中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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指紋傳感器是獲取指紋圖像的專用器件，用以實(shí)現(xiàn)指紋自動(dòng)采集,在自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。指紋傳感器是指紋圖像的自動(dòng)采集和生成部分，是指紋識(shí)別產(chǎn)品的數(shù)據(jù)輸入端。絕大多數(shù)指紋傳感器通過光學(xué)掃描、半導(dǎo)體熱敏、半導(dǎo)體電容等三種主要傳感技術(shù)采集指紋圖像。
指紋傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀
我國生物（指紋）識(shí)別技術(shù)發(fā)展相對(duì)于美國、日本要晚10-20年的時(shí)間，指紋識(shí)別產(chǎn)品在我國最早出現(xiàn)是在90年代初期，當(dāng)時(shí)只是寥寥數(shù)十家，而產(chǎn)業(yè)化起步應(yīng)該是2000年以后。
到2000年，隨著移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備等數(shù)碼類產(chǎn)品的大量使用，指紋技術(shù)與數(shù)碼類產(chǎn)品結(jié)合應(yīng)用的局面才鋪開，所以指紋識(shí)別產(chǎn)業(yè)在我國，目前仍處于形成階段，如果說2004年之前處于從點(diǎn)到線的狀態(tài)，那么2004年之后指紋產(chǎn)業(yè)開始了從線到面的發(fā)展。
早期的指紋圖像采集主要運(yùn)用油墨按印等物理方式,如果油墨及紙張質(zhì)量有問題,或按壓壓力不均,或按壓位置、方向差異,或手指損傷、變形等,都會(huì)導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量不理想,進(jìn)而影響該技術(shù)應(yīng)用。為克服物理方式的缺點(diǎn),發(fā)展光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器、超聲波傳感器等對(duì)獲取高質(zhì)量指紋圖像提供了良好的技術(shù)保障,具有很好實(shí)用價(jià)值。同時(shí),更先進(jìn)的指紋圖像傳感器亦在研發(fā),目的是獲得足夠的指紋細(xì)節(jié),并使指紋圖像達(dá)到較高分辨力,提高指紋識(shí)別準(zhǔn)確性、可靠性。
指紋傳感器的原理
光學(xué)指紋傳感器
光學(xué)指紋傳感器：借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、使用最廣泛的技術(shù)，主要是利用光的折攝和反射原理，將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會(huì)不一樣。用棱鏡將其投射在電荷耦合器件上CMOS或者CCD上，進(jìn)而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。
光學(xué)掃描傳感系統(tǒng)
光學(xué)掃描系統(tǒng)的核心部件是電荷耦合設(shè)備CCD（ charge coupled device ），這與數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)中使用的光傳感器系統(tǒng)是相同的。CCD是一組光敏二極管（稱為光敏器件），這種器件在光子的作用下可以產(chǎn)生電信號(hào)。每個(gè)光敏器件記錄一個(gè)像素，即一個(gè)代表射中該點(diǎn)的光束的微小圓點(diǎn)。明暗像素共同構(gòu)成了掃描場(chǎng)景（例如一個(gè)手指）的圖像。通常，在掃描儀系統(tǒng)中有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來處理模擬電子信號(hào)以產(chǎn)生該圖像的數(shù)字表現(xiàn)形式。
半導(dǎo)體指紋傳感器
