新型指紋識(shí)別傳感器的應(yīng)用解析

單觸型傳感器與劃擦型傳感器是兩種新型固態(tài)指紋傳感器，都是通過(guò)在觸摸過(guò)程中電容的變化來(lái)進(jìn)行信息采集。本文對(duì)兩類傳感器的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并介紹在互聯(lián)網(wǎng)安全認(rèn)證、汽車無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)等的應(yīng)用。

目前市場(chǎng)上有兩種固態(tài)指紋傳感器：第一種是單次觸摸型傳感器，要求手指在指紋采集區(qū)進(jìn)行可靠的觸摸；第二種則需要用手指在傳感器表面擦過(guò)，傳感器會(huì)采集一套特定的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行快速分析和認(rèn)證。這兩類指紋傳感器將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

上述兩類傳感器工作原理為：當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時(shí)，電容會(huì)有所增加，通過(guò)檢測(cè)增加的電容來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器中的像素點(diǎn)為45平方微米，間隔為50微米，電容像素陣列的分辨率略高于500dpi。這類傳感器基于一種標(biāo)準(zhǔn)的單－多晶硅三層金屬CMOS工藝，并采用0．5微米工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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7000埃米。這種硬金屬電極與抗磨涂敷層組合形成的傳感器十分堅(jiān)實(shí)耐用，使用壽命可以達(dá)到很多年。

一、指紋檢測(cè)

人類的指紋由緊密相鄰的凹凸紋路構(gòu)成，通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上利用標(biāo)準(zhǔn)參考放電電流，便可檢測(cè)到指紋的紋路狀況。每個(gè)像素先預(yù)充電到某一參考電壓，然后由參考電流放電。電容陽(yáng)極上電壓的改變率與其上的電容成下面的比例關(guān)系：

Iref＝C×dv/dt

處于指紋的凸起下的像素（電容量高）放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素（電容量低）放電較快。這種不同的放電率可通過(guò)采樣保持（S／H）電路檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成一個(gè)8位輸出，這種檢測(cè)方法對(duì)指紋凸起和低凹具有較高的敏感性，并可形成非常好的原始指紋圖像。

采用復(fù)雜的軟件算法可以進(jìn)行指紋識(shí)別。這種軟件采集原始的指紋圖像，將圖像信息數(shù)字化并提取其中的細(xì)節(jié)模板，然后進(jìn)行測(cè)試，確定提取的細(xì)節(jié)模板是否與參考模板吻合。

二、比較過(guò)程

單觸型傳感器與劃擦型傳感器的尺寸和成本都不一樣。接觸式傳感器較大，通常有效接觸面為15×15mm，可迅速地采集最大的指紋或拇指指紋。這種傳感器易于使用，并可將整個(gè)指紋圖像以500dpi（自動(dòng)指紋識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)）的精度進(jìn)行快速傳輸。

目前這些傳感器已完成設(shè)計(jì)，并用于美國(guó)政府機(jī)構(gòu)及警察局進(jìn)行指紋識(shí)別。不久的將來(lái)還將逐漸用于汽車單觸式無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)，以及新興的國(guó)家安全應(yīng)用中。

這種傳感器由256（列）×300（行）微型金屬電極組成，每一列連接到一對(duì)S／H電路上。指紋圖像依次進(jìn)行逐行采集，每個(gè)金屬電極均作為電容的一個(gè)極，與之接觸的手指則是電容的另一個(gè)極。在器件表面有一層鈍化層，作為兩個(gè)電容極間的電介質(zhì)層。將手指置于傳感器上時(shí)，指紋上的凸起和低凹會(huì)在陣列上產(chǎn)生不同的電容值，并構(gòu)成用于認(rèn)證的一整幅圖像。

劃擦型傳感器是一種新型指紋采集器件，要求用戶將手指在器件上劃過(guò)。劃擦型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小（如富士通的MBF300尺寸僅為3．6×13．3 mm2）和成本低。這些器件主要用于移動(dòng)設(shè)備的嵌入式安全識(shí)別應(yīng)用，如手機(jī)和PDA。精密的圖像重建軟件以接近2000幀／秒的速度快速地從傳感器上采集多個(gè)圖像，并將每個(gè)幀的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)組織到一起。

三、信息及認(rèn)證

毫無(wú)疑問(wèn)，便攜式低成本指紋識(shí)別技術(shù)對(duì)我們的生活意義深遠(yuǎn)。例如，今后警察可在一個(gè)犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照。此人則將其右手的第一、二或第三個(gè)手指置于一個(gè)與無(wú)線PDA相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。

