指紋傳感器的原理與應(yīng)用(課程論文)

1、課程論文論文題目：指紋傳感器原理與應(yīng)用 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名：學(xué) 號： 201x年x月xx日13 指紋傳感器原理與應(yīng)用摘要：本文由生物識別技術(shù)的基本要求出發(fā)，對于各種不同類型的指紋傳感器 ,從原理 、結(jié)構(gòu) 、性能 、應(yīng)用分析等諸方面作了較為全面的分析與比較。 關(guān)鍵詞：生物識別 安全認證 指紋 傳感器1 引言 所謂生物識別技術(shù)就是通過計算機與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性（如指紋、人臉、紅膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進行個人身份的鑒定。 目前可以用作身份識別的生物特征和行為特征包括：指紋、虹膜、人臉、掌紋、聲音、

2、簽名等。這些生物特征基本的識別過程基本相同，包括以下四個步驟： (1) 生物圖像數(shù)據(jù)的采集。比如，采集指紋、虹膜、人臉等生物物理特征。 (2) 生物特征提取。比如，指紋、虹膜、人臉的特征點的提取。 (3) 特征數(shù)據(jù)保存。將采集到的特征數(shù)據(jù)，保存到可永久保存的存儲器件內(nèi)。 (4) 特征比對。將采集到的新的特征數(shù)據(jù)與保存的特征數(shù)據(jù)對比，得到匹配結(jié)果。生物識別技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到銀行、門禁系統(tǒng)、軍隊、通信、石油、電力、教育、醫(yī)療、保險、企業(yè)及家庭安防等領(lǐng)域。生物識別技術(shù)的市場非常廣闊，其全球市場份額正每年高速度增長。2008年生物識別技術(shù)的全球市場份額超過30億美元，2009年達到48億美元，2012

3、年更是達到72億美元，2013年甚至達到84億美元。同時國內(nèi)生物識別技術(shù)的市場也發(fā)展非常迅速，2011年前三個季度銷售額達到 20億元，2012年達到25億元，2013年達到32億元。由此可見，生物識別技術(shù)還有非常大的市場空間。生物識別技術(shù)各個分支的實際市場應(yīng)用程度也不一樣。2010 年以前，國外指紋識別、人臉識別、虹膜識別等都分別占有 10%以左右的市場份額，而國內(nèi)指紋長期占用超過 85%市場份額。2009 年指紋識別技術(shù)市場份額達到 92%，2011 年達82%，2012 年有所下降，為 74%。由此可見，各種生物識別技術(shù)中指紋識別技術(shù)發(fā)展最快，應(yīng)用最廣泛，雖然指紋識別的市場份額近年來有所

4、下降，但是仍有大部分的市場份額。 2 指紋識別技術(shù)人的手指末端都有凹凸不平的紋理，這種紋理被稱為指紋。人的指紋符合可用于身份識別的生物特征的條件： (1) 每個人的每個手指都有指紋。 (2) 兩個指紋完全相同的概率幾乎為零。 (3) 人的指紋從嬰兒期就已經(jīng)確定，終身不變。 (4) 目前采集指紋的傳感器種類很多，完全可以實現(xiàn)指紋的方便采集。 指紋的紋理分為脊線和谷線，并且相互交叉成對出現(xiàn)。采集到的指紋圖像中，灰度比較亮的紋理稱為脊線，否則稱為谷線，如圖2-1。指紋識別技術(shù)就是通過判斷脊線和谷線的特征來實現(xiàn)，通過圖像處理算法技術(shù)，提取指紋的特征點。兩個人有完全相同的指紋的概率幾乎為零，而且，一個人

5、的指紋隨著年齡的增長，幾乎沒有變化。在我國古代及近代，指紋常常被用在簽字畫押方面，用以確定身份。19 世紀末，指紋開始用在刑事案件的偵破上。不過那個時候都是用肉眼去辨別指紋特征，非常不方便。到了 20 世紀 60 年代，計算機技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，可以將指紋圖像采集下來，保存到計算機，并由計算機進行圖像處理，因此便產(chǎn)生了基于計算機的自動指紋識別系統(tǒng)，即利用計算機識別指紋。圖2-1 指紋提取圖脊線和谷線3 指紋傳感器3.1指紋傳感器的分類指紋傳感器可以分為光學(xué)式和半導(dǎo)體式兩大類。光學(xué)指紋傳感器的出現(xiàn)是建立在 CCD (Charged Coupled Device ) 技術(shù)的基礎(chǔ)之上的。1969

6、年CCD在貝爾實驗室研制成功后,被廣泛應(yīng)用于各種影像產(chǎn)品中。20 世紀 70 年代開始,CCD就作為感光器件被用來獲取指紋圖像,形成光學(xué)指紋傳感器。光學(xué)指紋傳感器習(xí)慣上也稱為光學(xué)頭,它的構(gòu)成部分除了CCD器件外,還包括一套獨特的光路組件。20世紀80年代,光學(xué)CMOS出現(xiàn)。和CCD相比,CMOS在體積、功耗和價格上具有明顯優(yōu)勢,更適合于用在指紋光學(xué)頭上。目前,幾乎所有的指紋光學(xué)頭都采用CMOS感光器件。電容、電感、熱敏和壓感等傳感器可以統(tǒng)稱為硅片式傳感器。1998年電容式傳感器面世以來,各種硅片式傳感器相繼出現(xiàn)。目前,電容式指紋傳感器的生產(chǎn)廠家居多,如Veridicom、富士通、S T公司等。

