指纹传感器的原理与应用(课程论文)

论文题目：指纹传感器原理与应用

学院：

专业：

班级：

学生姓名：

学号：

201x年x月xx日

I

指纹传感器原理与应用

摘要：本文由生物识别技术的基本要求出发，对于各种不同类型的指纹传感器 ,从原理、结构、性能、应用分析等诸方面作了较为全面的分析与比较。

关键词：生物识别安全认证指纹传感器

2

1 引言

所谓生物识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学

原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性（如指纹、人脸、红膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。

目前可以用作身份识别的生物特征和行为特征包括：指纹、虹膜、人脸、掌纹、声音、签名等。这些生物特征基本的识别过程基本相同，包括以下四个步骤：

(1) 生物图像数据的采集。比如，采集指纹、虹膜、人脸等生物物理特征。

(2) 生物特征提取。比如，指纹、虹膜、人脸的特征点的提取。

(3) 特征数据保存。将采集到的特征数据，保存到可永久保存的存储器件内。

(4) 特征比对。将采集到的新的特征数据与保存的特征数据对比，得到匹配结果。

生物识别技术已经广泛应用到银行、门禁系统、军队、通信、石油、电力、教育、医疗、保险、企业及家庭安防等领域。生物识别技术的市场非常广阔，其全球市场份额正每年高速度增长。2008年生物识别技术的全球市场份额超过30亿美元，2009年达到48亿美元，2012年更是达到72亿美元，2013年甚至达到84亿美元。同时国内生物识别技术的市场也发展非常迅速，2011年前三个季度销售额达到 20亿元，2012年达到25亿元，2013年达到32亿元。由此可见，生物识别技术还有非常大的市场空间。

生物识别技术各个分支的实际市场应用程度也不一样。2010 年以前，国外指纹识别、人脸识别、虹膜识别等都分别占有 10%以左右的市场份额，而国内指纹长期占用超过 85%市场份额。2009 年指纹识别技术市场份额达到 92%，2011 年达82%，2012 年有所下降，为 74%。由此可见，各种生物识别技术中指纹识别技术发展最快，应用最广泛，虽然指纹识别的市场份额近年来有所下降，但是仍有大部分的市场份额。

3

2 指纹识别技术

人的手指末端都有凹凸不平的纹理，这种纹理被称为指纹。人的指纹符合可用于身份识别的生物特征的条件：

(1) 每个人的每个手指都有指纹。

(2) 两个指纹完全相同的概率几乎为零。

(3) 人的指纹从婴儿期就已经确定，终身不变。

(4) 目前采集指纹的传感器种类很多，完全可以实现指纹的方便采集。

指纹的纹理分为脊线和谷线，并且相互交叉成对出现。采集到的指纹图像中，灰度比较亮的纹理称为脊线，否则称为谷线，如图2-1。指纹识别技术就是通过判断脊线和谷线的特征来实现，通过图像处理算法技术，提取指纹的特征点。两个人有完全相同的指纹的概率几乎为零，而且，一个人的指纹随着年龄的增长，几乎没有变化。在我国古代及近代，指纹常常被用在签字画押方面，用以确定身份。19 世纪末，指纹开始用在刑事案件的侦破上。不过那个时候都是用肉眼去辨别指纹特征，非常不方便。到了 20 世纪 60 年代，计算机技术得到了飞速的发展，可以将指纹图像采集下来，保存到计算机，并由计算机进行图像处理，因此便产生了基于计算机的自动指纹识别系统，即利用计算机识别指纹。

图2-1 指纹提取图脊线和谷线

4

3 指纹传感器

3.1指纹传感器的分类

指纹传感器可以分为光学式和半导体式两大类。

光学指纹传感器的出现是建立在 CCD (Charged Coupled Device ) 技术的基础之上的。1969 年CCD在贝尔实验室研制成功后,被广泛应用于各种影像产品中。20 世纪 70 年代开始,CCD就作为感光器件被用来获取指纹图像,形成光学指纹传感器。光学指纹传感器习惯上也称为光学头,它的构成部分除了CCD器件外,还包括一套独特的光路组件。20世纪80年代,光学CMOS出现。和CCD相比,CMOS在体积、功耗和价格上具有明显优势,更适合于用在指纹光学头上。目前,几乎所有的指纹光学头都采用CMOS感光器件。

