指纹识别原理 IC及模组介绍

指纹识别原理及模组工艺
概述
指纹识别的背景知识
我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。

这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手来抓起重物。

人们也注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的。

依靠这种唯一性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过对他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。

这种依靠人体的身体特征来进行身份验证的技术称为生物识别技术，指纹识别是生物识别技术的一种。

目前，从实用的角度看，指纹识别技术是优于其他生物识别技术的身份鉴别方法。

这是因为指纹各不相同、终生基本不变的特点已经得到公认。

最早的指纹识别系统应用与警方的犯罪嫌疑人的侦破，已经有30多年的历史，这为指纹身份识别的研究和实践打下了良好的技术基础。

特别是现在的指纹识别系统已达到操作方便、准确可靠、价格适中的阶段，正快速的应用于民用市场。

指纹识别系统通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，可以迅速、准确地鉴别出个人身份。

系统一般主要包括对指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配等过程。

现代电子集成制造技术使得指纹图像读取和处理设备小型化，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行指纹比对运算的可能，而优秀的指纹处理和比对算法保证了识别结果的准确性。

指纹自动识别技术正在从科幻小说和好莱坞电影中走入我们实际生活中，就在今天，您不必随身携带那一串钥匙，只需手指一按，门就会打开；也不必记住那烦人的密码，利用指纹就可以提款、计算机登录等等。

指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。

在一开始，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。

接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字表示——特征数据，一种单方向的转换，可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。

软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。

因为通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。

有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。

总之，这些数据，通常称为模板，保存为1K大小的记录。

无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准，也没有一种公布的抽象算法，而是各个厂商自行其是。

最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

指纹识别技术分类：
光学传感器识别
光学取像设备有最悠久的历史，可以追溯到20世纪70年代。

依据的是光的全反射原理(FTIR)。

光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD 去获得，反射光的数量依赖于压在玻璃表面指纹的嵴和峪的深度和皮肤与玻璃间的油脂。

光线经玻璃射到峪后(指纹线之间的凹陷部分)反射到CCD—呈现白色，而射到嵴后则不反射到CCD，图像呈现黑色(确切的是脊上的液体、油脂影响光线的反射路径)。

光学指纹采集技术有明显的优点：价格低廉。

缺点：由于要求足够长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指识别效果差。

图表1光学识别原理示意图
硅晶体电容传感器识别
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。

应用晶体传感器是最近几年在市场上才出现的，尽管它在传奇文学作品中已经出现近20年。

这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。

电容传感器通过电子度量被设计来捕捉指纹。

电容设备能结合大约100,000导体金属阵列的传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列的另一面。

电容器的电容值由于金属间的距离而变化，这里指的是脊（近的）和谷（远的）之间的距离。

压感式表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形（凹凸）转化为相应的电子信号。

图表2光学识别(左)&电容识别(右)原理示意图
与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，电容传感器采用自动控制调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像，由于提供了局部调整能力，即使对比度较差的图像(如手指压得松的区域)也能被有效检测，并在捕捉瞬间为这些像素提高
灵敏度，生成高质量指纹图像。

优点：图像质量好、无畸形、尺寸小、易集成到其他设备中。

其发出的电子信号将穿过手指的标称和死性皮肤层，达到手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案，从而大大提高了系统的安全性。

生物射频指纹识别技术
生物射频指纹识别技术通过传感器本身发射出微量射频信号，穿透手指的表皮层去检测真皮层的纹路，来获得最佳的指纹图像。

因此对干手指，汗手指，干手指等困难手指通过可高达99.5%，防伪指纹能力强，指纹敏感器的识别原理只对人的真皮皮肤有反应，从根本上杜绝了人造指纹的问题，宽温区：适合特别寒冷或特别酷热的地区。

因为射频传感器产生高质量的图像，因此射频技术是最可靠，最有力有解决方案。

除此之外，高质量图像还允许减小传感器，无需牺牲认证的可靠性，从而降低成本并使得射频传感器思想的应用到可移动和大小不受拘束的任何领域中。

射频敏感器：它的工作原理很特殊，由射频与敏感元件阵列组成，每一个成员实际上都是一个等效的小天线，它通过人的手指向皮肤内层（真皮层）深处传递电波。

接受部分的元件对回传的电波相位进行解调，相位的差别反应了指纹纹理。

从某种意义上讲，它的原理与雷达的工作原理相似，所以称为射频式指纹敏感器（RF sensor）。

而且，它能自动调节内部电气参数来适应手指干湿程度、按手指压力、年龄、等因素的变化。

基于它的工作原理，所采集到的指纹图像对应于手指内层具有生命的真皮指纹纹理，对手指表面的外层皮肤并不直接敏感，并对表面的一些脏物、油渍、灰尘等物质具有穿透能力，使它针对各种类型的手指在各种使用条件下都能采集到理想的图像，因此具有显著的优越性能。