7、而其他硅片式傳感器的生產(chǎn)廠家相對比較少,如電感式傳感器的生產(chǎn)廠家只有AuthenTec公司。熱敏式傳感器的生產(chǎn)廠家為 Atmel公司。壓感傳感器的生產(chǎn)廠家為日本 BMF公司。如圖3-1和3-2分別是半導(dǎo)體和光學(xué)兩種不同的指紋傳感器。圖3-1 面狀指紋傳感器模組圖3-2 光學(xué)指紋傳感器模組3.2指紋傳感器原理3.2.1 光學(xué)指紋傳感器光學(xué)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、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，射出的光線在手指表面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

8、就會不一樣。用棱鏡將其投射在電荷耦合器件上CMOS或者CCD上，進而形成脊線（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 間的凹陷部分）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，其原理如圖3-3所示。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CCD（ charge coupled device ），這與數(shù)碼相機和攝像機中使用的光傳感器系統(tǒng)是相同的。CCD是一組光敏二極管（稱為光敏器件），這種器件在光子的作用下可以產(chǎn)生電信號。每個光敏器件 記錄一個像素，即一個代表射中該點的光束的微小圓點。明暗像素共同構(gòu)成了掃描場景（例如一個手指）的圖像。通常，在掃描儀系統(tǒng)

9、中有一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來處 理模擬電子信號以產(chǎn)生該圖像的數(shù)字表現(xiàn)形式。圖3-3 光學(xué)指紋傳感器原理圖光學(xué)指紋傳感器是根據(jù)光的全反射原理設(shè)計的。光線從三棱鏡的左側(cè)射入,在其傾斜側(cè)發(fā)生全反射,反射光從底側(cè)射出。反射光線通過凸透鏡照射在感光器件(CCD 或CMOS )上成像。當手指壓在三棱鏡底傾斜面上時,由于指紋脊線與玻璃接觸緊密,光的全反射就被破壞,光被吸收或發(fā)生漫反射;而指紋谷線則與玻璃間存在一定隙,全反射光保持著相當大的強度。這樣,指紋的圖像就被獲取下來。光學(xué)傳感器對于干手指圖像淡而散,而濕手指的圖像通常會模糊,這兩點不難從光學(xué)全反射原理加以解釋。光路部分的存在,導(dǎo)致光學(xué)傳感器體積較大。光源和

10、感光器件的總功耗也是相當大的。另外,光路還存在不一致性。光學(xué)傳感器的明顯優(yōu)勢是堅固耐用,對靜電、溫度、濕度都有很強的適應(yīng)能力,而且成本比較低。采集窗口可以做到很大以方便使用。根據(jù)光學(xué)傳感器的特點,比較適合用于考勤機、門鎖門禁、保險柜等場合。在公安刑偵系統(tǒng)中,采集指紋主要是光學(xué)傳感器。3.2.2 半導(dǎo)體指紋傳感器半導(dǎo)體指紋傳感器：這類傳感器，無論是電容式或是電感式，其原理類似，在一塊集成有成千上萬半導(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，凸點處和凹點處接觸平板的實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)這個原理將采集到的不同的

11、數(shù)值匯總，就完成了指紋的采集。圖3-4和圖3-5是手指接觸傳感器的模型圖。圖3-4 手指接觸圖圖3-5 手指接觸3D圖圖3-6是電容式指紋傳感器的原理圖。電容式傳感器中,傳感器的每個像素單元有一個高增益轉(zhuǎn)換器,用于連接兩塊相鄰的頂層金屬板。這兩塊金屬板表面涂有保護層,與手指分隔開來。將轉(zhuǎn)換器輸入電壓與其中一塊金屬板相連,另一塊金屬板則與放大器相連,構(gòu)筑一個充電裝置。該裝置的反饋信息為兩塊金屬板之間的有效電容。置于傳感器上的手指作為第三塊板,被手指和傳感器表面中的不導(dǎo)電空氣層與前兩塊金屬板分離開來。不導(dǎo)電層的厚度會相應(yīng)的調(diào)節(jié)有效電容,手指因指紋脊谷變化而導(dǎo)致不導(dǎo)電層的厚薄不同,由此相應(yīng)的調(diào)節(jié)有效

12、電容。點陣中的相鄰像素將測出電容,并可隨機讀取形成指紋圖像。圖3-6 電容式傳感器原理圖圖3-7 為電感式傳感器原理圖,描述如下:兩個平行的充滿電荷的金屬板之間會產(chǎn)生一個電場,如果改變頂部金屬板的形狀使它褶皺如指紋,則這兩層之間的場強也會相應(yīng)的變化。電感式傳感器的采集器使用手指作為頂層板,并使信號穿透手指。在皮膚的真皮層外面有一種細胞死亡時產(chǎn)生的極為導(dǎo)電的含鹽溶液,是極佳的導(dǎo)電層。傳感器的外側(cè)是一個導(dǎo)電環(huán)。當手指接觸導(dǎo)電環(huán)時,導(dǎo)電環(huán)通過手指和前述導(dǎo)電層來發(fā)出一個信號 (信號的強弱與手指指紋的形狀相同),這個信號與底層板的天線點陣形成電場,然后傳感器通過其主處理器將電場強度進行AD轉(zhuǎn)換表達為灰度