半導(dǎo)體指紋傳感器：這類傳感器，無論是電容式或是電感式，其原理類似，在一塊集成有成千上萬半導(dǎo)體器件的“平板”上，手指貼在其上與其構(gòu)成了電容（電感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸點(diǎn)處和凹點(diǎn)處接觸平板的實(shí)際距離大小就不一樣，形成的電容/電感數(shù)值也就不一樣，設(shè)備根據(jù)這個(gè)原理將采集到的不同的數(shù)值匯總，就完成了指紋的采集。
指紋傳感器的選擇
衡量一個(gè)指紋傳感器的性能好壞，主要看以下幾個(gè)方面。
1. 成像質(zhì)量
指紋傳感器成像質(zhì)量是衡量指紋傳感器性能的首要指標(biāo)。成像質(zhì)量主要表現(xiàn)為對(duì)指紋圖像的還原能力和去噪能力。性能良好的指紋傳感器產(chǎn)生的圖像"失真"和"形變"非常小，后續(xù)圖像處理時(shí)可以忽略不計(jì)。分辨率是影響成像質(zhì)量的第二個(gè)關(guān)鍵因素。分辨率越高，也就是單位面積上傳感單越多，其獲得的指紋圖像就越細(xì)致真實(shí)。
2. 對(duì)不同類型手指的適用能力
由于不同手指指紋的紋路深淺不同，干濕度不同，污漬程度不同，老化程度不同。指紋傳感器需要能夠?qū)λ羞@些情況有效兼容，是其適用能力的表現(xiàn)。當(dāng)然不是所有指紋傳感器都對(duì)這些類型手指作到"一網(wǎng)打盡"式的兼容，在選擇指紋傳感器時(shí)，需要針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的不同來選擇。
3. 對(duì)氣候環(huán)境的適應(yīng)性
有的指紋傳感器對(duì)潮濕和干燥的天氣不能同時(shí)適應(yīng)。尤其在中國，地域?qū)拸V，各地氣候相差較大。在這種情況下，選擇指紋傳感器需要關(guān)注環(huán)境濕度和抗靜電能力，即ESD參數(shù)。ESD一般分為四個(gè)等級(jí)，第四級(jí)要達(dá)到15KV以上。在南方濕度大的環(huán)境中使用時(shí)，需要關(guān)注其相對(duì)濕度方面的參數(shù)，確保指紋傳感器可以工作正常。
4. 圖像采集速度
第四看采集速度。采集速度表現(xiàn)為從手指放到傳感器接觸面后多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成一次指紋采集的時(shí)間，或者單位時(shí)間內(nèi)可以采集的次數(shù)。指紋采集速度的快慢直接影響到用戶的使用體驗(yàn)。
5. 電氣特性
電氣特性是從產(chǎn)品化的角度考慮指紋傳感器是否真正可用于某種產(chǎn)品。電氣特性主要關(guān)注兩個(gè)參數(shù)，工作電壓和功耗。如把指紋傳感器應(yīng)用到手機(jī)上，必然要考慮手機(jī)的現(xiàn)有供電方式能否滿足增加了指紋傳感器后的電壓和功耗的要求。大部分指紋SENOSR的電壓都在3.6V以下（含）。
6. 硬件接口
硬件接口能力也是從產(chǎn)品化的角度來衡量指紋傳感器的。硬件接口能力直接影響指紋圖像數(shù)據(jù)的傳送方式，影響著與指紋處理模塊之間的通訊方式和通訊速度。目前USB接口已經(jīng)成為外設(shè)與主機(jī)通訊的最主要方式，已具備USB接口能力的指紋傳感器，可以直接與USB端口相連。而沒有USB接口的，就需要通過USB控制器來實(shí)現(xiàn)，給產(chǎn)品化增加一道技術(shù)門檻。
7. 應(yīng)用程序接口（SDK）
應(yīng)用程序接口能力用于描述指紋傳感器的功能，也就是與指紋傳感器配套使用的程序接口的功能。一般在這些接口中定義了上層應(yīng)用如何啟動(dòng)或終止指紋傳感，以及如何控制指紋傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。包括發(fā)送指紋傳感器初始化命令，要求指紋傳感器開始或停止捕獲指紋圖像的命令，以及詢問手指是在采集設(shè)備表面、甚至可以驅(qū)動(dòng)指紋傳感器判斷待掃描物體是否為指紋。對(duì)于滑動(dòng)式（SWIPE）指紋采集芯片來講，還包括指紋重構(gòu)（拼接）的命令接口等。當(dāng)指紋傳感器用于嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中時(shí)，嵌入式開發(fā)包（EDK）的能力是考查指紋傳感器能力的重要方面之一。
