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06-17
雷锋网记者：苹果近期申请“含静电透镜的电容式指纹传感器”专利”获得美国专利商标局授权，被媒体视为“黑科技”，允许未来的Touch ID模块安装在iPhone屏幕下方。
然而，这种看似先进的技术背后，却可能违反了基本的技术原理。
业内人士告诉雷锋网，“专利审查经常出错，授予合理但违反物理原理的专利。
”当然，这可能是苹果的商业考虑（比如误导竞争对手？）。
作者是龙魔，Microarray是首席科学家，电子是软件设计师。
他认为，苹果的屏下指纹专利纯粹是乌龙主义的做法，美国的专利审查不如中国的高考。
文章是从技术角度写的，没有谈论商业考虑。
希望能给大家带来不一样的思考。
专利审查经常犯错误，授予一些有意义但违反物理学的东西？哈喽，读者朋友们，又到了聊苹果（ba）的时候了。
我是龙魔，中国指纹识别技术领域百科全书。
还请关注全球百科全书Jean-Fran?ois。
让我们玩转真正的技术，成为真正的极客。
2019年10月4日，苹果公司发明专利US 9 B1，英文名称“Capacitive Fingerprint Sensor Include an Electrostatic Lens”，中文译名“包含静电透镜的电容式指纹传感器”获得美国专利商标局授权，引发了业界正在热议，传闻这是苹果新iPhone的屏下指纹识别技术。
但经过我严谨（sui）仔细（bian）分析（kan），这其实是一次值得分析（wa）分析（ku）一次的黑（che）龙（ji）事件（ba）事件（dan）。
图1：静电透镜专利授权、百度搜索结果 苹果为了维护iPhone的颜值，一次次研发出最牛逼的技术（回顾《Touch ID变大！iPhone 6s的Home键下面隐藏着什么秘密？》），而以Booth为首的其他公司也研发出牛逼的技术技术与手机公司相比，显得相当超然。
如果有一种技术可以将Touch ID集成到屏幕中，然后对前置摄像头等部件进行适当的空间结构处理，那么在西方所向披靡的全面屏iPhone岂不是就诞生了？图2：iPhone 8全面屏概念机。
不幸的是，数学和物理是技术能力的边界。
这在中国可能还不流行，因为中国相信“一个人有多大的勇气，他就有多大的生产力”。
例如，“超越香农极限的编码方法”曾一度成为中国电子学研究的热门话题，但在大洋彼岸的创新热土上，却被写入法律。
：美国专利法规定，第三类永动机及其等同形式不授予专利权。
相比之下，早些年，中国知识产权局一共向居住在“某村、某组、某街道”的不同申请人授予了涉及“核聚变装置”的发明专利共计27件，让我的同学们一头雾水。
万一出了问题怎么办？”如果你想出来了，需要缴纳专利费吗？”结果，长期致力于科学事业的人们的士气受到打击。
如今，时代变了，我们在大洋彼岸找到了一家顶级公司的核心（dou）专利（bi）。
怎能不高兴（xiao）大（diao）将军（da）奔（ya）？证据一：现代电容式指纹传感器的物理机制是电场强度差分传感。
2017年，SetLak在美国专利中公开了电场传感器的定义：电容式指纹传感器采集的是指纹脊线和谷线差异引起的感应电极表面电场强度的差异，即电势空间梯度的差异。
SetLak 随后创立了 Authentec，并基于以下电路实现了射频电容式指纹传感器。
苹果于2016年全面收购Authentec作为其指纹识别研发部门，至今仍沿用这套技术体系来设计Touch ID。
图3：专利美国专利附件12 证据2：介质厚度的增加带来电场强度差的超指数衰减。
苹果公司在2016年申请的专利中明确了这一规则，以其中文版CN 5 A为例，如图4所示。
介质厚度每增加um，电场强度差就减小1.5个数量级，达到0.2 个数量级，取决于指纹脊线周期。
取脊线周期为8 x 50 um，即半周期约为4个像素时，um介质厚度引起的空间衰减效应接近4个数量级。
这就是业界关于um电介质厚度极限传说的来源之一（第二个是我根据自己的C-Q-T电路设计计算出的低成本方案的极限值）。
至于一些厂商展示的可以通过超过um的介质看到指纹图像的demo，他们只采集宽脊线周期的指纹，不太实用。
与其欺负观众的无知，不如暴露自己的无知。
图4：专利CN 5 A中电场强度差随距传感器距离衰减的示意图。
然而，手机保护套和屏幕的累计厚度接近um。
可以预计，对于较薄的指纹，电场强度差异将衰减6个数量级以上。
苹果的专利US 9 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 B1误解了物理定律，其技术方案是基于错误的物理理解而提出的，因此无法实现其技术目标。
如图5所示，电场线主动避开金属层，从指纹开始，穿过金属层的间隙，最后到达感应电极。
这到底是什么？图5：专利US 9 B1中分析的静电透镜示意图。
为了证明这个错误有多低级，我找到了北京高考综合理科试卷第21题。
要理解这道高考题，考生需要知道，电场中带电粒子受力的方向是电场等势面的法线方向，因此粒子加速度的方向就是电场力的反方向。
