電容感應(yīng)式指紋傳感器工作原理和性能分析

1、電容感應(yīng)式指紋傳感器工作原理和性能分析交通運(yùn)輸1101陳強(qiáng)3110405027摘要：本文首先通過(guò)查找相關(guān)傳感器歷史資料，回憶了指紋傳感器技術(shù)的開(kāi)展歷史。從開(kāi)展早期，現(xiàn)如今和未來(lái)三個(gè)角度分別介紹了指紋傳感器技術(shù)的原理，開(kāi)展過(guò)程和未來(lái)前景。與此同時(shí)通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和技術(shù)論文，詳細(xì)解釋了指紋傳感器的工作原理，并著重介紹了目前幾種現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)的傳感器，如光學(xué)指紋傳感器和半導(dǎo)體指紋傳感器，在對(duì)兩種傳感器進(jìn)行原理性剖析的根底上，通過(guò)列舉現(xiàn)實(shí)生活中同型號(hào)不同產(chǎn)品的半導(dǎo)體指紋傳感器，對(duì)傳感器的主要性能參數(shù)進(jìn)行比照研究，指出了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況。最后， 通過(guò)了解蘋(píng)果公司最新發(fā)布的iPhone5s產(chǎn)品中

2、新參加的指紋解鎖技術(shù)，在閱讀其專(zhuān)利圖和技術(shù)使用說(shuō)明的根底上，研究分析了實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能所使用傳感器的原理和技術(shù)細(xì)節(jié)，并對(duì)這一新鮮技術(shù)的未來(lái)產(chǎn)品中的運(yùn)用做評(píng)估和預(yù)測(cè)。1.引言：指紋是手指外表皮膚凸凹不平形成的紋路，由多種幡狀圖形構(gòu)成。指紋特征即手指外表幡和溝組成平滑紋理模式，其隨機(jī)性很強(qiáng)。研究說(shuō)明：指紋特征具有唯一性、穩(wěn)定性特點(diǎn)，據(jù)此 可實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。指紋外表積較小，且存在磨損，獲取優(yōu)質(zhì)指紋圖像較困難。指紋傳感器是獲取指紋圖像的專(zhuān)用器件，在自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。本文回憶了指紋傳感器技術(shù)的開(kāi)展歷史，并介紹了目前幾種常見(jiàn)的傳感器，在進(jìn)行原理性剖析的根底上，指出了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況。1.1.

3、早期：早期的指紋圖像采集主要運(yùn)用油墨按印等物理方式，如果油墨及紙張質(zhì)量有問(wèn)題，或按壓壓力不均,或按壓位置、方向差異，或手指損傷、變形等，都會(huì)導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量不理想，進(jìn)而 影響該技術(shù)應(yīng)用。為克服物理方式的缺點(diǎn)，開(kāi)展光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器、超聲波傳感器等對(duì)獲取高質(zhì)量指紋圖像提供了良好的技術(shù)保障，具有很好實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，更先進(jìn)的指紋圖像傳感器亦在研發(fā)，目的是獲得足夠的指紋細(xì)節(jié)，并使指紋圖像到達(dá)較高分辨力，提高指紋識(shí)別準(zhǔn)確性、可靠性。指紋傳感器按傳感原理，即指紋成像原理和技術(shù)， 分為光學(xué)指紋傳感器、 半導(dǎo)體電容傳感器、半導(dǎo)體熱敏傳感器、半導(dǎo)體壓感傳感器、超聲波傳感器和射頻RF傳感器等。1.2.

4、現(xiàn)在：指紋識(shí)別技術(shù)雖然已日漸成熟，圖像處理及模式識(shí)別技術(shù)已經(jīng)得到很好的解決，但實(shí)際 上，作為指紋識(shí)別的核心技術(shù)仍然存在許多尚未解決的難題，尤其是殘缺、污損的指紋圖像的識(shí)別的魯棒性、適應(yīng)性方面不能令人滿意，指紋識(shí)別系統(tǒng)將隨著更小更廉價(jià)的指紋輸入設(shè) 備的出現(xiàn)、計(jì)算能力更強(qiáng)更廉價(jià)的硬件以及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用而進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用，其中，能適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)在線指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用算法有待進(jìn)一步改進(jìn)，多種指紋識(shí)別方法的集成應(yīng)用以及包括指紋是被的多種生物特征鑒定的集成應(yīng)用也將是今后研究開(kāi)展的方向，近年來(lái)，國(guó)外指紋識(shí)別相關(guān)研究又有升溫的趨勢(shì)，因此，未來(lái)幾年仍然是一個(gè)重要的、極具挑戰(zhàn)性的模式識(shí)別研究課題。目前指紋傳感器只

