令思立微、信利光电和深圳苏宁易购立即停止侵犯汇顶科技的专利权,销毁侵权产品,每项专利索赔经济损失5000万元人民币,另加诉讼费用,总额超过1亿元。
 
       上述,汇顶科技三次提交专利侵权诉讼,被告均包括思立微,要求赔偿总额超过3.6亿元。
 
       之后,2018年12月,思立微展开首次反击。向上海知识产权法院提交专利侵权诉讼,起诉汇顶科技及上海魅之族数码科技有限公司侵犯其2项发明、1项实用新型专利权,具体为:一种基于ESD保护的生物识别感应装置(ZL201410263938.2)、具有模压保护层的指纹识别器件及指纹识别组件(ZL201410353937.7)及指纹传感电路(ZL201520753207.6)。要求法院判令被告停止侵权、销毁侵权产品的同时,赔偿经济损失2.4亿元人民币,另加诉讼费用。
 
       至此,双方间专利侵权诉讼多达4次,要求赔偿总额高达6亿元,互诉案情及双方官方回应参见图1。分析其涉及的专利技术发现,汇顶科技起诉思立微的专利涉及生物识别感应电路及模组结构(包括电容式指纹识别与屏下光学指纹识别);思立微反诉汇顶科技的专利同样涉及指纹识别感应组件及传感电路。进一步的,结合近两年智能移动终端全面屏的普及,使得屏下指纹识别技术备受关注。因此,本文重点研究智能移动终端的屏下指纹识别技术。
 
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图1 汇顶科技与思立微互诉专利侵权案情
 
1.2屏下指纹识别
 
       屏下指纹识别,也叫隐形指纹识别,是通过将屏下指纹识别装置(比如指纹识别模组)安装在显示屏下方,从而实现在显示屏的显示区域内进行指纹识别操作,其为在屏幕玻璃下方完成指纹识别解锁过程的新技术,主要利用超声波、光学等穿透技术,可以穿透各种不同的材质,从而达到识别指纹的目的【1】。
 
       可见,屏下指纹是指在屏幕以下完成的指纹识别技术,无需手指与指纹模组接触,也不需要在除显示区域外的区域设置指纹采集区域。
 
       智能移动终端上指纹识别的应用,经历有正面的Home按键处集成指纹特征识别按键,产品的背面增加单独的指纹特征识别按键以及将指纹与开关按钮结合在一起的侧面指纹识别。上述方案都存有不完美之处,正面的Home按键已不适应全面屏的发展趋势;背面留孔不利于机身背面的整体完整性;侧面使用时几乎只能习惯性用拇指,随着机身变薄使用效果同样不甚理想。无论以上哪种方式,技术上多采用传统的电容式按压识别,即通过微电流感应指纹图像。
 
       但传统的电容式指纹识别技术,能够穿透的面板厚度较薄,仅为0.3mm,而目前智能手机正面盖板玻璃的厚度普遍超过0.5mm,随着全面屏的盛行与普及,传统的电容式指纹识别技术逐渐被淘汰。而屏下指纹识别技术应运而生,可以有效提升屏占比,解决上述指纹识别前置、后置及侧置中的各种问题,近乎完美的满足用户对全面屏的追求。
 
2、解决方案
 
       屏下指纹识别技术当前主要存在三种不同的解决方案,分别为屏下光学指纹识别、屏下超声波指纹识别和DFS全屏幕指纹识别。
 
2.1屏下光学指纹识别
 
       屏下光学指纹识别是基于折反原理,在手指接触屏幕时发出光线,穿透盖板到屏幕表面,用背光照射指纹,接着再反射回屏幕下的指纹传感器。适合与OLED屏配合。因为OLED面板具有自发光的特性,各像素之间留有一定间隔,保证光线透过,当手指接触屏幕时,OLED屏幕发出的光线穿透盖板将指纹纹理照亮,指纹反射光线穿透屏幕到达传感器,最终形成指纹图像进行识别。
 
       通过专利检索,汇顶科技早在2014年12月24日即在美国申请了有关专利“FINGERPRINT SENSORS HAVING IN-PIXEL OPTICAL SENSORS”(具有像素内光学传感器的指纹传感器,US20160132712A1),主要由光源和传感器像素阵列组成。其中,传感器像素阵列又包括光检测器、准直器和检测电路(如图2所示)。作为可集成到移动装置内的超薄光学指纹传感设计,能有效解决传统电容传感器在保护盖板厚度增加时传感信号降低的问题。另外,该专利还公开了包括该光学传感器和电容传感器的混合型指纹传感器,及操作上述指纹传感器完成指纹识别的方法(如图3所示)。
 
