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 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。 3 半导体扫描传感系统: 右图是一个简单的电容传感器。该传感器由一个或多个包含一组微小单元的半导体芯片组 成。每个单元包括两个覆盖有绝缘层的导体板。这些单元很小,比手指上一个嵴纹的宽度还 要小。 半导体指纹传感器又分为电容式和电感式。 2.3. 电容感应式指纹传感器的工作原理为: 它是由电容阵列构成的,内部大约包含 1 万只微型化的电容器。当用户将手指放 在正面时,皮肤就组成了电容阵列的一个极板,电容阵列的背面是绝缘极板。由于不同 区域指纹的脊和谷之间的距离也不相等, 使每个单元的电容量随之而变, 由此可获得指 纹图像。 3. 技术性能分析 3.1 不同类型指纹传感器性能比较和分析 目前采用的指纹传感器从分类上主要分为半导体指纹传感器和光学指纹传感器。 光学指纹传感器, 其原理主要是光学照相和反射的原理, 目前国内的有厂家可以生产光学指 纹传感器,其优点是抗静电能力强,产品成本低,使用寿命长,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。 半导体指纹传感器主要是利用电容、电感、温度、压力的原理实现指纹图像的采集。目前国 内厂家基本上没有能力半导体的指纹传感器, 主要从国外进口。 半导体的指纹传感器有分为 面状指纹传感器和条状指纹传感器(滑动式指纹传感器/刮擦式指纹传感器)。 3.2 电容式指纹传感器介绍 电容式指纹传感器是目前市场上的主流半导体指纹传感器。 电容式指纹传感器最早是由美国 Veridicom 公司生产的 FPS100 指纹传感器。但是,FPS100 指纹传感器由于抗静电指标比较低(只有 5KV) ,存在指纹残留的问题,基本上没有形成规 模应用。 3.2.1MBF200 固态电容传感器 富士通 MBF200 中文名:固 态电容传感器是日本富士通 公司利用从 Veridicom 公司 购买的电容式指纹传感器技 术,技术改良后,推出的一 款电容式指纹传感器是日本 富士通公司在 2002 年推出 的,产品推出后,在一些指 纹产品中得到了应用。 产品概要 产品制造商:日本富士通 公司 产品型号: MBF-200 4 采集原理: 电容式,直接探测法 技术参数 分辨率: 508DPI 点阵数: 256× 300 单幅图像大小: (字节数) 76K 采集窗口大小: 24× 24mm 抗静电指标: ± 10 kV *作温度: -20° C to +85° C 使用寿命: 未公布 环境湿度: 未公布 干手指适应性: 一般 湿手指适应性: 较差 产品评价:该指纹传感器在 2002 年后开始逐步投放市场,并被一些指纹产品的厂家采用, 但是没有形成规模化的应用。 其优点是:采集分辨率较高。 其缺点是:指纹传感器的抗静电指标偏低(只有 10KV) ;对干湿手指的适应性一般,尤其 对湿手指(或有护手霜的手指) 的适用性差。另外, 厂家没有公开传感器的使用寿命资料。 在 MBF-200 的技术上,富士通公司有陆续推出了具有 USB 接口的 SPF 200-USB Fingerprint Sensor 和刮擦式的 MBF 310 - Solid-State Fingerprint Sweep Sensor。 除富士通的电容式指纹传感器外, 近年来指纹传感器的制造厂家一致致力于对电容式指纹传 感器的技术改进和技术升级,其中比较有代表性的还有意法半导体( ST Micro)和瑞典的 FingerPrint Card 公司。 3.2.2FPC1011C 电容式指纹传感器介绍 FPC1011C 电容式指纹传感器是瑞典 FingerPrint Card 公司(瑞典的上市公司) 推出的目前最先进的电容式指纹传感器。 该公司拥有专利的反射式探测技术(一般是直接式探测技术),使指纹传感器的 表面保护层厚度可以达到普通电容式指纹传感器的 100 倍左右,因此使指纹传 感器具有更高的对干湿手指的适用性和更长的使用寿命。 