指纹传感器

发展现状

　　我国生物（指纹）识别技术发展相对于美国、日本要晚10-20年的时间，指纹识别产品在我国最早出现是在90年代初期，当时只是寥寥数十家，而产业化起步应该是2000年以后。

　　到2000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，所以指纹识别产业在我国，目前仍处于形成阶段，如果说2004年之前处于从点到线的状态，那么2004年之后指纹产业开始了从线到面的发展。

　　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。

原理

　　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。

　　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。

　　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。

选择

　　衡量一个指纹传感器的性能好坏，主要看以下几个方面。

　　1. 成像质量

　　指纹传感器成像质量是衡量指纹传感器性能的首要指标。成像质量主要表现为对指纹图像的还原能力和去噪能力。性能良好的指纹传感器产生的图像"失真"和"形变"非常小，后续图像处理时可以忽略不计。分辨率是影响成像质量的第二个关键因素。分辨率越高，也就是单位面积上传感单越多，其获得的指纹图像就越细致真实。

　　2. 对不同类型手指的适用能力

　　由于不同手指指纹的纹路深浅不同，干湿度不同，污渍程度不同，老化程度不同。指纹传感器需要能够对所有这些情况有效兼容，是其适用能力的表现。当然不是所有指纹传感器都对这些类型手指作到"一网打尽"式的兼容，在选择指纹传感器时，需要针对应用场合的不同来选择。

　　3. 对气候环境的适应性

　　有的指纹传感器对潮湿和干燥的天气不能同时适应。尤其在中国，地域宽广，各地气候相差较大。在这种情况下，选择指纹传感器需要关注环境湿度和抗静电能力，即ESD参数。ESD一般分为四个等级，第四级要达到15KV以上。在南方湿度大的环境中使用时，需要关注其相对湿度方面的参数，确保指纹传感器可以工作正常。

　　4. 图像采集速度

　　第四看采集速度。采集速度表现为从手指放到传感器接触面后多长时间内完成一次指纹采集的时间，或者单位时间内可以采集的次数。指纹采集速度的快慢直接影响到用户的使用体验。

　　5. 电气特性

　　电气特性是从产品化的角度考虑指纹传感器是否真正可用于某种产品。电气特性主要关注两个参数，工作电压和功耗。如把指纹传感器应用到手机上，必然要考虑手机的现有供电方式能否满足增加了指纹传感器后的电压和功耗的要求。大部分指纹SENOSR的电压都在3.6V以下（含）。

　　6. 硬件接口

　　硬件接口能力也是从产品化的角度来衡量指纹传感器的。硬件接口能力直接影响指纹图像数据的传送方式，影响着与指纹处理模块之间的通讯方式和通讯速度。目前USB接口已经成为外设与主机通讯的最主要方式，已具备USB接口能力的指纹传感器，可以直接与USB端口相连。而没有USB接口的，就需要通过USB控制器来实现，给产品化增加一道技术门槛。

　　7. 应用程序接口（SDK）

　　应用程序接口能力用于描述指纹传感器的功能，也就是与指纹传感器配套使用的程序接口的功能。一般在这些接口中定义了上层应用如何启动或终止指纹传感，以及如何控制指纹传感器的数据传输。包括发送指纹传感器初始化命令，要求指纹传感器开始或停止捕获指纹图像的命令，以及询问手指是在采集设备表面、甚至可以驱动指纹传感器判断待扫描物体是否为指纹。对于滑动式（SWIPE）指纹采集芯片来讲，还包括指纹重构（拼接）的命令接口等。当指纹传感器用于嵌入式产品开发中时，嵌入式开发包（EDK）的能力是考查指纹传感器能力的重要方面之一。

　　8. 使用寿命

　　在考查指纹传感器使用寿命时，一是从器件本身的衰变考虑，二是从指纹采集面的防磨损防腐蚀能力考虑。一般的光学采集表面比较怕磨损刮擦，而半导体传感的表面，都有坚固的涂层，保护芯片避免划伤。部分半导体指纹传感器表面可以用手指正常刮擦1000万次以上。对于需要经常在露天使用的指纹传感器，防腐蚀性能是需要重点考虑的。

　　9. 可装配性

　　指纹传感的体积、外形和封装，以及使用对象（如劳工、军人与OFFICE人员指纹的区别），对产品设计和生产也会产生较大影响。在进行指纹传感器选型时，这些都需要综合考虑。

　　10. 附加功能

　　部分半导体指纹传感器除了具备指纹图像采集能力之外，还能够感知手指的移动方向、手指的点击方式（单击双击），这被称之为导航能力。可以通过与软件配合来实现。笔者见过的一款导航能力非凡的指纹传感器，可以非常灵活的玩贪吃蛇游戏。

分类

　　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。

　　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

应用

　　手机开机时要求用户通过一个快速的认证过程，用户将其手指划过传感器，如果通过认证则授权使用手机的各项功能。如果不是授权用户，手机便继续保持锁住。如果连续几次认证无法通过，则手机会删除存储器中的关键信息然后关机。

　　在语音邮件的应用中，当拨出一个语音邮件号码后，用户只需将手指划过传感器便可令系统识别。有了指纹识别后，便无需使用邮箱密码或个人识别号码。

　　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，他/她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。指纹模板和匹配软件保存在汽车内的一个嵌入式模块中。当指纹匹配成功时，汽车便按已编程设定的内部参数来控制后视镜、汽车座椅、无线基站以及车内空气环境。此外，还可控制驾驶速度，如果驾驶者仅为十来岁的孩子，则将速度限制在每小时55公里。这些功能的实现具有非常多的用处。

　　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。

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

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