指纹传感器原理与指纹传感器原理与 应用应用 引引 言言 n n 指纹是手指表面皮肤凸凹不平形成的纹路，由多种嵴状指纹是手指表面皮肤凸凹不平形成的纹路，由多种嵴状 图形构成。指纹特征即手指表面嵴和沟组成平滑纹理模式，图形构成。指纹特征即手指表面嵴和沟组成平滑纹理模式， 其随机性很强。研究表明：指纹特征具有唯一性、稳定性特其随机性很强。研究表明：指纹特征具有唯一性、稳定性特 点，据此可实现身份识别。点，据此可实现身份识别。 n n 指纹表面积较小，且存在磨损，获取优质指纹图像较困指纹表面积较小，且存在磨损，获取优质指纹图像较困 难。指纹传感器是获取指纹图像的专用器件难。指纹传感器是获取指纹图像的专用器件, ,在自动指纹识在自动指纹识 别系统中起着关键作用。别系统中起着关键作用。 n n 本文回顾了指纹传感器技术的发展历史本文回顾了指纹传感器技术的发展历史, ,并介绍了目前并介绍了目前 几种常见的传感器几种常见的传感器, ,在进行原理性剖析的基础上在进行原理性剖析的基础上, ,指出了它们指出了它们 的优缺点和应用情况。的优缺点和应用情况。 我国指纹传感器发展现状我国指纹传感器发展现状 n n 我国生物（指纹）识别技术发展相对于美国、日本要晚我国生物（指纹）识别技术发展相对于美国、日本要晚 10-2010-20年的时间，指纹识别产品在我国最早出现是在年的时间，指纹识别产品在我国最早出现是在9090年代年代 初期，当时只是寥寥数十家，而产业化起步应该是初期，当时只是寥寥数十家，而产业化起步应该是20002000年以年以 后后。 n n 到到20002000年，随着移动存储设备等数码类产品的大量使用年，随着移动存储设备等数码类产品的大量使用 ，指纹技术与数码类产品结合应用的局面才铺开，所以指纹，指纹技术与数码类产品结合应用的局面才铺开，所以指纹 识别产业在我国，目前仍处于形成阶段，如果说识别产业在我国，目前仍处于形成阶段，如果说20042004年之前年之前 处于从点到线的状态，那么处于从点到线的状态，那么20042004年之后指纹产业开始了从线年之后指纹产业开始了从线 到面的发展到面的发展。 指纹采集技术的发展指纹采集技术的发展 n n 早期的指纹图像采集主要运用油墨按印等物理方式早期的指纹图像采集主要运用油墨按印等物理方式, ,如如 果油墨及纸张质量有问题果油墨及纸张质量有问题, ,或按压压力不均或按压压力不均, ,或按压位置、方或按压位置、方 向差异向差异, ,或手指损伤、变形等或手指损伤、变形等, ,都会导致采集的指纹图像质量都会导致采集的指纹图像质量 不理想不理想, ,进而影响该技术应用。为克服物理方式的缺点进而影响该技术应用。为克服物理方式的缺点, ,发展发展 光学传感器、半导体传感器、超声波传感器等对获取高质量光学传感器、半导体传感器、超声波传感器等对获取高质量 指纹图像提供了良好的技术保障指纹图像提供了良好的技术保障, ,具有很好实用价值。同时具有很好实用价值。同时, , 更先进的指纹图像传感器亦在研发更先进的指纹图像传感器亦在研发, ,目的是获得足够的指纹目的是获得足够的指纹 细节细节, ,并使指纹图像达到较高分辨力并使指纹图像达到较高分辨力, ,提高指纹识别准确性、提高指纹识别准确性、 可靠性。可靠性。 指纹传感器的发展方向指纹传感器的发展方向 n n 1 1）向高精度发展）向高精度发展 n n 2 2）向高可靠性、宽温度范围发展）向高可靠性、宽温度范围发展 n n 3 3）向微型化发展）向微型化发展 n n 4 4）向微功耗及无源化发展）向微功耗及无源化发展 n n 5 5）向智能化数字化发展）向智能化数字化发展 指纹传感器的分类指纹传感器的分类 指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为 光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、 半导体压感传感器、超声波传感器和射频半导体压感传感器、超声波传感器和射频RFRF传感器等。传感器等。 目前指纹传感器只要分为两类，同时也是较为常见的指目前指纹传感器只要分为两类，同时也是较为常见的指 纹传感器：纹传感器： 1.1.光学指纹传感器光学指纹传感器 2.2.半导体指纹传感器半导体指纹传感器 光学指纹传感器光学指纹传感器 n n 光学指纹传感器：借助光学技术采集指纹是历史最久远光学指纹传感器：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、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。用棱镜将其投射在电荷耦合器件上CMOSCMOS或者或者CCDCCD上上，进而，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、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。纹设备算法处理的多灰度指纹图像。 光学扫描传感系统光学扫描传感系统 n n 光学扫描系统的核心部件是电荷耦合设备光学扫描系统的核心部件是电荷耦合设备CCDCCD（ charge charge coupled device coupled device ），这与数码相机和摄像机中使用的光传，这与数码相机和摄像机中使用的光传 感器系统是相同的。感器系统是相同的。CCDCCD是一组光敏二极管（称为光敏器件是一组光敏二极管（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），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。