超声波扫描识别
超声波指纹识别，是高通在2015移动世界大会上宣布的一项3D指纹技术。

被认为是指纹取像技术中非常好的一类。

很像光学扫描的激光，超声波扫描指纹的表面。

紧接着，接收设备获取了其反射信号，测量他的范围，谷到脊的深度。

不像光学扫描，积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像影响不大，所以这样的图像是实际脊地形（凹凸）的真实反映。

利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹嵴和峪所在位置。

超声波技术所使用的超声波频率为1x104Hz~1x109Hz，能量被控制在对人体无损的程度（与医学诊断的强度相同）。

超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采样时间会明显长于其他几类产品，而且价格昂贵，也并不能做到活体指纹识别，所以目前使用稀少。

指纹识别应用背景：
指纹等生物识别技术可弥补传统的安全认证方法，提供了一个很好的解决方案。

可用指纹等生物特征提高安全性的领域举例： 涉密系统，提供高度安全防范措施
针对大规模人群身份鉴别技术
网络、数据库和关键文件等的安全控制
机密计算机的登录认证
银行ATM,POS终端等的安全认证
手机、平板、PC等使用认证等
移动支付
安全门禁、门锁
指纹应用趋势：手机和平板
屏幕解锁-更安全快捷
特殊应用程序访问许可–防止他人或打开你的特殊应用程序
数据和文件安全访问–防止他人访问你的手机数据
移动支付–更快捷的完成安全支付
应用程序快捷方式–给每个手指赋予不同的指令
指纹相关新产品
指纹硬盘、指纹POS机、指纹学生考试报名机、指纹汽车启动/防盗锁、指纹病例
指纹识别过程：
一个典型的指纹识别系统应该包括：指纹识别Sensor+特征提取/匹配模块+特征模板库+应用软件。

而指纹的匹配可分为两步，首先是提取待验证的指纹的特征，然后将其和指纹模板库中的模板指纹进行相似度比较，从而判断两个指纹图像是否来自同一手指。

指纹识别的采集方式
不管采用什么采集技术，从用户角度用到的就两种录入方式：按压式与滑动式。

1、滑动式
将手指从传感器上划过，系统就能获得整个手指的指纹。

手指按压上去时，无法一次性采集到完整图像。

在采集时需要手指划过采集表面，对手指划过时采集到的每一块指纹图像进行快照，这些快照再进行拼接，才能形成完整的指纹图像。

滑动式的优点是成本低、易集成，可采集大面积的图像，应用传统的特征点算法，但缺点是需要客户有一个连贯规范动作采集图像，体验效果比较
手指
获取特征数据信息
指纹库特征数据
指纹提取
特征匹配
不匹配，访问禁止
匹配，验证通过，加入到特征数据库
图表3指纹识别过程
差，在之前的应用推广中不太成功。

2、按压式
手指平放在设备上以便获取指纹图像。

一般为了获得整个手指的指纹，必须使用比手指更大的传感器，整个手指同时按压在传感器之上。

按压式的优点是客户体验好，只用一次按压就可以采集图像，与符合用户的行为习惯。

缺点是：成本高，集成难度大，一次采集图像面积相对较小，没有足够的特征点，需要用复杂的图像比对算法进行识别。

很明显，在用户角度来说，按压式最简单、最方便，以后越来越多的移动设备都将采用按压式指纹识别方案。

指纹识别工作原理
目前的指纹识别算法主要从总体特征Pattern和局部特征Minutia这两个方面入手分辨指纹。

指纹的总体特征，
总体特征指那些用人眼直接就可以观察到的特征。

包括指纹纹形、模式区、核心点（或者称为中心点）、三角点（或者称为Delta点）和嵴密度（或者称为纹密度）。

基本指纹纹形：包括环形（Loop，又称斗形），弓形（Arch）和螺旋形（Whorl）。

其他的指纹图案都基于这3中基本图案。

这个就是指纹图案的形状基本就这三类60%人是whorl,35%是loop,5%是arch
仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得大数据中搜寻比对指纹更为方便。

