从光学传感器到电容传感器——指纹采集技术的演进

2011-03-06 21:31:59来源: 互联网
指纹传感器(又称指纹Sensor)是实现指纹自动采集的关键器件。最早的指纹识别技术是以光学传感器为基础的光学识别系统,识别范围仅限于皮肤的表层,通常把它叫做第一代指纹识别技术;而采用了电容传感器技术的第二代指纹识别系统实现了识别范围从表皮到真皮的转换,从而大大提高了识别的准确率和系统的安全性,也是目前市场上大部分指纹识别设备的基础。

第一代指纹识别系统
光学传感器

     始于1971年的光学传感器是研究最早、应用最广泛的指纹传感器。其技术关键是光的全反射,手指置于加膜台板(一般是硬质塑料,不同厂家材料有异),照射到压有指纹的玻璃表面时,反射光经电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)转换为相应电信号,并传输后端进一步处理。其中,反射光强度取决于两方面因素:压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度、皮肤与玻璃间的油脂和水分。由于光线经玻璃照射到谷的区域后在玻璃与空气的界面发生全反射至CCD,而射向脊的光线被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到其他地方,这样,即可利用CCD将有深色脊和浅色谷构成的指纹图像转换成数字信号。当然,为获得较高质量的指纹图像,还需采用自动或手工方式调整图像亮度等。

    光学指纹传感器优点主要表现为抗静电能力强、系统稳定性较好、使用寿命长,能提供分辨力为500dpi(dot per inch)的图像,特别是能实现较大区域的指纹图像采集,但指纹图像采集区域较大时所需焦距亦较长,采集设备体积需随之增大,否则,会导致采集的图像边缘线形发生扭曲。

光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面(潜在指印是手指在台板上按完后留下的),不但会降低指纹图像的质量,严重时,还可能导致2个指印重叠,显然,难以满足实际应用需要。此外,台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗,可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层),所以只能够扫描手指皮肤的表面,或者扫描到死性皮肤层,但不能深入真皮层。在这种情况下,手指表面的干净程度,直接影响到识别的效果。如果,用户手指上粘了较多的灰尘,可能就会出现识别出错的情况。并且,如果人们按照手指,做一个指纹手模,也可能通过识别系统,对于用户而言,使用起来不是很安全和稳定。

光学传感器中存在棱镜,其体积较大,一般为半导体的几倍甚至10倍大小,所以限制了其在小型设备上的应用。在类似考勤机、门禁等大设备上使用没有体积限制的问题,但在U盘、移动硬盘、手持设备上使用,体积成了最大的障碍。
成本低一直以来被认为是光学传感器的最大优势,但由于其制造过程一致性较难保证,随着以电容传感器为代表的半导体传感器的大规模发展,光学传感器的成本优势也已经不再明显。虽然大多数公司还在使用光学传感器,但其发展趋势是新颖的、高质量的电容指纹传感器。

第二代指纹识别系统
电容传感器

电容传感器始于1998年,属于半导体传感器的一种,半导体指纹传感器还包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等,其中,应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同,来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时,因为嵴是凸起的峪是凹下,根据电容值与距离的关系,会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同,所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢,而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同,可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹图像数据。

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技术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,即使对比度差的图像(如手指压得较轻的区域)也能被有效检测到,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。

电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层,而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。

电容指纹传感器因制造工艺复杂,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,所以电容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。目前国内厂家基本上没有能力生产电容指纹传感器。

各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品,技术新颖且先进的首推瑞典FingerPrintCard公司推出的FPC1011C,是一种电容式面装指纹传感器。该传感器采用了多项专利,如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜等。内部具有A/D转换,高速的SPI接口,8PIN的软排线可以方便的接入各种系统。该技术能适应各种复杂指纹,并能在各种环境下获得从干手指到湿手指的高质量指纹图像,从而显著降低指纹识别系统误识率、拒识率。

随着指纹识别技术的不断发展,质量高、功耗低、体积小的电容传感器传感器作为便携式产品极其重要的指纹图像采集手段,应用日益广泛,其市场规模以惊人速度飞速拓展。2003年11月,美国Frost & Sul Uvan发布的指纹传感器市场调查结果表明:目前,在面向身份认证的指纹传感器中,传统型光学传感器占一定优势,受电容传感器技术进步和价格下降等因素的影响,电容传感器的份额将逐渐增加,成为指纹采集技术的主流。

