电容传感与指纹识别

电容传感和指纹识别

摘要：生物识别技术是基于人的生物特征进行个体识别的一项认证技术，现在主要有虹膜，视网膜，声音，人脸识别和指纹识别。其中指纹识别是生物识别技术中最为成熟的技术。它的稳定性，鉴别的唯一性，一直都被视为身份鉴别的可靠手段之一。本文章就当下比较流行的基于电容传感技术的指纹识别进行介绍并进行讨论。

关键字：电容传感技术，指纹识别。

Capacitance sensor and fingerprint recognition

01081441 KaiDu

Abstract：Biometric technology is based on the biological characteristics of human individual identification of a certification, and now there are iris, retina, voice, face recognition and fingerprint recognition. One fingerprint biometric technology is the most mature technology. Its stability, identification of unique, has long been regarded as a reliable means of identification. This article will introduces and discusses the more popular current capacitive fingerprint sensor technology .

keywords：fingerprint biometric technology，fingerprint recognition

0 引言

随着社会的进步，我们认识到信息的保密越来越重要。我们从很早就给家里的门和柜子上锁，现在我们会用遥控器去打开车门，会使用密码去保护电脑等等。这些都是我们经常用到的保密方式，但是同时也是不法分子“研究”的盗窃方式。我们需要一种可以唯一的识别个人的设备去保护我们的信息，指纹识别别在这个时候大放异彩了。而指纹识别在采集指纹时需要对微小的压力进行识别，这时候用电容传感技术是个不错的选择。

1.电容传感技术原理

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用

C为

S—极板相对覆盖面积；

δ—极板间距离；εr—相对介电常数；

ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m；

ε—电容极板间介质的介电常数。

1.1改变极板遮盖面积的电容传感器

图1是3种这类传感器的原理图，图1(a)中是利用角位移来改变电容器极板遮盖面积。假定当2块极板完全遮盖时的面积为S0，两极板间的距离为d，极板间介质的介电常数为ε。当忽略边缘效应时，该电容器的电容量为：

如果其中一块板极相对另一极板转过θ角，则极板间的相互遮盖面积为：

可见，此电容量的变化值和角位移成正比，以此用来测量角位移。

图1(b)中是利用线位移来改变电容器极板的遮盖面积的。如果初始状态极板全部遮盖，则遮盖面积S0＝ab，当2块极板相对位移x时，则极板的遮盖面积变为S1=b(a-x)。在介电常数和极板距离不变时，电容量分别为：

可见，此电容量的变化值和线位移x成正比，用他来测量各类线位移。

图1(c)所示电容变换器是图1(b)所示电容器的变种。采用这种锯齿形电极的目的在于提高传感器的灵敏度。若锯齿数为n，尺寸如图1(b)所示不变，当运动齿相对于固定齿移动一个位移x时，则可得：

比较式（2）和式（3）可见，灵敏度提高了n倍。

2.2改变介质介电常数的电容传感器

图2是2种改变介质介电常数的电容式传感器的原理图。图2(a)常用来检测液位的高度，图2(b)常用来检测片状材料的厚度和介电常数。

图2(a)中由圆筒1和圆柱2构成电容器两极，假定部分浸入被测量液体中（液体应不能导电，若能导电，则电极需作绝缘处理）。这样，极板间的介质由2部分组成：空气介质和液体介质，由此而形成的电容式料位传感器，由于液体介质的液面发生变化，从而导致电容器的电容C也发生变化。这种方法测量的精度很高，且不受周围环境的影响。总电容C由液体介质部分电容C1和空气介质部分电容C2两部分组成：

x —电容器浸入液体中的深度；

R —同心圆电极的外半径；

r —同心圆电极的内半径；

ε 1 —被测液体的介电常数；

ε 2 —空气的介电常数。

当容器的尺寸和被测介质确定后，则h，R，r，ε1和ε2均为常数，令：

这说明，电容量C的大小与电容器浸入液体的深度x成正比。

图2(b)是在一个固定电容器的极板之间放入被测片状材料，则他的电容量为：

式中：S —电容器的遮盖面积；

d1 —被测物体上侧至电极之间的距离；

d2 —被测物体的厚度；

d3 —被测物体下侧至电极之间的距离；

ε 1 —被测物体上侧至电极之间介质的介电常数；

ε 2 —被测物体的介电常数；

ε 3 —被测物体下侧至电极之间介质的介电常数。

由于d1+d3=d-d2，且当ε1＝ε3时，式（5）还可写为：

式中d —两极板之间的距离。

显然，在电容器极板的遮盖面积S，两极板之间的距离d，被测物体上下侧至电极之间介质的介电常数ε1和ε3确定时，电容量的大小就和被测材料的厚度d2及介电常数ε2有关。如被测材料介电常数ε2已知，就可以测量等厚教材料的厚度d2；或者被测材料的厚度d2已知，就可测量其介电常数ε2。这就是电容式测厚仪和电容式介电常数测量仪的工作原理。

1.3改变极板间距离的电容传感器

图3是这类传感器的原理图，图3(a)由2块极板构成，其中极板2为固定极板，极板1为与被测物体相连的活动极板，可上下移动。当极板间的遮盖面积为S，极板间介质的介电常数为ε，初始极板间距为d0时，则初始电容C0为：