8. 使用壽命
在考查指紋傳感器使用壽命時(shí)，一是從器件本身的衰變考慮，二是從指紋采集面的防磨損防腐蝕能力考慮。一般的光學(xué)采集表面比較怕磨損刮擦，而半導(dǎo)體傳感的表面，都有堅(jiān)固的涂層，保護(hù)芯片避免劃傷。部分半導(dǎo)體指紋傳感器表面可以用手指正常刮擦1000萬次以上。對(duì)于需要經(jīng)常在露天使用的指紋傳感器，防腐蝕性能是需要重點(diǎn)考慮的。
9. 可裝配性
指紋傳感的體積、外形和封裝，以及使用對(duì)象（如勞工、軍人與OFFICE人員指紋的區(qū)別），對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也會(huì)產(chǎn)生較大影響。在進(jìn)行指紋傳感器選型時(shí)，這些都需要綜合考慮。
10. 附加功能
部分半導(dǎo)體指紋傳感器除了具備指紋圖像采集能力之外，還能夠感知手指的移動(dòng)方向、手指的點(diǎn)擊方式（單擊雙擊），這被稱之為導(dǎo)航能力?？梢酝ㄟ^與軟件配合來實(shí)現(xiàn)。筆者見過的一款導(dǎo)航能力非凡的指紋傳感器，可以非常靈活的玩貪吃蛇游戲。
指紋傳感器的分類
指紋傳感器按傳感原理，即指紋成像原理和技術(shù)，分為光學(xué)指紋傳感器、半導(dǎo)體電容傳感器、半導(dǎo)體熱敏傳感器、半導(dǎo)體壓感傳感器、超聲波傳感器和射頻RF傳感器等。
目前指紋傳感器只要分為兩類，同時(shí)也是較為常見的指紋傳感器：
1.光學(xué)指紋傳感器
2.半導(dǎo)體指紋傳感器
指紋傳感器的應(yīng)用
手機(jī)開機(jī)時(shí)要求用戶通過一個(gè)快速的認(rèn)證過程，用戶將其手指劃過傳感器，如果通過認(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)證無法通過，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)。
在語音郵件的應(yīng)用中，當(dāng)撥出一個(gè)語音郵件號(hào)碼后，用戶只需將手指劃過傳感器便可令系統(tǒng)識(shí)別。有了指紋識(shí)別后，便無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)來控制后視鏡、汽車座椅、無線基站以及車內(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。
指紋識(shí)別技術(shù)雖然已日漸成熟，圖像處理及模式識(shí)別技術(shù)已經(jīng)得到很好的解決，但實(shí)際上，作為指紋識(shí)別的核心技術(shù)仍然存在許多尚未解決的難題，尤其是殘缺、污損的指紋圖像的識(shí)別的魯棒性、適應(yīng)性方面不能令人滿意，指紋識(shí)別系統(tǒng)將隨著更小更廉價(jià)的指紋輸入設(shè)備的出現(xiàn)、計(jì)算能力更強(qiáng)更廉價(jià)的硬件以及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用而進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用，其中，能適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)在線指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用算法有待進(jìn)一步改進(jìn)，多種指紋識(shí)別方法的集成應(yīng)用以及包括指紋是被的多種生物特征鑒定的集成應(yīng)用也將是今后研究發(fā)展的方向，近年來，國外指紋識(shí)別相關(guān)研究又有升溫的趨勢(shì)，因此，未來幾年仍然是一個(gè)重要的、極具挑戰(zhàn)性的模式識(shí)別研究課題。
指紋傳感器的應(yīng)用
（1）向高精度發(fā)展
（2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展
（3）向微型化發(fā)展
（4）向微功耗及無源化發(fā)展
（5）向智能化數(shù)字化發(fā)展
