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12x5 mm,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（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。

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。