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。信号以产生该图像的数字表现形式。 半导体指纹传感器半导体指纹传感器 n n 半导体指纹传感器：这类传感器，无论是电容式或是电半导体指纹传感器：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“ 平板平板”上，手指贴在其上与其构成了电容（电感）的另一面上，手指贴在其上与其构成了电容（电感）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，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，形成的电容距离大小就不一样，形成的电容/ /电感数值也就不一样，设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。的采集。 半导体扫描传感系统半导体扫描传感系统 n n 下图是一个简单的电容传感器。该传感器由一个或多个下图是一个简单的电容传感器。该传感器由一个或多个 包含一组微小单元的半导体芯片组成。每个单元包括两个覆包含一组微小单元的半导体芯片组成。每个单元包括两个覆 盖有绝缘层的导体板。这些单元很小，比手指上一个嵴纹的盖有绝缘层的导体板。这些单元很小，比手指上一个嵴纹的 宽度还要小。宽度还要小。 光学传感器与半导体传感器优缺点光学传感器与半导体传感器优缺点 n n 光学指纹图像传感器优点主要表现为经历长期实用检验光学指纹图像传感器优点主要表现为经历长期实用检验 、系统稳定性较好、成本亦较低、能提供分辨力为、系统稳定性较好、成本亦较低、能提供分辨力为500 dpi( 500 dpi( dot per inch)dot per inch)的图像。特别是能实现较大区域的指纹图像的图像。特别是能实现较大区域的指纹图像 采集采集, ,有效克服大面积半导体指纹传感器价格昂贵缺点。该有效克服大面积半导体指纹传感器价格昂贵缺点。该 传感器局限性主要体现于潜在指印方面传感器局限性主要体现于潜在指印方面, ,不但会降低指纹图不但会降低指纹图 像的质量像的质量, ,严重时严重时, ,还可能导致两个指印重叠还可能导致两个指印重叠, ,显然显然, ,难以满足难以满足 实际应用需要。此外实际应用需要。此外, ,台板涂层及台板涂层及CCDCCD阵列会随时间推移产生阵列会随时间推移产生 损耗损耗, ,可能导致采集的指纹图像质量下降。随着光学技术发可能导致采集的指纹图像质量下降。随着光学技术发 展展, ,一些新颖的技术手段亦已应用于指纹图像的采集一些新颖的技术手段亦已应用于指纹图像的采集, ,这样这样, , 能显著减小光学指纹传感器的体积。能显著减小光学指纹传感器的体积。 n n 半导体指纹传感器特有的优点吸引了半导体指纹传感器特有的优点吸引了Sony, InfineonSony, Infineon等等 知名公司知名公司, ,并开发出各具特色的产品。当然并开发出各具特色的产品。当然, ,作为极具潜力、作为极具潜力、 代表未来发展方向的指纹传感器也存在一定局限性代表未来发展方向的指纹传感器也存在一定局限性, ,表现为表现为 易受静电影响易受静电影响, ,严重时严重时, ,传感器可能采集不到图像传感器可能采集不到图像, ,甚至本身甚至本身 也会被损坏也会被损坏; ;手指汗液盐分或其他污物手指汗液盐分或其他污物, ,以及手指磨损等均会以及手指磨损等均会 造成图像采集困难造成图像采集困难, ,其耐磨性亦不及玻璃其耐磨性亦不及玻璃; ;大面积制造成本较大面积制造成本较 高高, ,故取像区域较小故取像区域较小; ;传感器稳定性传感器稳定性, ,特别是次最优性能等方特别是次最优性能等方 面有待进一步验证。面有待进一步验证。 常见固态指纹传感器常见固态指纹传感器 n n 目前市场上有两种固态指纹传感器：第一种是单次触摸目前市场上有两种固态指纹传感器：第一种是单次触摸 型传感器，要求手指在指纹采集区进行可靠的触摸；第二种型传感器，要求手指在指纹采集区进行可靠的触摸；第二种 是划擦型传感器，则需要用手指在传感器表面擦过，传感器是划擦型传感器，则需要用手指在传感器表面擦过，传感器 会采集一套特定的数据，然后进行快速分析和认证。会采集一套特定的数据，然后进行快速分析和认证。 指纹扫描系统指纹扫描系统 n n 指纹扫描系统有两项基本工作：一是需要获得手指的图指纹扫描系统有两项基本工作：一是需要获得手指的图 像，二是需要确定该图像中的嵴纹和波谷是否与以前扫描图像，二是需要确定该图像中的嵴纹和波谷是否与以前扫描图 像中的嵴纹和波谷相吻合。像中的嵴纹和波谷相吻合。 指纹传感技术的应用及发展趋势指纹传感技术的应用及发展趋势 n n 毫无疑问，便携式低成本指纹识别技术对我们的生活意毫无疑问，便携式低成本指纹识别技术对我们的生活意 义深远。例如，今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑义深远。例如，今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑 人，要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照。此人则将其人，要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照。此人则将其 右手的第一、二或第三个手指置于一个与无线右手的第一、二或第三个手指置于一个与无线PDAPDA相连的传相连的传 感器上，可以迅速将嫌疑人与以前的犯罪记录进行对比确认感器上，可以迅速将嫌疑人与以前的犯罪记录进行对比确认 。 n n 指纹识别技术虽然已日渐成熟，图像