5、要分為兩類(lèi)，同時(shí)也是較為常見(jiàn)的指紋傳感器：1.光學(xué)指紋傳感器2.半導(dǎo)體指紋傳感器其中半導(dǎo)體指紋傳感器又分為溫差感應(yīng)式指紋傳感器和電容感應(yīng)式指紋傳感器光學(xué)指紋傳感器：借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、 使用最廣泛的技術(shù)，主要是利用光的折攝和反射原理， 將手指放在光學(xué)鏡片上， 手指在內(nèi)置光源照射下， 光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射 出的光線在手指外表指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會(huì)不一樣。用棱鏡將其投射在電荷耦合器件上CMOS或者CCD上，進(jìn)而形成脊線指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線呈黑色、谷線紋線之間的凹陷局部呈白色的數(shù)字化的、可被指紋 設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像

6、。半導(dǎo)體指紋傳感器將在下文中介紹。1.3.未來(lái)：1.3.1.1.3.1.半導(dǎo)體指紋傳感器的特征及開(kāi)展方向半導(dǎo)體指紋傳感器因其制造工藝復(fù)雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的IC設(shè)計(jì)技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、IC芯片封裝技術(shù)等，所以半導(dǎo)體指紋傳感器幾乎全部是由IC技術(shù)興旺的國(guó)家或地區(qū)，如美國(guó)、歐洲、臺(tái)灣等地設(shè)計(jì)、制造的。一顆缺乏0.5平方厘米的晶片外表集成了10000個(gè)以上的半導(dǎo)體傳感單元。內(nèi)部還包括了自動(dòng)增益電路和邏輯控制芯片，以及串行、并行、USB等接口電路。目前半導(dǎo)體指紋傳感器的靈敏度高，分辨率也 到達(dá)了500dpi或以上。其功能已經(jīng)突破了單一的傳感能力，加上軟件配合，可以用做全向 導(dǎo)航

7、器。半導(dǎo)體指紋傳感器目前朝小型化方向開(kāi)展。2004年以前以1平方厘米見(jiàn)方的方型為主，目前多為滑動(dòng)式SWIPE芯片。全球最小的滑動(dòng)式采集芯片只有12x5 mm,是由Authentec最近推出的1610。1.3.2.1.3.2.指紋傳感器的開(kāi)展方向：1向高精度開(kāi)展2向高可靠性、寬溫度范圍開(kāi)展3向微型化開(kāi)展4向微功耗及無(wú)源化開(kāi)展5向智能化數(shù)字化開(kāi)展2.工作原理:2.1.光學(xué)指紋傳感器工作原理：借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、使用 最廣泛的技術(shù)，主要是利用光的折攝和反射 原理，將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置 光源照射下，光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱 鏡射出，射出的光線在手指外表指紋凹凸不 平的線紋上

8、折射的角度及反射回去的光線 明暗就會(huì)不一樣。用棱鏡將其投射在電荷耦 合器件上CMOS或者CCD上，進(jìn)而形成脊 線指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線呈黑色、谷線紋線之間的凹陷局部呈白色 的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。光學(xué)掃描傳感系統(tǒng)光學(xué)掃描系統(tǒng)的核心部件是電荷耦合設(shè)備CCDcharge coupled device,這與數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)中使用的光傳感器系統(tǒng)是相同的。CCD是一組光敏二極管稱(chēng)為光敏器件，這種器件在光子的作用下可以產(chǎn)生電信號(hào)。每個(gè)光敏器件記錄一個(gè)像素，即一個(gè)代表射中該點(diǎn)的光束的微小圓點(diǎn)。明暗像素共同構(gòu)成了掃描場(chǎng)景例如一個(gè)手指的圖像。通常，在掃描儀系 統(tǒng)中有一個(gè)模數(shù)

