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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“168体育”

按:最近苹果申请人的“包括有静电透镜的电容式指纹传感器”专利取得美国专利与商标局的许可,被媒体命为“白科技”,使得未来的Touch ID模块可以加装在iPhone屏幕下面。但是,这个看起来矮小上的技术背后,有可能是违反了基础技术原理。有业内人士告诉他(公众号:),“专利审查常常受罚,颁发一些头头是道但违反物理原理”。当然,这有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,他指出苹果屏上指纹专利纯属乌龙一场,美专利审查不及中国中考。文章从技术角度进行,不讲商业考量,期望能给你带给不一样的思维。专利审查常常受罚,颁发一些头头是道但违反物理的?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,也请求同时注目全球百科全书Jean-François,让我们一起玩游戏真为科技,做到真为极客。2016年10月4日,苹果公司的发明专利US9 460 332 B1,英文名“Capacitive Fingerprint Sensor Including an Electrostatic Lens”,中文译名“包括有静电透镜的电容式指纹传感器”取得美国专利与商标局的许可,引起业界热议,据说将沦为苹果新的iPhone的屏上指纹识别技术。但经我贤(sui)遵(bian)分(kan)析(kan),这只不过是一起乌(che)龙(ji)事(ba)件(dan),有一点分(wa)析(ku)一下。Fig1:专利许可,baidu搜寻静电透镜结果为了维持iPhone的颜值,苹果公司一次又一次研发了最牛逼的技术(总结一下《Touch ID变小!iPhone 6s的Home键下面隐蔽着什么秘密?》),与其他各种布斯率领的研发吹牛迫技术的手机公司比起,妥妥的高冷范。如果有一种技术需要将Touch ID融合在屏幕里,再行把前摄等部件做到必要的空间结构处置,颜值爆表西方全胜的满屏iPhone岂不就问世啦!Fig2:iPhone 8满屏概念机失望的是,数学和物理是技术能力的边界。这在改信“人有多大胆地有多大产”的天朝也许尚能不普及,例如“打破香农缩的编码方法”就一度沦为中国电子科学研究热点,但在大洋彼岸的创意热土可是写出入法律的:美国专利法规定对于第三类永动机及其等价形式不颁发专利权。相比之下,中国知识产权局早年颁发了居住于在“某村某组某街道”的有所不同申请人总计27个牵涉到“核聚变装置”的发明者专利权,让我的同学们疑惑“万一有天做出来要不要递专利费”,以至于为科学奉献的士气长年倍受压制。如今时移世易,给咱抓到个大洋彼岸顶尖公司的核(dou)心(bi)专利,不忍不善(xiao)大(diao)弗(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US5940526透露了电场传感器的定义:电容指纹传感器所收集的是传感电极表面电场强度因指纹脊谷差异造成的差量,即电势的空间梯度的差量。随后SetLak创办Authentec,基于如下电路构建了RF型电容指纹传感器。苹果公司于2012年全资并购Authentec作为指纹识别研发部,依然延用了这套技术体系来设计Touch ID。Fig3:专利US5940526专利附图12证据二,介质厚度提高带给电场强度差量的超强指数波动。苹果在2010年申请人的专利中阐述了这个规律,所取其中文版本CN103548035 A,如Figure 4右图。介质厚度每减少100 um,电场强度差量视指纹脊线周期有所不同,减少1.5数量级到0.2数量级平均。所取脊线周期为8 x 50 um,即半周期大约为4像素时,400 um介质厚度带给的空间波动效应相似4个数量级。这就是业界传说400 um介质厚度无限大的来源之一(之二是我根据自家C-Q-T电路设计算数出来的低成本方案极限值)。至于有些厂商展出的穿越多达400 um介质还能看到指纹影像的demo,只因收集长脊线周期的指纹而已,没实用性,与其说在捉弄观众幼稚,不如说暴露出自己过于幼稚。Fig4:专利CN103548035 A中电场强度差量随距传感器距离波动示意图但手机维护盖板和屏幕的积累厚度相似1000 um,可以预料对于较细的指纹,电场强度差量还不会波动6个数量级以上。

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苹果的专利US9 460 332 B1企图明确提出一种电场增益结构来补偿波动。证据三,专利US9 460 332 B1把物理规律解读拢了,其技术方案是根据错误的物理解读明确提出来的,也就没构建技术目标的可行性。如Figure 5右图,电场线主动避免金属层,从指纹抵达穿越金属层的空隙最后抵达传感电极,这是什么鬼?Fig5:专利US9 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,我找到了2004年北京中考理综卷第21题。要解读这道高考题,试题必须告诉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示的代表电场方向蓝色箭头的偏移(因为电子带上负电)。