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电容感应式指纹传感器工作原理和性能分析
电容感应式指纹传感器工作原理和性能分析
交通运输1101陈强3110405027
摘要：
本文首先通过查找相关传感器历史资料，回顾了指纹传感器技术的发展历史。
从发展早期，现如今和未来三个角度分别介绍了指纹传感器技术的原理，发展过程和未来前景。
与此同时通过查阅相关文献资料和技术论文，详细解释了指纹传感器的工作原理，并着重介绍了目前几种现实生活中常见的传感器，如光学指纹传感器和半导体指纹传感器，在对两种传感器进行原理性剖析的基础上,通过列举现实生活中同型号不同产品的半导体指纹传感器，对传感器的主要性能参数进行对比研究，指出了它们的优缺点和应用情况。
最后，通过了解苹果公司最新发布的iPhone5s产品中新加入的指纹解锁技术，在阅读其专利图和技术使用说明的基础上，研究分析了实现该项功能所使用传感器的原理和技术细节，并对这一新鲜技术的未来产品中的运用做评估和预测。
1.引言：
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，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。
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,在自动指纹识别系统中起着关键作用。
本文回顾了指纹传感器技术的发展历史,并介绍了目前几种常见的传感器,在进行原理性剖析的基础上,指出了它们的优缺点和应用情况。
1.1.早期:
早期的指纹图像采集主要运用油墨按印等物理方式,如果油墨及纸张质量有问题,或按压压力不均,或按压位置、方向差异,或手指损伤、变形等,都会导致采集的指纹图像质量不理想,进而影响该技术应用。
为克服物理方式的缺点,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指纹图像提供了良好的技术保障,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,目的是获得足够的指纹细节,并使指纹图像达到较高分辨力,提高指纹识别准确性、可靠性。
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、半导体压感传感器、超声波传感器和射频RF传感器等。
1.2.现在：
指纹识别技术虽然已日渐成熟，图像处理及模式识别技术已经得到很好的解决，但实际上，作为指纹识别的核心技术仍然存在许多尚未解决的难题，尤其是残缺、污损的指纹图像的识别的鲁棒性、适应性方面不能令人满意，指纹识别系统将随着更小更廉价的指纹输入设备的出现、计算能力更强更廉价的硬件以及互联网的广泛应用而进一步拓宽其应用，其中，能适应联网在线指纹自动识别系统的应用算法有待进一步改进，多种指纹识别方法的集成应用以及包括指纹是被的多种生物特征鉴定的集成应用也将是今后研究发展的方向，近年来，国外指纹识别相关研究又有升温的趋势，因此，未来几年仍然是一个重要的、极具挑战性的模式识别研究课题。
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：
1.光学指纹传感器
2.半导体指纹传感器
其中半导体指纹传感器又分为温差感应式指纹传感器和电容感应式指纹传感器
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。
半导体指纹传感器将在下文中介绍。
1.3.未来：
1.3.1.半导体指纹传感器的特征及发展方向
半导体指纹传感器因其制造工艺复杂，单位面积上传感单元多，包含高端的IC设计技术、大规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等，所以半导体指纹传感器几乎全部是由IC技术发达的国家或地区，如美国、欧洲、台湾等地设计、制造的。
一颗不足0.5平方厘米的晶片表面集成了10000个以上的半导体传感单元。
内部还包括了自动增益电路和逻辑控制芯片，以及串行、并行、USB等接口电路。
目前半导体指纹传感器的灵敏度高，分辨率也达到了500dpi或以上。
其功能已经突破了单一的传感能力，加上软件配合，可以用做全向导航器。
半导体指纹传感器目前朝小型化方向发展。
2004年以前以1平方厘米见方的方型为主，目前多为滑动式SWIPE芯片。
全球最小的滑动式采集芯片只有12x5mm,是由Authentec最近推出的1610。
1.3.2.指纹传感器的发展方向：
1）向高精度发展
2）向高可靠性、宽温度范围发展
3）向微型化发展
4）向微功耗及无源化发展
5）向智能化数字化发展
2.工作原理：
2.1.光学指纹传感器工作原理：
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。