13、指紋圖像。圖3-7 電感式傳感器原理圖總結(jié)：硅片式指紋傳感器的優(yōu)點是體積小功耗低，從圖像獲取能力上講普遍對干手指效果較理想。除了壓感式傳感器外,其他三種傳感器對濕手指效果較差。硅片式傳感器普遍抗靜電能力較弱,容易受靜電影響甚至損壞。另外,抗磨損和抗破壞能力也遠遠不如光學(xué)傳感器。硅片式指紋傳感器適合用于小型、便攜式設(shè)備中,如手機、U 盤、移動認證終端等。另外，由于不同人群的手指的干濕程度不一，對傳感器采集指紋時的影響也會產(chǎn)生較大的不同。還有就是南北氣候因素，北方干燥，南方潮濕，這都會對傳感器產(chǎn)生影響。這些問題對芯片本身的指紋算法要求均較高。圖3-8說明了干濕手指所采集出來的指紋圖像的對比圖?？梢?/p>

14、手指太干提取的特征點不清晰，而太濕的話就會是一團陰影，更沒有特征信息值。圖3-8 干濕手指對比圖4 指紋傳感器的應(yīng)用分析隨著蘋果智能手機 iPhone 5S的 Touch ID 問世以及HTC one Max中使用的滑動指紋傳感器，使得指紋傳感器愈發(fā)成為了關(guān)注的焦點。指紋傳感器由于每次進行指紋掃描的方位不完全一樣，著力點不同，會導(dǎo)致所采指紋存在不同程度的變形，甚至非常模糊，所以指紋識別技術(shù)的關(guān)鍵是要正確提取特征和實現(xiàn)正確匹配。指紋識別涉及圖像處理、模式識別、計算機視覺等眾多學(xué)科。指紋傳感器的制造技術(shù)是一項綜合性強、技術(shù)復(fù)雜度高、制造工藝難的高新技術(shù)。在指紋認證領(lǐng)域存在兩大技術(shù)，即電光（EO）和

15、電容指紋識別。電光掃描器和傳統(tǒng)的掃描器差不多，它們用光把樣本的凹凸紋理照亮，然后用一個 CCD 攝像頭捕捉成黑白照片白色是凸處，黑色是凹處。之后計算程序會對掃描到的圖片和已經(jīng)存有的資料之間明暗交叉點的分布進行對比，這些點也就是所謂的“細節(jié)”。如果有足夠吻合的“細節(jié)”，用戶的身份就被確認，之后就會授予權(quán)限。蘋果 iPhone 5S用的是更加敏感的電容方法。這種方法依靠一組極小的電容元件陣列，每一個元件寬度都低于一條指紋。這些元件包含有兩個由絕緣層隔開的導(dǎo)體板。當把手指放到電容掃描器上時，指紋凸起處會導(dǎo)致一些導(dǎo)體板相連，因而形成回路產(chǎn)生電流，而凸起下面的元件會保持分離。之后系統(tǒng)會分析每個元件產(chǎn)生的

16、電壓以判斷哪個在凸處哪個在凹處。把這些數(shù)據(jù)結(jié)合起來，掃描器就能產(chǎn)生一張指紋圖，和電光方式類似，但精確度卻要高很多。電容式指紋傳感器的另一個優(yōu)勢是，它需要一個真實的手指指紋才能使用，而不僅是一個明暗分布圖，這使得它更難被蒙騙。電容式或是電感式半導(dǎo)體指紋傳感器基于一種標準的單-多晶硅三層金屬 CMOS工藝， 并采用 0.5 m工藝進行設(shè)計。金屬互連的第三層構(gòu)成電容像素層，由氮化鈦制成并覆蓋著一層氮化硅，厚度僅為 700 nm。這種硬金屬電極與抗磨涂敷層組合形成的傳感器十分堅實耐用，使用壽命可達數(shù)年。在指紋傳感器的應(yīng)用中，除了智能手機應(yīng)用，便攜式低成本指紋識別技術(shù)將對人們的生活產(chǎn)生深遠的影響。如在今后的汽車應(yīng)用中，用戶可輸入家庭成員指紋樣本，經(jīng)鑒權(quán)才能駕駛。注冊過程十分簡單：每個授權(quán)駕駛的成員將其手指置于傳感器上，并將汽車的各種參數(shù)按個人愛好進行設(shè)置，然后將這些設(shè)置存入車載的電腦存儲器中。當駕駛者進入汽車時，將手指置于傳感器上，啟動識別過程。不到一秒鐘，電腦將檢測到的指紋模板與存儲的模板進行比較，并建立一個與駕駛者