9、轉(zhuǎn)換器，用來(lái)處理模擬電子信號(hào)以產(chǎn)生該圖像的數(shù)字表現(xiàn)形式。2.2.半導(dǎo)體指紋傳感器的工作原理為：半導(dǎo)體指紋傳感器無(wú)論是電容式或是電感式，其原理類(lèi)似，在一塊集成有成千上萬(wàn)半導(dǎo)體器件的 平板上，手指貼在其上與其構(gòu)成了電容電感的另一面，由于手指平面凸凹不平， 凸點(diǎn)處和凹點(diǎn)處接觸平板的實(shí)際距離大小就不一樣，形成的電容/電感數(shù)值也就不一樣，設(shè)備根據(jù)這個(gè)原理將采集到的不同的數(shù)值匯總，就完成了指紋的采集。半導(dǎo)體掃描傳感系統(tǒng)：右圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容傳感器。該傳感器由一個(gè)或多個(gè)包含一組微小單元的半導(dǎo)體芯片組成。每個(gè)單元包括兩個(gè)覆蓋有絕緣層的導(dǎo)體板。這些單元很小，比手指上一個(gè)幡紋的寬度還要小。 半導(dǎo)體指紋傳感器又分為

10、電容式和電感式。2.3.電容感應(yīng)式指紋傳感器的工作原理為：它是由電容陣列構(gòu)成的，內(nèi)部大約包含1萬(wàn)只微型化的電容器。當(dāng)用戶將手指放在正面時(shí)，皮膚就組成了電容陣列的一個(gè)極板， 電容陣列的反面是絕緣極板。 由于不同 區(qū)域指紋的脊和谷之間的距離也不相等， 使每個(gè)單元的電容量隨之而變， 由此可獲得指紋圖像。3.技術(shù)性能分析3.1不同類(lèi)型指紋傳感器性能比擬和分析目前采用的指紋傳感器從分類(lèi)上主要分為半導(dǎo)體指紋傳感器和光學(xué)指紋傳感器。光學(xué)指紋傳感器，其原理主要是光學(xué)照相和反射的原理，目前國(guó)內(nèi)的有廠家可以生產(chǎn)光學(xué)指紋傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是抗靜電能力強(qiáng)， 產(chǎn)品本錢(qián)低，使用壽命長(zhǎng)，但是具有無(wú)法進(jìn)行活體指紋 鑒別、對(duì)干濕手

11、指的適用性差等缺點(diǎn)。半導(dǎo)體指紋傳感器主要是利用電容、電感、溫度、壓力的原理實(shí)現(xiàn)指紋圖像的采集。目前國(guó)內(nèi)廠家根本上沒(méi)有能力半導(dǎo)體的指紋傳感器，主要從國(guó)外進(jìn)口。半導(dǎo)體的指紋傳感器有分為面狀指紋傳感器和條狀指紋傳感器滑動(dòng)式指紋傳感器/刮擦式指紋傳感器。3.2電容式指紋傳感器介紹電容式指紋傳感器是目前市場(chǎng)上的主流半導(dǎo)體指紋傳感器。電容式指紋傳感器最早是由美國(guó)Veridicom公司生產(chǎn)的FPS100指紋傳感器。但是，F(xiàn)PS100指紋傳感器由于抗靜電指標(biāo)比擬低只有5KV,存在指紋殘留的問(wèn)題，根本上沒(méi)有形成規(guī)模應(yīng)用。3.2.1MBF2003.2.1MBF200 固態(tài)電容傳感器 富士通MBF200中文名： 固

12、 態(tài)電容傳感器是日本富士通 公司利用從Veridicom公司 購(gòu)置的電容式指紋傳感器技 術(shù)，技術(shù)改進(jìn)后，推出的一 款電容式指紋傳感器是日本 富士通公司在2002年推出 的，產(chǎn)品推出后，在一些指 紋產(chǎn)品中得到了應(yīng)用。產(chǎn)品概要產(chǎn)品制造商：日本富士通 公司產(chǎn)品型號(hào)：MBF-200手指峭貌手指波符導(dǎo)缽損 /!?非倒相撕入端 輸入?yún)⒅劣晌莶杉恚弘娙菔剑苯犹綔y(cè)法技術(shù)參數(shù)分辨率：508DPI256 X300字節(jié)數(shù)76K24 24mm10 kV-20 C to +85 C未公布未公布一般較差產(chǎn)品評(píng)價(jià)：該指紋傳感器在2002年后開(kāi)始逐步投放市場(chǎng)，并被一些指紋產(chǎn)品的廠家采用，但是沒(méi)有形成規(guī)?；膽?yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)