模式区（Pattern Area）：是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。

核心点（Core Point）：位于指纹纹路的渐进中心，它用于读取指纹和比对指纹时的参考点。

指纹的局部特征
指纹的局部特征是指单个特征点的特征描述，一般用类型、水平位置（x）、垂直位置（y）、方向、曲率、质量等六个要素来描述。

类型是指纹特征点的分类。

目前比较通用的分法是分为六类，分别是：终结点（Ending）：一条纹路在此终结
分叉点（Bifurcation ）：一条纹路在此分开成为两条或者更多的纹路。

分歧点（RidgeDivergence ）
：两条平行的纹路再次分开。

孤立点（DotorIsland ）
：一条特别短（短的和点无法区分）的纹路环点（Enclosure）
：一条纹路分开两条之后，有合并成为一条，形成的一个小环短纹（ShortRidge ）：一条较短短（但可以和点进行区分）的纹路
图表4指纹算法-总体特征图表5指纹识别总体特征
图表6指纹特征点的分类
其中，值得注意的是，我们的手指大约有60~125个特征点。

多少个特征决定是一个人的指纹，每个国家标准都不一样，英国16个、澳大利亚、美国(多数国家)12个、中国印度只要8个、这些点在指纹中的出现概率并不相当，出现概率最大的是短纹60.6%，其次是分叉点，出现概率为22.6%。

模组结构、生产工艺
指纹识别盖板分类：蓝宝石、涂覆式(Coating)、玻璃、陶瓷
成本和性能方面：
蓝宝石方案硬度高，耐腐蚀，但存在成本较高，抗摔能力不强的弱点，
涂覆式背面指纹识别方案由于涂层硬度不高，存在容易磨损和受汗水腐蚀等缺点，采用该方案的手机，使用一段时间后难免会有各种划痕出现。

外观方面：
涂覆指纹识别方案常用在手机的背面，且质感稍差，较容易破坏背面的整体美观。

而蓝宝石盖板按压式指纹识别方案应用在手机的正面，将指纹放在正面不仅可以让手机的背面更为美观，同时更符合用户的使用习惯和审美。

综上所述，正面指纹识别更受用户欢迎，但蓝宝石盖板材料价格高，穿透性较差，适用蓝宝石指纹识别芯片价格高，同时由于其韧性稍差，厚度最薄只能做到0.175mm，因此市面上又出现了氧化锆陶瓷和钢化玻璃两种蓝宝石盖板替代材料。

钢化玻璃具备制作工艺简单，成本低等优点，但硬度远不及蓝宝石，容易被被更高硬度的细小灰尘磨花，介电常数、抗弯强度也较差，厚度无法进一步做薄(目前最薄厚度为0.175mm)，影响识别速度，不能算是理想的蓝宝石替代材料。

氧化锆陶瓷材料介电常数是蓝宝石的3倍，此特性使指纹识别更灵敏，成功率更高，又由于韧性高于蓝宝石3倍以上，氧化锆保护层在保证抗摔强度下，目前最薄量产厚度低至0.1mm，而如果厚度做到和蓝宝石相同时，此时强度、抗摔性将显著优于蓝宝石。