光电式指纹传感器综述
光电式指纹传感器是最先出现的指纹传感器,但对于指纹技术而言,由于其固有缺陷比较明显,已经属于一种相对过时的技术,金融系统的指纹项目已经明确排除采用这种传感器。
光电式指纹传感器的设备原理是光的全反射,这也是数码相机的成像原理,光线照到按有指纹的玻璃上并进行反射。反射光线由感光器件获得,由于指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃问的油脂和水分不同,反射光线的能量也不一样。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射,光线被反射到感光器件,而射向脊的光线不发生全反射.而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方,这样就在感光器件上就形成了指纹的图像。

光电式指纹传感器根据所采用的成像芯片不同分为CCD光电式和CMOS光电式两种。

CCD光电式
这种传感器利用光线照射指纹表面的脊和谷,指纹的图像被反射到CCD上,并被转换成电信号输出。由于该类产品的信号输出大多是模拟信号,与处理器的接口电路比较复杂,抗干扰能力也较弱,因此已逐渐被CMOS光电式指纹传感器所取代。
CMOS光电式
随着CMOS数码阵列光电图像传感器技术的不断成熟,在光电视像转换领域,开始逐步取代传统的CCD光电器件。与CCD光电式指纹传感器相比,CMOS光电式指纹传感器由CMOS光电器件取代CCD光电器件构成。它采用数字信号输出,抗干扰能力较强,与处理器的接口电路相对简单。

光电式指纹传感器除了成像芯片以及相关接口电路,还包括一组棱镜、透镜,成像镜等所组成的光学通道。

CMOS成像芯片价格在1-3美元左右,加上光学部分,光电式指纹传感器物料的成本也就在30-50元,所以我们可以见到市面上光电式指纹传感器价格可以低至70-80元,但是通常价格在120-150元左右。

国外的光电式指纹传感器价格可达到1000多元人民币,而真正适用于高档指纹项目的光电式指纹传感器可能也只有这种高价位的产品。据了解原因可能有以下几点:
1、        高档光电式指纹传感器每个产品光学通道的技术指标要求非常苛刻,特别是对一致性非常严格,绝对不能出现联网的门禁系统中,这个门登录的指纹,在另外的门就无法识别的情况。国内能够达到这样严格的工艺要求的光电式指纹传感器的生产厂商非常少;
2、        光电式指纹传感器为了防止光学畸变,一般体积较大,同时采集窗口必须足够大才能获得质量较好的图像。但是目前指纹产品需要尽可能减小传感器的体积尺寸以便实现更美观合理的外观造型设计以及成本控制,同时国内指纹行业对光电式指纹传感器缺乏严格的行业标准,很多厂家的产品实际都有严重的光学畸变,不适应指纹产品对安全性的起码要求;
3、        光电式指纹传感器目前所用的是30万像素CMOS成像芯片,也可用于监视器、摄像头等产品中。但是,在摄像头、监视器等应用中,如果有坏点,很容易被客户识别,进而基本不能被接受。然而CMOS芯片生产都有良率和芯片性能衰退的问题,所以一般只要坏点不超过30%,就可能用来制作低档的光电式指纹传感器;
4、        用于数码相机/摄像机等主流产品的CMOS成像芯片解析度迅速提升,甚至手机上也流行配置数百万像素的摄像头,适用于指纹应用的VGA格式芯片迅速被淘汰,一线厂商纷纷停产。由于指纹应用尚未真正形成规模,接手生产此类低端芯片的厂商利润空间非常有限,因此光电式指纹传感器生产厂商往往只能采购到已经停产的OV7620等存货(有保质期的问题),因此这也导致潜在的性能衰退的问题出现,影响系统可靠性。

另外,光电式指纹传感器还存在着其他一些固有的缺陷,包括:
1、        指纹采集窗口有指纹残留,据说在广交会上,曾经出现过指纹保险箱被阳光照射,门自动打开的情况。
2、        采用一些很容易获得的材料人为制造的假指纹同样可以使光电式指纹传感器采集到指纹图像。在所有指纹采集技术中,光学技术是最容易被假指纹骗过的。针对光电式指纹传感器的假指纹制作方法广为流传,有好几个省市的驾校指纹考试系统因此被蒙蔽,造成严重的后果。
3、        因为水分流失,人在冬天时手指往往偏干,偏干的程度与气候干燥程度及人体差异有关。 由于指纹采集原理的限制,光电式指纹传感器很难对干的手指采集到清晰的指纹图像,造成了这种产品对干手指识别率低(拒真率高)的问题。手指越干,这个问题越突出。在北方冬天气候条件下,手指发干会导致很多人的手指无法被识别。这个问题在北方地区尤其突出。
4、        在光电式指纹传感器玻璃表面贴膜可以改善干手指的问题,但是膜本身很不耐用,而且膜的使用使假指纹问题更严重。

关键字:指纹  采集  演进

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0306/article_713.html
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