13、是：采集分辨率較高。其缺點(diǎn)是：指紋傳感器的抗靜電指標(biāo)偏低只有10KV;對(duì)干濕手指的適應(yīng)性一般，尤其對(duì)濕手指或有護(hù)手霜的手指 的適用性差。另外，廠家沒(méi)有公開(kāi)傳感器的使用壽命資料。在MBF-200的技術(shù)上，富士通公司有陸續(xù)推出了具有USB接口的SPF 200-USB FingerprintSensor和刮擦式的MBF 310 - Solid-State Fingerprint Sweep Sensor。除富士通的電容式指紋傳感器外，近年來(lái)指紋傳感器的制造廠家一致致力于對(duì)電容式指紋傳感器的技術(shù)改進(jìn)和技術(shù)升級(jí)，其中比擬有代表性的還有意法半導(dǎo)體ST Micro和瑞典的FingerPrint Card公司

14、。3.2.2FPC1011C3.2.2FPC1011C 電容式指紋傳感器介紹FPC1011C電容式指紋傳感器是瑞典FingerPrint Card公司瑞典的上市公司 推出的目前最先進(jìn)的電容式指紋傳感器。該公司擁有專(zhuān)利的反射式探測(cè)技術(shù)一般是直接式探測(cè)技術(shù),使指紋傳感器的 外表保護(hù)層厚度可以到達(dá)普通電容式指紋傳感器的100倍左右，因此使指紋傳感器具有更高的對(duì)十濕手指的適用性和更長(zhǎng)的使用壽命。FingerPrint Card指紋傳感器的主要性能指標(biāo)見(jiàn)下表：產(chǎn)品概要產(chǎn)品制造商： 瑞典FingerPrint Card公司產(chǎn)品型號(hào)：FPC1011C采集原理：電容式，反射式探測(cè)法探測(cè)位置：真皮層技術(shù)參數(shù)分辨

15、率：363DPI點(diǎn)陣數(shù)：152 200單幅圖像大?。鹤止?jié)數(shù)30K采集窗口大小：15 X2mm抗靜電指標(biāo)：15 kV*作溫度：-20 C to +85 C點(diǎn)陣數(shù)：?jiǎn)畏鶊D像大小:采集窗口大小:抗靜電指標(biāo)：*作溫度：使用壽命：環(huán)境濕度：干手指適應(yīng)性:濕手指適應(yīng)性:使用壽命：一百萬(wàn)次環(huán)境濕度：95%干手指適應(yīng)性：良好濕手指適應(yīng)性：良好產(chǎn)品評(píng)價(jià)FPC1011C電容式指紋傳感器是瑞典FingerPrintCard公司利用其反射式探測(cè)專(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)的 半導(dǎo)體指紋傳感器，該指紋傳感器在2003年投放市場(chǎng)后被眾多廠家認(rèn)可和采用，目前已經(jīng)形成規(guī)模化的應(yīng)用。 該款指紋傳感器的特點(diǎn)是：由于其獨(dú)特的探測(cè)技術(shù)，可以探測(cè)到真

16、皮層，具有良好對(duì)干濕手指的適用性，傳感器的外表材料厚度到達(dá)其他電容式指紋傳感器的100倍左右，具有很好的耐用性?？轨o電指標(biāo)到達(dá)15KV。3.3電感式指紋傳感器介紹電感式指紋傳感器的主要生產(chǎn)廠家是美國(guó)的AuthenTec公司，目前提供The FingerLocFamily和The Entr ePad Family兩個(gè)系列共多款指紋傳感器。國(guó)內(nèi)使用較多的主要有AF-S2、AES3400和AES2500系列包含：AES2501和AES2510。其中，AF-S2是AuthenTec公司推出的第一代指紋傳感器，AES2500系列是刮擦式指紋傳感器。AES3400是AuthenTec推出的新一代指紋傳感器