更重要的是，氧化锆的总成本却只有蓝宝石的1/4，是替代蓝宝石高性价比方案。

目前手机指纹识别方案主流还是背面Coating（镀膜）方式和前置盖板方式两种方案。

背面Coating（镀膜）方式出货量大，基本各个供应商都能支持。

但前置盖板方式的指纹传感器，能够量产的供应商却寥寥可数(汇顶算是少数中的一家)。

究其原因，Coating方案的ID设计和硬件实现比较容易，产业链上下游也比较容易配合；二是要想实现前置玻璃盖板，技术方面必须克服玻璃厚度带来的信噪比难题。

前置盖板的指纹传感器需要置放在玻璃材料之下，才能和玻璃屏幕和谐一致，这样就不可避免要求指纹传感器信号能很好地穿透玻璃盖板。

而玻璃盖板的厚度是希望越厚越好，因为越厚的玻璃，成本更低，加工损耗更小，强度和可靠性更高。

所以，能解决多厚的玻璃盖板信号穿透和识别，是指纹芯片行业的一个关键技术指标。

目前市场上，能够支持厚玻璃盖板的指纹芯片少之又少，尤其穿透厚玻璃盖板（200微米-400微米甚至更厚）的指纹芯片开发，主要难度在于：
1）模拟电路的收发功率，需要做到足够大；
2）信噪比压制，需要比Coating方案提高至少两个数量级；
3）指纹图像由于信号减弱和在空间中的混叠带来非常明显的损失，需要通过算法进行弥补，而算法的设计和开发，本身又是另外一个领域，鲜有芯片设计公司拥有强大的后端算法开发能力；
4）为了弥补玻璃厚度带来的影响，封装工艺需要进行针对性的调整，成本，良率和产能都是个大考验。

指纹识别模组结构叠层---盖板方案
指纹识别模组结构叠层---coating方案
全球手机指纹识别IC厂商：
1.AuthenTec
简介：AuthenTec是世界领先的PC、无线设备以及访问控制市场指纹认证传感器和解决方案的提供商。

借助公司的TruePrint专利技术，AuthenTec产品能够读取皮肤表层下的活动层（人的指纹真正所在之处），实现极其精确可靠的指纹成像。

这种皮下读取方式使AuthenTec传感器能够应对常见的皮肤表面状况，随时随地真正地读取所有指纹。

凭借TruePrint，AuthenTec生产出市面上最小的传感器，其安全性、隐私性和便利性却绝不逊色于更大型传感器。

2012年7月27日，苹果以3.56亿美元收购AuthenTec。

现状：全球最大的感应性指纹识别传感器最大供应商，产品仅应用在苹果产品中，不向同行业（手机、平板等消费电子产品）提供技术和产品。

目前iPhone5S、iphone6等采用基于电容和无线射频的半导体传感器，与iPhone手机Home键结合，最上层为蓝宝石盖板。

由台积电完成晶圆代工——台湾精材、晶方科技完成晶圆级封装——日月光负责后续封装与测试以及SiP模组制作。

客户：苹果收购以后，其指纹识别产品在手机、平板领域仅向苹果提供。

不再向同行业提供，不过对于银行安全、管理系统等可以提供。

2.Synaptics新思（Validity）：
简介：Synaptics总部在美国，成立于1986年。

全球领先的移动计算、通信和娱乐设备人机界面交互开发解决方案设计制造公司。

2013年10月，Synaptics公司以
2.55亿美元的价格收购了生物ID识别公司Validity，正式宣布进军指纹识别领域。

现状：目前Synaptics滑动式与按压式都有，采用有源电容式硅成像传感器。

三星与HTC采用其产品。

对于公司未来技术发展方向，今年初Synaptics公司高管称，正在计划推出的指纹传感器产品，并不会像苹果iPhone那样只能在Home键上识别，而是将其隐藏在Android或Windows Phone系统手机的玻璃面板屏幕下方。