电容、电感、热敏和压感等传感器可以统称为硅片式传感器。1998年电容式传感器面世以来,各种硅片式传感器相继出现。目前,电容式指纹传感器的生产厂家居多,如Veridicom、富士通、S T公司等。而其他硅片式传感器的生产厂家相对比较少,如电感式传感器的生产厂家只有AuthenTec公司。热敏式传感器的生产厂家为Atmel公司。压感传感器的生产厂家为日本 BMF公司。

如图3-1和3-2分别是半导体和光学两种不同的指纹传感器。

图3-1 面状指纹传感器模组

5

图3-2 光学指纹传感器模组

3.2指纹传感器原理

3.2.1 光学指纹传感器

光学指纹传感器：光学指纹传感器：借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术，主要是利用光的折摄和反射原理，将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，光从底部射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。用棱镜将其投射在电荷耦合器件上CMOS或者CCD上，进而形成脊线（指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线）呈黑色、谷线（纹线之间的凹陷部分）呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像，其原理如图3-3所示。

光学扫描传感系统：光学扫描系统的核心部件是电荷耦合设备CCD（ charge coupled device ），这与数码相机和摄像机中使用的光传感器系统是相同的。CCD 是一组光敏二极管（称为光敏器件），这种器件在光子的作用下可以产生电信号。每个光敏器件记录一个像素，即一个代表射中该点的光束的微小圆点。明暗像素共同构成了扫描场景（例如一个手指）的图像。通常，在扫描仪系统中有一个模数转换

器，用来处理模拟电子信号以产生该图像的数字表现形式。

6

图3-3 光学指纹传感器原理图

光学指纹传感器是根据光的全反射原理设计的。光线从三棱镜的左侧射入,在其倾斜侧发生全反射,反射光从底侧射出。反射光线通过凸透镜照射在感光器件(CCD 或CMOS )上成像。当手指压在三棱镜底倾斜面上时,由于指纹脊线与玻璃接触紧密,光的全反射就被破坏,光被吸收或发生漫反射;而指纹谷线则与玻璃间存在一定隙,全反射光保持着相当大的强度。这样,指纹的图像就被获取下来。

光学传感器对于干手指图像淡而散,而湿手指的图像通常会模糊,这两点不难从光学全反射原理加以解释。光路部分的存在,导致光学传感器体积较大。光源和感光器件的总功耗也是相当大的。另外,光路还存在不一致性。

光学传感器的明显优势是坚固耐用,对静电、温度、湿度都有很强的适应能力,而且成本比较低。采集窗口可以做到很大以方便使用。

根据光学传感器的特点,比较适合用于考勤机、门锁门禁、保险柜等场合。在公安刑侦系统中,采集指纹主要是光学传感器。

3.2.2 半导体指纹传感器

半导体指纹传感器：这类传感器，无论是电容式或是电感式，其原理类似，在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成了电容（电

7

感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样，形成的电容/电感数值也就不一样，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，就完成了指纹的采集。图3-4和图3-5是手指接触传感器的模型图。

图3-4 手指接触图

图3-5 手指接触3D图

8

图3-6是电容式指纹传感器的原理图。电容式传感器中,传感器的每个像素单元有一个高增益转换器,用于连接两块相邻的顶层金属板。这两块金属板表面涂有保护层,与手指分隔开来。将转换器输入电压与其中一块金属板相连,另一块金属板则与放大器相连,构筑一个充电装置。该装置的反馈信息为两块金属板之间的有效电容。置于传感器上的手指作为第三块板,被手指和传感器表面中的不导电空气层与前两块金属板分离开来。不导电层的厚度会相应的调节有效电容,手指因指纹脊谷变化而导致不导电层的厚薄不同,由此相应的调节有效电容。点阵中的相邻像素将测出电容,并可随机读取形成指纹图像。

图3-6 电容式传感器原理图

图3-7 为电感式传感器原理图,描述如下:两个平行的充满电荷的金属板之间会产生一个电场,如果改变顶部金属板的形状使它褶皱如指纹,则这两层之间的场强也会相应的变化。电感式传感器的采集器使用手指作为顶层板,并使信号穿透手指。在皮肤的真皮层外面有一种细胞死亡时产生的极为导电的含盐溶液,是极佳的导电层。传感器的外侧是一个导电环。当手指接触导电环时,导电环通过手指和前述导电层来发出一个信号 (信号的强弱与手指指纹的形状相同),这个信号与底层板的天线点阵形成电场,然后传感器通过其主处理器将电场强度进行AD转换表达为灰度指纹