17、，由于其采集窗口比擬小，一般不太適合在 通用設(shè)備上使用。AuthenTec公司的指紋傳感器的主要性能指標(biāo)見(jiàn)下表。AuthenTec公司AF-S2指紋傳感器性能指標(biāo)表3.3.1AF-S23.3.1AF-S2 電感式指紋傳感器介紹產(chǎn)品概要產(chǎn)品制造商： 美國(guó)AuthenTec公司產(chǎn)品型號(hào)：AF-S2米集原理：電感式技術(shù)參數(shù)：分辨率250DPI點(diǎn)陣數(shù)：128 X128單幅圖像大小：字節(jié)數(shù)16K采集窗口大?。?4.5 X4.5mm抗靜電指標(biāo)：堅(jiān)kV*作溫度：0C to +70 C使用壽命：未公布環(huán)境濕度：未公布干手指適應(yīng)性：一般濕手指適應(yīng)性：較差產(chǎn)品評(píng)價(jià)：該指紋傳感器在2002年曾經(jīng)是市場(chǎng)的主流指紋傳感

18、器，一般多為2001年-2002年期間開(kāi)發(fā)指紋產(chǎn)品的廠家采用。最近2年，由丁有新的性能更 好的指紋傳感器投放市場(chǎng)，近幾年指紋廠家開(kāi)發(fā)的新指紋產(chǎn)品中已經(jīng)不再使用。 該款指紋傳感器的特點(diǎn)是：有規(guī)模應(yīng)用，傳感器性能比擬穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是：傳感器的分辨率低，只有250DPI，對(duì)丁一些指紋紋路較細(xì)的手指如 女性效果將受影響，另外，指紋傳感器的抗靜電指標(biāo)偏低只有8KV,目前 普遍要求是15KV ;指紋傳感器對(duì)干濕手指的適應(yīng)性一般， 尤其對(duì)濕手指 或 有護(hù)手霜的手指的適用性差。另外，廠家沒(méi)有公開(kāi)傳感器的使用壽命資料。3.32AES34003.32AES3400 電感式指紋傳感器介紹AuthenTec公司AES3

19、400指紋傳感器性能指標(biāo)表產(chǎn)品概要產(chǎn)品制造商：美國(guó)AuthenTec公司產(chǎn)品型號(hào)：AES3400采集原理：電感式技術(shù)參數(shù)分辨率：500DPI點(diǎn)陣數(shù)：128 X128單幅圖像大?。鹤止?jié)數(shù)16K采集窗口大?。?.2 7.2mm抗靜電指標(biāo)：圮kV*作溫度：0 C to +70 C使用壽命：100萬(wàn)次環(huán)境濕度：未公布干手指適應(yīng)性：一般濕手指適應(yīng)性：一般 產(chǎn)品評(píng)價(jià)：AES3400電感式指紋傳感器 是AuthenTec公司利用其專(zhuān)利技術(shù)TurePrint技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代半導(dǎo)體指紋傳感器，其性能較AF-S2有一定的改善。該款指紋傳感器的特點(diǎn)是：有規(guī)模應(yīng)用，傳感器性能比擬穩(wěn)定、采集分辨率到達(dá)500DPI。其缺點(diǎn)是：采集窗口面積太小，只有7.2 7.2mm。指紋傳感器的抗靜電指標(biāo)偏低只有8KV,目前普遍要求是15KV; 指紋傳感器對(duì)干濕手指的適應(yīng)性一般。4.具體應(yīng)用案例介紹:4.1.蘋(píng)果指紋識(shí)別技術(shù)在蘋(píng)果公司最新一代的產(chǎn)品iPhone5s中運(yùn)用了指紋識(shí)別技術(shù)，這一非常時(shí)尚的技術(shù)預(yù)計(jì)將在密碼和移動(dòng)支付領(lǐng)域引領(lǐng) 一場(chǎng)新的革命。完善，但在一下一些方面和領(lǐng)域已經(jīng)顯露出其優(yōu)雖然TouchID現(xiàn)在的功能和應(yīng)用還不是很勢(shì)：