图中标记的蓝色箭头代表电场方向（因为电子带负电）。
这题正确答案是D，如果有兴趣的话，读者可以亲手画出电子的运动轨迹。
它与电场线不重合，不能表示电场线的方向。
图6：2017年北京科技综合论文第21题截图。
回到图5，避开金属层并穿过间隙的线束是不是很奇怪？基础物理知识是电场不能随意控制。
它只能以具有基本电势的带电体作为边界条件，依靠空间中的电场平衡方程自动生成电势分布，电势的梯度就是电场强度。
当金属网格插入指纹传感器和指纹之间时，会对电场施加额外的内部边界条件。
从定性分析的角度来看，金属的导电特性决定了金属网格是等电位体，提供了额外的内部边界条件，使电势在X-Y平面方向上的平衡因子应进一步衰减电场的差异感应电极接收到的强度。
从定量分析的角度出发，进行数值模拟，计算静电透镜结构引起的相对变化。
第一步是在没有所谓的“静电透镜”结构的情况下建立电场。
首先将描述电势的拉普拉斯方程进行空间离散，得到电场平衡方程；其次，找到一条合适的曲线来代替指纹，这里使用了三角函数；最后，为周围环境配备合适的边界条件，其中上边界指纹为等位面1，下边界传感电极为等位面0，左右边界条件自由。
采用有限差分法进行数值模拟，在充分迭代退火收敛（迭代1,,次）的条件下，得到图7的解。
图7：电容式传感器计算面积和电位分布，然后添加“静电透镜”作为内部边界条件，迫使金属层非开口区域的电位处处相等。
添加单层“静电透镜”，无论金属层非开口区域的电位是固定值还是自由值，都得到与图8相同的结论。
虽然在某些条件下电场强度的绝对值会增加，但差别实际上是真的衰减了2个数量级。
图8：没有静电透镜时传感器表面的场强分布。
有静电透镜时传感器表面的场强分布，一层“静电透镜”就衰减了两个数量级。
不过，苹果的专利插图使用了不止一层“静电透镜”。
根据专利US 9 B1图中描述的2层“静电透镜”技术方案，并考虑介质厚度增加引起的电场强度差的衰减为6个数量级，相比um介质方案，电场强度差衰减10个数量级。
要知道Touch ID只用了不到嗯的蓝宝石。
光是变成um厚的玻璃就得衰减1个以上数量级，再加上10个数量级，总共1000亿倍的衰减。
如此微小的量就能探测到，探索暗物质和时间旅行都是小孩子的游戏。
读者没有必要怀疑论证方法的有效性。
首先，静电透镜的应用非常普遍。
它已经变得司空见惯，出现在高考物理题中。
CRT 显像管是最著名的应用。
其次，由于任何实际测量都会对电场施加额外的边界条件并引起电场的变化，“静电透镜”的发明本身并非来自经验证据，而是基于物理方程的推导。
一个简单的直觉是，带电粒子无法主动绕过金属，尽管科学家总是喜欢揭示一些看似违反常识的令人惊讶的物理现象，但这实际上表明物理学在大多数时候是普通且符合常识的。
根据电场理论的结果，“静电透镜”是一种技术手段；当科学让我们获得对自然的认识时，技术就可以进行探索具体可实施性的过程，科学与技术之间是因果关系，而不是平行关系。
切不可本末倒置，如US 9 B1，基于对技术手段的误解而曲解科学理论，然后回溯推理构造出所谓的新技术方法，这可以算是一个高级技术骗子。
常规。
至于低级套路，则无视科研普遍共识，经常搞“世界第一”24K纯屌丝。
但话虽如此，严肃的物理学家错误计算物理尺寸是很常见的，所以苹果的工程师并不可笑。
值得调侃的是，美国专利局的审查员居然犯了一个错误，还闹出了笑话；各种“科技媒体”夸大“黑科技”是笑二；听到有人用这种技术筹集资金、加入创业圈是笑三。
唐伯虎的三笑能点亮秋香苹果工程师的一个小错误就可以让全球行业的三个微笑创造就业机会，这不仅体现了商业巨头的力量，也体现了不懂科学的科技媒体的力量，以及富人的力量。
任性的风险投资家如此响亮而明确的一点是，任何技术体系的发展都必须以对领域的深入理解为主导，并围绕它逐步建立起扎实的实施方法。
真正为行业做出实质性贡献的人总是很少的，有资格成为行业骄傲的人一定是在认知上取得了独特的突破。
只要不是那个人，就不值得一提。
高通花费了数亿却无法克服纯超声波技术的物理缺陷，在干手指方面始终显得无力。
还有大肆宣传的“活体指纹识别”。
如果你打败了几个淘宝店，你以为你打败了全世界，但你看不到各国刑侦部门和国际犯罪集团有几十年的攻防经验。
任何随机的技巧都不是商业化的廉价指纹传感器。
可以抵抗。
20年来，既在半导体指纹传感器领域做出理论开创性工作，又亲自推动技术和产业进步的前辈仅有两位。
第一个是苹果指纹识别研发部门Authentec的技术老大Setlak，第二个是研发部门技术老大，前Atmel指纹传感器Identify Jean。
无论是商业成功的Setlak，还是失败变成百科全书的Jean，他们都是指纹识别行业最重要的领导者。
他们创造的知识对于改善行业具有历史意义。
无论成功还是失败，我们都要感恩：老朋友，我们结交多年的朋友，感谢这个世界上有你们，我们才有了这个产业，有了这碗饭。
只有整个行业都有饮水意识，思源思源，才能进入科技突飞猛进的好时代。
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