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图2 指纹传感器装置示例
 
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图3 指纹感测过程的流程图示例
 
       汇顶科技以要求优先权方式,于2015年11月12日在国内及韩国对该项技术申请专利保护(CN106462765A、KR1020160144453A),当前均为公开状态。该专利应属汇顶科技在光学指纹识别领域较早的创新突破。
 
       此外,美国Synaptics公司于2015年6月30日申请的专利OPTICAL FINGERPRINT IMAGING USING HOLOGRAPHY(采用全息术的光学指纹成像,US10042324B2),保护一包括照明器、反光镜、生物计量传感器阵列以及分束器的生物计量传感器(如图4所示),同时记载了一种对象成像系统及方法:分束器先将照明器发出的光分离成两部分,分别反射到被成像对象和反光镜,之后两者的反射光在分束器组合,经传感器中的处理系统处理,实现高分辨率对象成像,从而解决电容传感器难以获得高于大约500像素每英寸的分辨率、以及难以通过厚材料层进行指纹感测等问题。
 
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图4 全息光学传感器的示例框图
 
       上述专利申请于2016年6月27日以要求优先权方式在我国申请了发明专利CN106326831A,当前仍为公开状态。
 
       至今,汇顶科技与美国Synaptics公司均在该技术领域申请多项专利,内容覆盖屏下光学指纹识别所涉及的光学系统设计、图像传感器和指纹匹配算法等,推动了该技术的成熟与应用。
 
2.2屏下超声波指纹识别
 
       屏下超声波指纹识别是由传感器主动发出超声波,穿透屏幕及玻璃达到人体皮肤,利用手指纹理和其他材质对超声波吸收、反射和穿透作用的差异,感应指纹特有的脊和孔,接收反射回来的信号,构建出3D指纹图像,进而完成指纹比对识别。由于形成的是3D图像,准确性更高,另因是通过超声波扫描指纹,因此在识别指纹时不用屏幕开启最高亮度。适用范围更广,不受阳光干扰,穿透性更强,防手指湿润、油污等的干扰。
 
       当前,高通公司属于屏下超声波指纹识别技术的研究代表。通过检索专利,发现其2016年8月31日在美申请的专利US10140534B2,记载了超声成像装置和方法,该专利在中国也已申请保护(CN108024792A)。所述成像装置包括超声波传感器阵列和控制系统,控制系统至少部分的耦合在超声波传感器阵列中(设备横截面图实例,参见图5)。该方案利用超声波的强穿透性,由超声波传感器阵列采集产生具有手指皮下特征的第一、第二图像数据,进而进行认证识别(识别系统操作实例流程图,参见图6)。能够有效解决假指纹、黑客攻击等给智能手机产品中原有指纹识别造成的安全隐患。
 
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图5 设备的横截面图
 
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图6 生物识别系统操作流程图
 
       至今,以高通为代表的企业,一直在该技术领域有所研究,并进行了相关专利申请。但通过智能移动终端市场了解,当前,该技术暂未在产品上实现规模化商用,或许量产中还存在待完善和改进的地方。
 
2.3DFS全屏幕指纹识别
 
       全屏幕指纹识别技术(Display FingerPrint Solution,DFS),顾名思义即使用者触摸显示屏幕的任何位置都能够实现指纹识别。兼容OLED和LCD屏幕,也兼容光学指纹识别和传统主流的电容指纹识别方案,是一种最为理想的屏下指纹识别方案。
 
       当前,韩国CrucialTec公司对该技术的研究较为深入。其2017年4月26日提交的国际申请WO2017188715A2,当前已进入韩国(KR1020170123578A)和中国(能够适用隐藏式指纹识别的发光指纹识别面板及包括其的指纹识别显示装置,CN108604296A)。该专利请求保护一种发光指纹识别面板,由绝缘性基板、多个栅极配线、数据配线、单位发光-受光像素以及驱动电路部组成。该发光指纹识别面板与显示面板重叠设置,实现识别区域不受设置面积制约的全屏幕可识别;另外,利用自体光源扫描反射的指纹图像,能够不受内、外光的影响来提高指纹识别准确度。(发光指纹识别面板配置于显示面板上方的指纹识别显示装置示例及发光指纹识别面板检测指纹图案原理,如图7所示)
 
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图7 CN108604296A附图
 
       DFS方案技术性更强,对屏幕和指纹识别模组的整合要求也更高,当前仍处于研究实验阶段,暂未实现商用推广。
 
3、终端应用
 
       当前,上述三种解决方案中,得到规模化商用的仅有屏下光学指纹识别技术,且全球仅有汇顶科技、思立微以及美国Synaptics公司实现了屏下光学指纹识别芯片量产。本节从专利角度进一步分析当前已经规模化商用的屏下光学指纹识别技术及终端应用。
 