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（chargecoupleddevice），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。
2.2.半导体指纹传感器的工作原理为：
半导体指纹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。
半导体扫描传感系统：
右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。
半导体指纹传感器又分为电容式和电感式。
2.3.电容感应式指纹传感器的工作原理为：
它是由电容阵列构成的，内部大约包含1万只微型化的电容器。
当用户将手指放在正面时，皮肤就组成了电容阵列的一个极板，电容阵列的背面是绝缘极板。
由于不同区域指纹的脊和谷之间的距离也不相等，使每个单元的电容量随之而变，由此可获得指纹图像。
3.技术性能分析
3.1不同类型指纹传感器性能比较和分析
目前采用的指纹传感器从分类上主要分为半导体指纹传感器和光学指纹传感器。
光学指纹传感器，其原理主要是光学照相和反射的原理，目前国内的有厂家可以生产光学指纹传感器，其优点是抗静电能力强，产品成本低，使用寿命长，但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。
半导体指纹传感器主要是利用电容、电感、温度、压力的原理实现指纹图像的采集。
目前国内厂家基本上没有能力半导体的指纹传感器，主要从国外进口。
半导体的指纹传感器有分为面状指纹传感器和条状指纹传感器（滑动式指纹传感器/刮擦式指纹传感器）。
3.2电容式指纹传感器介绍
电容式指纹传感器是目前市场上的主流半导体指纹传感器。
电容式指纹传感器最早是由美国Veridicom公司生产的FPS100指纹传感器。
但是，FPS100指纹传感器由于抗静电指标比较低（只有5KV），存在指纹残留的问题，基本上没有形成规模应用。
3.2.1MBF200固态电容传感器
富士通MBF200中文名：
固态电容传感器是日本富士通公司利用从Veridicom公司购买的电容式指纹传感器技术，技术改良后，推出的一款电容式指纹传感器是日本富士通公司在2002年推出的，产品推出后，在一些指纹产品中得到了应用。
产品概要
产品制造商：
日本富士通公司
产品型号：
MBF-200
采集原理：
电容式，直接探测法
技术参数
分辨率：
508DPI
点阵数：
256×300
单幅图像大小：
（字节数）76K
采集窗口大小：
24×24mm
抗静电指标：
±10kV
*作温度：
-20°Cto+85°C
使用寿命：
未公布
环境湿度：
未公布
干手指适应性：
一般
湿手指适应性：
较差
产品评价：
该指纹传感器在2002年后开始逐步投放市场，并被一些指纹产品的厂家采用，但是没有形成规模化的应用。
其优点是：
采集分辨率较高。
其缺点是：
指纹传感器的抗静电指标偏低（只有10KV）；对干湿手指的适应性一般，尤其对湿手指（或有护手霜的手指）的适用性差。
另外，厂家没有公开传感器的使用寿命资料。
在MBF-200的技术上，富士通公司有陆续推出了具有USB接口的SPF200-USBFingerprintSensor和刮擦式的MBF310-Solid-StateFingerprintSweepSensor。
除富士通的电容式指纹传感器外，近年来指纹传感器的制造厂家一致致力于对电容式指纹传感器的技术改进和技术升级，其中比较有代表性的还有意法半导体（STMicro）和瑞典的FingerPrintCard公司。
3.2.2FPC1011C电容式指纹传感器介绍
FPC1011C电容式指纹传感器是瑞典FingerPrintCard公司（瑞典的上市公司）推出的目前最先进的电容式指纹传感器。
该公司拥有专利的反射式探测技术（一般是直接式探测技术），使指纹传感器的表面保护层厚度可以达到普通电容式指纹传感器的100倍左右，因此使指纹传感器具有更高的对干湿手指的适用性和更长的使用寿命。
FingerPrintCard指纹传感器的主要性能指标见下表：
产品概要
产品制造商：
瑞典FingerPrintCard公司
产品型号：
FPC1011C
采集原理：
电容式，反射式探测法
探测位置：
真皮层
技术参数
分辨率：
363DPI
点阵数：
152×200
单幅图像大小：
（字节数）30K
采集窗口大小：
15×12mm
抗静电指标：
±15kV
*作温度：
-20°Cto+85°C
使用寿命：
一百万次
环境湿度：
95%
干手指适应性：
良好
湿手指适应性：
良好
产品评价
FPC1011C电容式指纹传感器是瑞典FingerPrintCard公司利用其反射式探测专利技术开发的半导体指纹传感器，该指纹传感器在2003年投放市场后被众多厂家认可和采用，目前已经形成规模化的应用。
该款指纹传感器的特点是：