由台湾南茂和泰林负责系统封装与测试。

客户：Synaptics的客户最大是三星，主要产品有三星Galaxy S5等，与手机Home键结合，滑动式方案。

此外，HTC One Max也采用Synaptics，置于与手机后盖，也是滑动式方案。

3.Fingerprint Cards AB（FPC）
简介：指纹卡公司（FPC）总部在瑞典哥德堡，并在纳斯达克上市(FING B)。

致力于开发、生产和销售生物识别元件和技术，帮助通过分析和比对个人独特的指纹确认用户的身份。

现状：曾推出全球首个面向使用安卓（Android）的智能手机和平板电脑的电容式触摸指纹传感器FPC1020。

FPC指纹传感器采用了自己独特的HSPA(高灵敏度像素放大器)技术，允许传感器每个像素单元能检测到非常微弱的信号）。

目前已见方案最多的厂商，早起合作包括金立、vivo等，近期与华为合作mate7是最新产品。

特点是技术成熟，合作伙伴多。

由中芯国际等提供封装技术支持。

目前FPC的势头非常火热，但它的传感器价格也不低。

客户：FPC目前客户较多，说明方案成熟，目前有泛泰、富士通、金立、康佳、华为、VIVO等都采用其技术。

三种方案： 1.与手机Home键结合，滑动式。

典型例子“康佳凡高V981”。

2.置于手机后盖，滑动式。

典型例子“泛泰Vega LTE-A”、“vivo xplay3S”、“金立T1”。

3.置于手机后盖，按压式。

典型例子“华为Mate7”。

4.CrucialTec
简介：CrucialTec韩国企业，世界最大光学触控键生产商。

现状：CrucialTe总裁宣布，公司成功研究出一种全新的玻璃陶瓷材料可以应用于指纹传感器。

这种新材料其耐用性是现有高强度玻璃陶瓷材料的两倍，达到8H硬度，接近蓝宝石玻璃的9H硬度，但是价格要低很多，另外一大优点是能做到只有蓝宝石玻璃层十分之一薄。

客户：三星、LG
5.IDEX
简介：IDEX是一家挪威的专门从事指纹识别和成像技术的生物识别科技公司。

成立于1996年。

2013年公司在美国开设了两间办事处，分别位于加州硅谷和波士顿马萨诸塞。

Idex主要为身份证、银行卡、门禁控制和移动设备提供指纹传感器，生物识别软件以及其它安全解决方案。

现状：拥有滑动式电容传感器专利，其产品已经广泛使用在门禁、信息安全等领域，暂未了解到智能手机案例。

客户：暂未了解到智能手机或平板案例。

6.Goodix汇顶科技
简介：汇顶科技成立于2002年，2006年开始进军触控行业。

视MTK唯一战略合作伙伴，两者关系密切，MTK战略投资汇顶。

现状：汇顶是目前大陆指纹识别方案公司唯一有样机公开的公司。

今年连续发布两套方案。

2014年5月15日，正式对外推出适用于移动设备的触摸式指纹识别芯片。

采用按压式蓝宝石方案（与iphone5S基本一致），基于电容触摸的原理。

消息称，封装伙伴硕贝德或长电科技。

2014年9月12日，发布指纹识别与触控一体化技术--IFS。

它有别于传统的模块式指纹传感器，手机厂商无需在手机前面板或者后壳上开孔放入指纹传感器模块，而是将指纹传感器隐藏于TP面板之下，该技术并不改变手机原有设计的ID风格，也无需改变用户使用习惯。

从开发原理上看，IFS技术既可支持玻璃面板，又可支持蓝宝石面板。

汇顶IFS技术方案样机，Home键完好，指纹识别置于下方
客户：据悉，汇顶目前与国内主流手机厂商都有接触。

魅族MX4Pro采用汇顶，蓝宝石按压式指纹识别方案。

简介：敦泰于2005年由数名来自美国硅谷IC业界的资深华人专家在美国注册成立，并于2006年迁址回亚洲，在深圳及台湾设立了研发及工程服务中心。

2007年开始投入并逐渐全面专注于电容式触摸屏控制芯片的设计研发、制造及销售，是一家具有全球影响力的华人IC设计公司。

现状：据敦泰高管介绍，敦泰的指纹识别采用基于软件无线电的高灵敏检测技术，与AuthenTec，FPC，Validity等芯片原理不同，敦泰采用了大量通信领域信道技术，完全不同的原理，更好的性能，也不存在相关行业的专利问题。

目前滑动式和按压式的系列产品样品，正确明年初量产。

客户：国内2线品牌有在使用。

8.思立微
简介：上海思立微电子科技有限公司，位于上海浦东张江高科技园区，由多名硅谷归国高级技术及管理人员组成核心团队，于2010年10月创立。

专注于多点电容触控IC芯片的研发和销售。

现状：2014年5月份发布国内首颗按压式指纹识别芯片GSL6162。

这颗芯片是主动电容形式实现，能支持蓝宝石和镀膜两种方案，而且通过提供整体解决方案，便于下游方案商和终端厂商的导入。

配合Home按键使用。

客户：国内2线品牌有在使用。

9.迈瑞微电子
简介及现状：在指纹门锁市场商用化获得成功，采用该架构的指纹芯片成功经验，结合按压式与滑动式的不同特点，在手机指纹技术上，创新设计了采样滑动比对按压复合式技术。

应用于手机的指纹芯片即将推出小批量试产。

客户：暂未了解到智能手机或平板案例。

10.比亚迪
简介及现状：比亚迪进入指纹识别领域的消息是去年12月曝光的，当时比亚迪高管给出的信息为：“预计在明年5、6月份可以上市，当然也不排除时间会提前。

”但是，目前手机中国联盟并没有找到更多产品信息。