這種識(shí)別技術(shù)對(duì)于被盜的手機(jī)用戶也有好處。手機(jī)開機(jī)時(shí)要求用戶通過(guò)一個(gè)快速的認(rèn)證過(guò)程，用戶將其手指劃過(guò)傳感器，如果通過(guò)認(rèn)證則授權(quán)使用手機(jī)的各項(xiàng)功能。如果不是授權(quán)用戶，手機(jī)便繼續(xù)保持鎖住。如果連續(xù)幾次認(rèn)證無(wú)法通過(guò)，則手機(jī)會(huì)刪除存儲(chǔ)器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機(jī)。

在語(yǔ)音郵件的應(yīng)用中，當(dāng)撥出一個(gè)語(yǔ)音郵件號(hào)碼后，用戶只需將手指劃過(guò)傳感器便可令系統(tǒng)識(shí)別。有了指紋識(shí)別后，便無(wú)需使用郵箱密碼或個(gè)人識(shí)別號(hào)碼。

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(cè)過(guò)程十分簡(jiǎn)單：每個(gè)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(gè)人愛好進(jìn)行設(shè)置，然后將這些設(shè)置存入車載的電腦存儲(chǔ)器中。

當(dāng)駕駛者進(jìn)入汽車時(shí)，他／她將手指置于傳感器上，啟動(dòng)識(shí)別過(guò)程。不到一秒鐘，電腦將檢測(cè)到的指紋模板與存儲(chǔ)的模板進(jìn)行比較，并建立一個(gè)與駕駛者相符的相關(guān)設(shè)置。指紋模板和匹配軟件保存在汽車內(nèi)的一個(gè)嵌入式模塊中。當(dāng)指紋匹配成功時(shí)，汽車便按已編程設(shè)定的內(nèi)部參數(shù)來(lái)控制后視鏡、汽車座椅、無(wú)線基站以及車內(nèi)空氣環(huán)境。此外，還可控制駕駛速度，如果駕駛者僅為十來(lái)歲的孩子，則將速度限制在每小時(shí)55公里。這些功能的實(shí)現(xiàn)具有非常多的用處。

四、使移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入更加安全

隨著半導(dǎo)體和軟件技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)將逐漸成為一種可隨時(shí)隨地獲取個(gè)人和公司數(shù)據(jù)的移動(dòng)終端，因此需要確保用戶訪問(wèn)的安全性，以防止未授權(quán)訪問(wèn)。原來(lái)執(zhí)法機(jī)構(gòu)使用的指紋識(shí)別方式僅存儲(chǔ)指紋上一些特定點(diǎn)的數(shù)據(jù)而非整個(gè)影像，因而相比之下，生物指紋掃描系統(tǒng)更為有效、可靠。

這類檢測(cè)的所有處理過(guò)程均分為下面幾個(gè)步驟：首先是采集階段，器件采集手指生物樣本；然后利用預(yù)先建立的數(shù)學(xué)公式或算法從樣本中提取其獨(dú)有的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)模板；登記認(rèn)證程序從指紋的30～40個(gè)特征點(diǎn)中至少提取七個(gè)特征匹配點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，包括構(gòu)成某一指紋細(xì)節(jié)的紋路分叉點(diǎn)和終止點(diǎn)，并被定義成特征點(diǎn)間的距離。

進(jìn)行注冊(cè)時(shí)，信息代碼被存儲(chǔ)下來(lái)，作為今后用戶認(rèn)證的參考模板。當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，他／她將手指劃過(guò)傳感器區(qū)域，所獲取的現(xiàn)場(chǎng)掃描模板與參考模板進(jìn)行比較。整個(gè)過(guò)程在1或2秒內(nèi)完成。

通過(guò)比較，系統(tǒng)會(huì)確定這一現(xiàn)場(chǎng)掃描模板是否包含了與參考模板相符的足夠生物數(shù)據(jù)，并判斷二者是否匹配。如果不匹配，則認(rèn)證失敗，等待下次識(shí)別。

這種指紋檢測(cè)系統(tǒng)性能很高，對(duì)有效指紋作出錯(cuò)誤判斷的概率小于1％，而將無(wú)效指紋錯(cuò)判為有效指紋的可能則幾乎不存在，其概率低于0．01％。