当活动极板1在被测物体的作用下向固定极板2位移Δd 时，此时电容C为：

当电容器的活动极板1移动极小时，即Δd<

这时电容器的变化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相对非线性误差为：

显然，这种单边活动的电容传感器随着测量范围的增大，相应的误差也增大。在实际应用中，为了提高这类传感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差，常做成差动式电容器及互感器电桥组合结构，如图3(b)所示。两边是固定的电极板1和2，中间由弹簧片支承的活动极板3。2个固定极板与互感器两端及交流电源U相连接，活动极板连接端子和互感器中间抽头端子为传感器的输出端，该输出端电压ΔU随着活动极板运动而变化。若活动极板的初始位置距2个固定极板的距离均为d0，则固定极板1和活动极板3之间，固定2和活动极板3之间的初始电容相等，若令其为C0。当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Δd时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为：

由上述推导可知，活动极板和2个固定极板构成电容分别为：

当他们做成差动式电容器及互感器电桥组合结构时，其等效电容为：

虽然电容的变化量仍旧和位移Δd成非线性关系，但是消除了级数中的偶次项，使线性得

到改善。当时（在微小量检测中，如线膨胀测量等，一般都能满足这个条件），略去高次项，得：

比较式（9）和式（7）可见，灵敏度提高了1倍。

比较式（10）和式（8）可见，在1时，非线性误差将大大下降。

2.基于电容传感技术的指纹识别的原理

2.1指纹的特征

指纹识别学是一门古老的学科，它是基于人体指纹特征的相对稳定与唯一这一统计学结果发展起来的。实际应用中，根据需求的不同，可以将人体的指纹特征分为：永久性特征、非永久性特征和生命特征。

永久性特征包括细节特征（中心点、三角点、端点、叉点、桥接点等）和辅助特征（纹型、纹密度、纹曲率等元素），在人的一生中永不会改变，在手指前端的典型区域中最为明显，分布也最均匀。细节特征是实现指纹精确比对的基础，而纹形特征、纹理特征等则是指纹分类及检索的重要依据。人类指纹的纹形特征根据其形态的不同通常可以分为“弓型、箕型、斗型”三大类型，以及“孤形、帐形、正箕形、反箕形、环形、螺形、囊形、双箕形和杂形”等9种形态。纹理特征则是由平均纹密度、纹密度分布、平均纹曲率、纹曲率分布等纹理参数构成。纹理特征多用于计算机指纹识别算法的多维分类及检索。

非永久性特征由孤立点、短线、褶皱、疤痕以及由此造成的断点、叉点等元素构成的指纹特征，这类指纹有可能产生、愈合、发展甚至消失。

指纹的生命特征与被测对象的生命存在与否密切相关。但它与人体生命现象的关系和规律仍有待进一步认识。目前它已经成为现代民用指纹识别应用中越来越受关注的热点之

2.2指纹识别的主要技术

指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图象、提取特征、保存数据和比对。当然最重要的就是指纹的图像的采集的准确度，这和所使用的采集手段有关。

在一开始，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图象，取到指纹图象之后，要对原始图象进行初步的处理，使之更清晰。

接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字表示——特征数据，一种单方向的转换，可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，也就是那些指纹纹路的分

叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。因为通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。

有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数据，通常称为模板，保存为1K大小的记录。无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准，也没有一种公布的抽象算法，而是各个厂商自行其是。

最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

2.3电容传感技术的指纹采集

指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。

人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成，通过对每个像素点上利用标准参考放电电流，便可检测到指纹的纹路状况。每个像素先预充电到某一参考电压，然后由参考电流放电。电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下面的比例关系：

Iref=C×dv/dt

处于指纹的凸起下的像素(电容量高)放电较慢，而处于指纹的凹处下的像素(电容量低)放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持(S/H)电路检测并转换成一个8位输出，这种检测方法对指纹凸起和低凹具有较高的敏感性，并可形成非常好的原始指纹图像。

采用复杂的软件算法可以进行指纹识别。这种软件采集原始的指纹图像，将图像信息数字化并提取其中的细节模板，然后进行测试，确定提取的细节模板是否与参考模板吻合。单触型传感器与划擦型传感器的尺寸和成本都不一样。接触式传感器较大，通常有效接触面为15×15mm，可迅速地采集最大的指纹或拇指指纹。这种传感器易于使用，并可将整个指纹图像以500dpi(自动指纹识别标准)的精度进行快速传输。

这种传感器由256(列)×300(行)微型金属电极组成，每一列连接到一对S/H电路上。指纹图像依次逐行采集，每之接触的个金属电极均作为电容的一个极，与手指则是电容的另一个极。在器件表面有一层钝化层，作为两个电容极间的电介质层。将手指置于传感器上时，指纹上的凸起和低凹会在阵列上产生不同的电容值，并构成用于认证的一整幅图像。

划擦型传感器是一种新型指纹采集器件，要求用户将手指在器件上划过。划擦型传感器的优点是尺寸小(如富士通的MBF300尺寸仅为3.6×13.3 mm2)和成本低。这些器件主要用于移动设备的嵌入式安全识别应用，如手机和PDA。精密的图像重建软件以接近2000帧每秒的速度快速地从传感器上采集多个图像，并将每个帧的数据细节组织到一起。

结束语：有以上可见，基于电容传感技术的指纹识别，就是利用了电容的个参数的变化

去改变电容值，去构成识别信息。而且这种指纹识别有体积小，好点较少，成本低的优点，但是这种晶体电容传感技术的指纹识别容易损坏，而且要求手指要干净不能有汗或者手指脏。这方面还需要我们不断改进创新去制造更好的电容感应器件去填补这方面的不足。

参考文献：

[1]电容传感器的原理及应用蒙文舜，杨运经，刘云鹏西北农林科技大学生命科学学院