9

图像。

图3-7 电感式传感器原理图

总结：硅片式指纹传感器的优点是体积小功耗低，从图像获取能力上讲普遍对干手指效果较理想。除了压感式传感器外,其他三种传感器对湿手指效果较差。硅片式传感器普遍抗静电能力较弱,容易受静电影响甚至损坏。另外,抗磨损和抗破坏能力也远远不如光学传感器。硅片式指纹传感器适合用于小型、便携式设备中,如手机、U 盘、移动认证终端等。

另外，由于不同人群的手指的干湿程度不一，对传感器采集指纹时的影响也会产生较大的不同。还有就是南北气候因素，北方干燥，南方潮湿，这都会对传感器产生影响。这些问题对芯片本身的指纹算法要求均较高。图3-8说明了干湿手指所采集出来的指纹图像的对比图。可见手指太干提取的特征点不清晰，而太湿的话就会是一团阴影，更没有特征信息值。

10

图3-8 干湿手指对比图

4 指纹传感器的应用分析

随着苹果智能手机 iPhone 5S的 Touch ID 问世以及HTC one Max中使用的滑动指纹传感器，使得指纹传感器愈发成为了关注的焦点。指纹传感器由于每次进行指纹扫描的方位不完全一样，着力点不同，会导致所采指纹存在不同程度的变形，甚至非常模糊，所以指纹识别技术的关键是要正确提取特征和实现正确匹配。指纹识别涉及图像处理、模式识别、计算机视觉等众多学科。指纹传感器的制造技术是一项综合性强、技术复杂度高、制造工艺难的高新技术。

在指纹认证领域存在两大技术，即电光（EO）和电容指纹识别。电光扫描器和传统的扫描器差不多，它们用光把样本的凹凸纹理照亮，然后用一个 CCD 摄像头捕捉成黑白照片——白色是凸处，黑色是凹处。之后计算程序会对扫描到的图片和已经存有的资料之间明暗交叉点的分布进行对比，这些点也就是所谓的“细节”。如果有足够吻合的“细节”，用户的身份就被确认，之后就会授予权限。

苹果 iPhone 5S用的是更加敏感的电容方法。这种方法依靠一组极小的电容元件阵列，每一个元件宽度都低于一条指纹。这些元件包含有两个由绝缘层隔开的导体板。当把手指放到电容扫描器上时，指纹凸起处会导致一些导体板相连，因而形成回路产生电流，而凸起下面的元件会保持分离。之后系统会分析每个元

11

件产生的电压以判断哪个在凸处哪个在凹处。把这些数据结合起来，扫描器就能产生一张指纹图，和电光方式类似，但精确度却要高很多。电容式指纹传感器的另一个优势是，它需要一个真实的手指指纹才能使用，而不仅是一个明暗分布图，这使得它更难被蒙骗。

电容式或是电感式半导体指纹传感器基于一种标准的单-多晶硅三层金属CMOS工艺，并采用 0.5 μm工艺进行设计。金属互连的第三层构成电容像素层，由氮化钛制成并覆盖着一层氮化硅，厚度仅为 700 nm。这种硬金属电极与抗磨涂敷层组合形成的传感器十分坚实耐用，使用寿命可达数年。

在指纹传感器的应用中，除了智能手机应用，便携式低成本指纹识别技术将对人们的生活产生深远的影响。如在今后的汽车应用中，用户可输入家庭成员指纹样本，经鉴权才能驾驶。注册过程十分简单：每个授权驾驶的成员将其手指置于传感器上，并将汽车的各种参数按个人爱好进行设置，然后将这些设置存入车载的电脑存储器中。当驾驶者进入汽车时，将手指置于传感器上，启动识别过程。不到一秒钟，电脑将检测到的指纹模板与存储的模板进行比较，并建立一个与驾驶者相符的相关设置。在公共安全的应用上，如美国的传统枪盒一般是钥匙解锁，现在指纹传感器枪盒问世了：只有授权人的手才能打开这个盒子，小孩子准备拿去偷玩或被非法者使用时，会向枪支管理者的智能手机发出警报，整个过程比钥匙解锁更快、更安全。

12

结束语

本文在介绍生物识别技术的基础上，对传感器从原理结构、性能、应用等方面作了详细的论述。

作为传感器家族中的重要组成部分,指纹传感器现在已经应用于各种身份验证和安全场合。指纹传感器技术仍处于发展和成熟之中,向低成本、高性能的目标不断前进，可以说,指纹传感技术具有广阔发展空间和重大的应用价值。

13