3.1 Synaptics公司—全球首款屏幕指纹版手机技术提供商
 
       Synaptics公司,成立于1986年,总部位于美国加利福尼亚州圣何塞。是一家全球领先的移动计算、通信和娱乐设备人机界面交互开发解决方案设计制造公司。2013年11月,Synaptics公司以2.55亿美元收购指纹识别传感器制造商Validity Sensors,正式进入指纹识别市场。
 
       2017年12月,Synaptics公司正式实现屏下光学指纹识别传感器的量产,并应用于全球首发的屏幕指纹版手机VivoX20Plus UD。关于这项应用于全球首发屏幕指纹版手机的黑科技,Synaptics公司有没有进行相应的专利布局呢?带着这样的问题,笔者进行了专利检索。
 
       果不其然,量产前一年的2016年11月30日,Synaptics即通过国际申请方式在我国同时布局了名为“用于显示器中集成的光学传感器”(CN108369135A)、“用于显示底板上的集成的光学传感器”(CN108291838A)的两项发明专利。进一步查看两项专利文献内容,均申请保护的是能够对感测区进行成像的光学传感器(如图8、图9所示)、相应的显示器以及该光学传感器的制造方法,全面覆盖了光学传感器的成像、显示及制造。
 
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图8 CN108369135A集成在显示器中的光学传感器示例
 
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图9 CN108291838A集成在显示底板上的光学传感器示例
 
       扩展查看上述专利的同族信息发现,其实,Synaptics公司早在2016年3月已有该技术成果。其首先在美国提交了两项相关专利申请US20170161544A1,US20170161543A1,上述在美专利申请又要求全部引用2015年12月3日提交的美国临时专利申请No.62/262,863,名称为“带有透明层的显示器集成光学指纹传感器”,目前两项美国专利申请均已授权。
 
       由此可知,早在三年前,Synaptics公司即在该领域取得技术突破。而首发应用和消费者对全面屏的惊叹与追捧,也让Synaptics公司持续创新、不断进步。具体的,专利US20180239941A1,通过安装在显示器下方的光学传感器角度Ɵ的可旋转布置结构,降低图像上的莫尔效应,提高指纹特征的识别率;专利US20180357462A1,通过加入圆形偏振器吸收从显示器反射的光,从而减少不需要的反射,提高信号检测准确性;专利US20180373361A1,通过传感器中加入的控制器,接收控制信号,以调节感测参数从而避免潜在的电干扰和光干扰等。
 
3.2 汇顶科技—推动屏下光学指纹技术规模化商用的贡献者
 
       汇顶科技,2018年3月开始屏下光学指纹识别技术的规模化商用,截至2018年年底,包括vivo、华为、小米、一加、联想等知名终端品牌厂商都已经在其产品上搭载该项新技术。
 
       本文以汇顶科技为vivo NEX旗舰版和HUAWEI Mate RS保时捷独家提供的光学指纹方案作为研究对象,以此检索、分析产品应用背后的专利技术。
 
(1).Vivo NEX旗舰版
 
       汇顶科技官方介绍指出2018年6月12日起售的Vivo NEX旗舰版所搭载的汇顶屏下光学指纹方案,优化了指纹模组设计,开创性地将屏下指纹芯片设计为终端产品中的独立器件,指纹模组无需再与屏幕贴合,为整机释放更多空间【2】。
 
       笔者进一步检索专利发现,汇顶科技在2018年2月6日申请了名为“屏下生物特征识别装置、生物特征识别组件和终端设备”的发明专利(CN108323207A),该专利正是解决屏幕下生物特征识别模组和OLED屏幕固定在一起出现的维修难,易损坏屏幕,且贴合工艺成本高等问题,保护方案包括在生物特征识别模组与显示屏之间存在间隙,通过一固定架(中框),将识别模组固定设置在显示屏的下方,实现生物特征识别模组与显示屏下表面的分离设计(如图10所示),降低拆卸生物特征识别模组的难度,提高终端设备的可维修性。2018年6月15日又申请了实用新型专利CN208027381U,保护的同样是在生物识别装置中加入一固定架即终端设备的中框,实现
 