由于其独特的探测技术，可以探测到真皮层，具有良好对干湿手指的适用性，传感器的表面材料厚度到达其他电容式指纹传感器的100倍左右，具有很好的耐用性。
抗静电指标达到15KV。
3.3电感式指纹传感器介绍
电感式指纹传感器的主要生产厂家是美国的AuthenTec公司，目前提供TheFingerLocFamily和TheEntréPadFamily两个系列共多款指纹传感器。
国内使用较多的主要有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纹传感器，AES2500系列是刮擦式指纹传感器。
AES3400是AuthenTec推出的新一代指纹传感器，由于其采集窗口比较小，一般不太适合在通用设备上使用。
AuthenTec公司的指纹传感器的主要性能指标见下表。
AuthenTec公司AF-S2指纹传感器性能指标表
3.3.1AF-S2电感式指纹传感器介绍
产品概要
产品制造商：
美国AuthenTec公司
产品型号：
AF-S2
采集原理：
电感式
技术参数：
分辨率250DPI
点阵数：
128×128
单幅图像大小：
（字节数）16K
采集窗口大小：
14.5×14.5mm
抗静电指标：
±8kV
*作温度：
0°Cto+70°C
使用寿命：
未公布
环境湿度：
未公布
干手指适应性：
一般
湿手指适应性：
较差
产品评价：
该指纹传感器在2002年曾经是市场的主流指纹传感器，一般多为2001年-2002年期间开发指纹产品的厂家采用。
最近2年，由于有新的性能更好的指纹传感器投放市场，近几年指纹厂家开发的新指纹产品中已经不再使用。
该款指纹传感器的特点是：
有规模应用，传感器性能比较稳定。
其缺点是：
传感器的分辨率低，只有250DPI，对于一些指纹纹路较细的手指（如女性）效果将受影响，另外，指纹传感器的抗静电指标偏低（只有8KV，目前普遍要求是15KV）；指纹传感器对干湿手指的适应性一般，尤其对湿手指（或有护手霜的手指）的适用性差。
另外，厂家没有公开传感器的使用寿命资料。
3.32AES3400电感式指纹传感器介绍
AuthenTec公司AES3400指纹传感器性能指标表
产品概要
产品制造商：
美国AuthenTec公司
产品型号：
AES3400
采集原理：
电感式
技术参数
分辨率：
500DPI
点阵数：
128×128
单幅图像大小：
（字节数）16K
采集窗口大小：
7.2×7.2mm
抗静电指标：
±8kV
*作温度：
0°Cto+70°C
使用寿命：
100万次
环境湿度：
未公布
干手指适应性：
一般
湿手指适应性：
一般
产品评价：
AES3400电感式指纹传感器是AuthenTec公司利用其专利技术TurePrint技术开发的新一代半导体指纹传感器，其性能较AF-S2有一定的改善。
该款指纹传感器的特点是：
有规模应用，传感器性能比较稳定、采集分辨率达到500DPI。
其缺点是：
采集窗口面积太小，只有7.2×7.2mm。
指纹传感器的抗静电指标偏低（只有8KV，目前普遍要求是15KV）；指纹传感器对干湿手指的适应性一般。
4.具体应用案例介绍：
4.1.
苹果手机指纹识别技术
在苹果公司最新一代的手机产品iPhone5s中运用了指纹识别技术，这一非常时尚的技术预计将在密码和移动支付领域引领一场新的革命。
虽然TouchID现在的功能和应用还不是很完善，但在一下一些方面和领域已经显露出其优势：
对私人应用及文件夹加密
防止手机被他人关机
移动支付的交易凭证
在同一设备上切换用户
4.2.指纹解锁原理介绍
对于苹果指纹识别技术的工作原理，我们可以从下面苹果公司提交的专利技术及其附图中有相干的了解。
日前，苹果向欧洲专利局提交了最新的专利申请，根据描述，专利中描述的指纹识别传感器将集成一个射频传感电极阵列，以便提供更为精确的指纹图像。
更有趣的是，这种传感器还能够对皮肤下的组织进行成像，这将大幅度减少电子欺诈的可能性。
这项新技术还揭示了另外一种可能性：
指纹传感器不仅可以被安置在Home键上，还能够隐藏在设备外壳下。
如果这个特性能够得到应用，它的前景很让人期待。
以下为苹果公司的专利图：
4.3.前景预见
从最新的相关的科技新闻中了解到的情况，我们可以预见到在下一年，指纹传感器指纹输入将成为苹果和安卓旗舰手机的标配。
通过一系列与指纹传感器相关的手机应用的开发和普及，可以乐观的预见，指纹传感器将在现实生活中得到极大的普及和应用。
5.结语：
本文通过查阅相关文献和论文，了解了有关指纹传感器的历史，发展过程和未来发展前景。
在了解其发展的过程中，详细介绍了指纹传感器的分类，其中着重解释了光学指纹传感器和半导体指纹传感器的工作原理。
与此同时，通过对相关同型号不同产品的对比分析，找出其优缺点。
最后从苹果公司手机产品iPhone5s中指纹传感器的例子，对指纹传感器的未来发展前景做出预想。
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