本题的准确答案是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,无法代表电场线方向。Fig6:2004年北京理综卷第21题图片返回Figure 5,拐弯进金属层并从空隙中穿着过去的线束是神马玩意?基本的物理常识是,电场无法被随心所欲的掌控,不能以不具备基本电势的带电体作为边界条件,依赖空间中电场均衡方程自动的产生电势产于,而电势的梯度就是电场强度。当在指纹传感器和指纹中间放入了金属网格,就是给电场产生了额外的内部边界条件,从定性分析角度,金属导电的特性要求了金属网格是等势体,获取了额外的使电势在X-Y平面方向均衡简化的因子,应使传感电极拒绝接受到的电场强度差量更进一步波动。从定量分析角度,展开数值建模,把静电透镜结构导致的比较变化计算出来。第一步要创建没所谓“静电透镜”结构时的电场。首先将叙述电势的拉普拉斯方程在空间线性,获得电场均衡方程;其次去找一条适合的曲线替换指纹,这里使用三角函数;最后将四周配上上适合的边界条件,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,左右为权利边界条件。经受限差分法展开数值建模,在充份递归热处理发散的情况下(递归1,000,000次),获得Figure 7中的解法。Fig7:电容式传感器计算出来区域,以及电势产于然后把“静电透镜”重新加入作为内部边界条件,即强迫金属层的非开口区域的电势恣意大于。重新加入单层“静电透镜”,无论使金属层非开口区域的电势为定值还是权利值,皆获得已成Figure 8的结论,虽然电场强度绝对值在一些条件下有所增加,但差量实实在在的波动了2个数量级。Fig8:无静电透镜时传感器表面场强产于,有静电透镜时传感器表面场强产于一层“静电透镜”波动2个数量级,而苹果的专利图例里可是用了好比一层“静电透镜”。按照专利US9 460 332 B1图示所阐释的2层“静电透镜”技术方案,并把因介质厚度提高造成的电场强度差量波动看做6个数量级,则相对于400 um介质的方案使电场强度差量波动了10个数量级。要告诉Touch ID只用于了300 um将近的蓝宝石而已,起码变为400 um薄的玻璃就得波动1个数量级以上,再行再加10个数量级总计一千亿倍的波动,要这么微小的量都能观测到,探寻暗物质构建时空穿过等统统是小儿科啦。关于论证方法的有效性读者大可不必猜测。首先,静电透镜的应用于十分广泛,早已普通到经常出现在中考物理题的地步,CRT显像管就是最广为人知的应用于;其次,由于任何实际测量都会给电场产生额外边界条件造成电场的变化,所以“静电透镜”的发明者本身就不来自现代科学,而是基于物理方程的推论。带电粒子不有可能主动绕过金属,这本不应是一个直白的直觉。尽管科学家们总讨厌说明了一些奇特违背常识让人大吃一惊的物理现象,但这反过来只不过于是以说明了物理学在大多数时候的普通的和合乎常识的。作为电场理论的结果,“静电透镜”是技术手段;当科学使我们取得对大自然的理解,技术就可以展开对明确可实行性的挖出过程。科学和技术之间是因果关系,不是平行关系,绝不能本末倒置。如US9 460 332 B1这样基于对技术手段的误会反过来曲解科学理论,再行绕行回来推理小说建构出有的所谓新的技术方法,称得上上一种高级的技术骗子套路。至于低级套路,则是漠视科学研究在先的广泛共识,常常做点“世界首创”的24K显屌丝。不过话说回来,坦率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荒谬,有一点取笑的是美国专利局审查员竟然看走眼,此为一大笑;各种“科技媒体”对“白科技”肆意图形,是第二大笑;听闻有人用此类技术融资圈钱挤身创业圈子,是第三大笑。唐伯虎三大笑能画皮,苹果工程师的一个小犯规能让全球产业界三大笑还能建构低收入岗位,这既反映了商业巨人的力量,又反映不懂科学的科技媒体们的力量,以及有钱人任性的风投们的力量,都特么的有(lei)声(sheng)有(gun)色(gun)文(wai)采行(jiao)飞(li)扬(nen)。须知,但凡技术体系的修筑,一定由对该领域的理解提高所引导,环绕之一步步创建夯实的实行方法。这就认为了确实对产业作出本质性贡献的人总是少之又少,凡有资格沦为产业骄子的人一定因为在理解上超过独特的突破。只要不是那个人,统统不值一提。高通扔了几亿美金也无法战胜显超声波方式在物理上的缺失,对干手指的总是很弱的发指。还有抹黑喧闹的“活体指纹识别”,战胜个把淘宝店就自以为战胜全世界,却看不到各国168体育刑侦部门和国际犯罪集团几十年攻守经验,随意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做出理论性的修筑工作又亲身推展技术和产业变革的前辈只有2个人而已,第一位是苹果指纹识别研发部门Authentec的技术杨家大Setlak,第二位前Atmel指在线纹识别研发部门技术大哥Jean。无论商业顺168体育利的Setlak,还是商业告终转做百科全书的Jean,都是指纹识别行业最重要的领路人,他们建构的科学知识对产业的提高是历史性的。充满著胜败,必需奉献:老朋友,忘年交,救下世上有你们,才有这个产业,才有这碗饭不吃。只有当整个产业都不具备饮水思源的无我时,才能转入科学与技术突飞猛进的好时代。原创文章,予以许可禁令刊登。下文闻刊登须知。