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图10 一种屏下生物特征识别装置的示意性设计图
 
       可见,汇顶科技作为终端产品的屏下光学指纹识别方案提供商,对于提供的最新方案所采用的新科技已积极进行专利布局,以最大可能保护创新成果。
 
(2).HUAWEI Mate RS保时捷
 
       HUAWEI Mate RS保时捷设计选择搭载由汇顶科技独供的屏内光学指纹方案(IN-DISPLAY FINGERPRINT SENSOR)【3】,该款产品设计采用创新多级动态压感屏内指纹技术,识别更准确,解锁更迅速,智能学习用户按压力度,使用愈久,识别愈准【4】。
 
       专利检索,同样发现了创新的踪影。作为屏内指纹识别技术提供商的汇顶科技于2017年6月2日已申请含有该技术的相关专利“指纹芯片封装模组、指纹识别模组和封装方法”(CN107438855A),该专利指出指纹识别芯片封装模组包括指纹识别芯片201和N个压阻式传感器202(如图11所示),通过压阻式传感器获取用户作用在指纹识别芯片上的压力,可以减少校准压阻式传感器的次数和噪声,还可以提高所使用的压阻式传感器的灵敏度,以识别更多等级的压力。
 
 
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图11 一指纹芯片封装模组的结构示意框图
 
       通过上述两款产品及对应的专利技术,我们了解产品背后屏下光学指纹识别技术的同时,也可得知,正是汇顶科技的研发投入及终端厂商的全力合作,才使得2018年成为了屏下光学指纹技术规模商用元年【5】,汇顶科技为该项技术的规模化商用做出了突出贡献。
 
3.3 思立微—OPPO R17调焦结构单芯片指纹方案提供商
 
       思立微,在过去的2018年成为了屏下指纹识别技术领域的一匹“黑马”,吸引了行业内众多眼球。技术上最为突出的是其调焦结构的单芯片指纹方案获得OPPO手机厂商信赖,成功应用于OPPO首款配置光感屏下指纹解锁的旗舰机型R17中【6】,该机型于2018年8月23日开售。
 
       检索专利发现,具有调焦结构的指纹识别技术同样得到了专利保护。具体为2018年5月22日思立微申请的“指纹识别方法、光学指纹识别模组及电子设备”(CN108764103A)。该专利涉及的识别模组包括支架2,运动载座4,光学透镜3,以及由导轨5、线圈6和永磁体构成的动力源和光学指纹传感单元8(如图12所示)
 
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图12 光学指纹识别模组的结构剖视图
 
       在该模组中,光学透镜3的位置可以调节,通过调节光学透镜的位置调节光学指纹识别模组的焦距。因此,当用户手指接触或靠近电子设备的显示屏时,光学指纹识别模组可以通过调节光学透镜的位置来调节光学指纹识别模组的焦距,从而采集到清晰的指纹图像。
 
       该专利同样对如何获取清晰度更高的指纹识别方法进行了保护申请,流程如下:
 
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图13 指纹识别方法流程图
 
 
 
4结语
 
       伴随着全面屏手机的推广盛行,屏下指纹识别技术得到快速发展,取得诸多创新突破。当前,光学指纹识别已经规模化商用,并在成像清晰度、模组设计、多级动态压感、调焦结构等方面持续改进;国内外厂商(例如,汇顶科技、思立微、Synaptics)加紧专利布局,通过专利布局实现技术与市场的垄断,未来可能爆发更大规模的专利战;屏下超声波与DFS全屏幕指纹识别有待研究,可能成为未来的发展趋势。
 
       最后,笔者对中国企业在屏下指纹识别技术领域取得世界瞩目成绩表示钦佩与赞赏的同时,不禁想借用古人的话,对互诉的两家优秀企业说一句:“本自同根生,相煎何太急?市场诚可贵,未来更可期!”。
 
北京品源知识产权管理咨询公司 蒋一明
 
 
参考文献:
 
[1] 百度经验.屏下指纹[EB/OL].https://jingyan.baidu.com/.
 
[2] 汇顶科技.汇顶科技为vivo NEX独家供应屏下光学指纹方案[EB/OL].[2018-06-12] https://www.goodix.com/news/detail2012.html
 
[3] 汇顶科技.厉害了!汇顶科技屏内光学指纹获华为Mate RS保时捷设计商用[EB/OL].[2018-03-27] https://www.goodix.com/news/detail1921.html
 
[4] 华为.HUAWEI Mate 20 RS 保时捷设计[EB/OL].https://consumer.huawei.com/cn/phones/porsche-design-mate20-rs/
 
[5] 汇顶科技.向小米8周年致敬 汇顶屏下指纹又双叒获商用![EB/OL].[2018-05-31] https://www.goodix.com/news/detail1998.html
 
[6] MEMS.光学指纹识别让思立微成为“屏下”焦点[EB/OL].[2018-12-20] http://www.sohu.com/a/283319056_256868