FingerPrint Card 指纹传感器的主要性能指标见下表: 产品概要 产品制造商: 产品型号: 采集原理: 探测位置: 技术参数 瑞典 FingerPrint Card 公司 FPC1011C 电容式,反射式探测法 真皮层 分辨率: 363DPI 点阵数: 152× 200 单幅图像大小: (字节数) 30K 采集窗口大小: 15× 12mm 抗静电指标: ± 15 kV *作温度: -20° C to +85° C 使用寿命: 一百万次 5 环境湿度: 95% 干手指适应性: 良好 湿手指适应性: 良好 产品评价 FPC1011C 电容式指纹传感器是瑞典 FingerPrintCard 公司利用其反射式探测专利技术开发的 半导体指纹传感器,该指纹传感器在 2003 年投放市场后被众多厂家认可和采用,目前已经 形成规模化的应用。 该款指纹传感器的特点是:由于其独特的探测技术,可以探测到真皮层,具有良好对干湿手 指的适用性, 传感器的表面材料厚度到达其他电容式指纹传感器的 100 倍左右, 具有很好的 耐用性。抗静电指标达到 15KV。 3.3 电感式指纹传感器介绍 电感式指纹传感器的主要生产厂家是美国的 AuthenTec 公司,目前提供 The FingerLoc Family 和 The EntréPad Family 两个系列共多款指纹传感器。 国内使用较多的主要有 AF-S2、AES3400 和 AES2500 系列(包含:AES2501 和 AES2510)。其 中, AF-S2 是 AuthenTec 公司推出的第一代指纹传感器, AES2500 系列是刮擦式指纹传感器。 AES3400 是 AuthenTec 推出的新一代指纹传感器,由于其采集窗口比较小,一般不太适合在 通用设备上使用。 AuthenTec 公司的指纹传感器的主要性能指标见下表。 AuthenTec 公司 AF-S2 指纹传感器性能指标表 3.3.1AF-S2 电感式指纹传感器介绍 产品概要 产品制造商: 美国 AuthenTec 公司 产品型号: AF-S2 采集原理: 电感式 技术参数: 分辨率 250DPI 点阵数: 128×128 单幅图像大小: (字节数) 16K 采集窗口大小: 14.5×14.5mm 抗静电指标: ± 8 kV *作温度: 0° C to +70° C 使用寿命: 未公布 环境湿度: 未公布 干手指适应性: 一般 湿手指适应性: 较差 产品评价:该指纹传感器在 2002 年曾经是市场的主流指纹传感器,一般多为 2001 年-2002 年期间开发指纹产品的厂家采用。最近 2 年,由于有新的性能更 好的指纹传感器投放市场,近几年指纹厂家开发的新指纹产品中已经不再使用。 该款指纹传感器的特点是:有规模应用,传感器性能比较稳定。 其缺点是: 传感器的分辨率低, 只有 250DPI, 对于一些指纹纹路较细的手指 (如 女性)效果将受影响,另外,指纹传感器的抗静电指标偏低(只有 8KV,目前 普遍要求是 15KV);指纹传感器对干湿手指的适应性一般,尤其对湿手指(或 有护手霜的手指)的适用性差。另外,厂家没有公开传感器的使用寿命资料。 6 3.32AES3400 电感式指纹传感器介绍 AuthenTec 公司 AES3400 指纹传感器性能指标表 产品概要 产品制造商: 美国 AuthenTec 公司 产品型号: AES3400 采集原理: 电感式 技术参数 分辨率: 500DPI 点阵数: 128× 128 单幅图像大小: (字节数) 16K 采集窗口大小: 7.2× 7.2mm 抗静电指标: ± 8 kV *作温度: 0° C to +70° C 使用寿命: 100 万次 环境湿度: 未公布 干手指适应性: 一般 湿手指适应性: 一般 产品评价: AES3400 电感式指纹传感器 是 AuthenTec 公 司 利 用 其 专 利 技 术 TurePrint 技术开发的新一代半导体指纹 传感器,其性能较 AF-S2 有一定的改善。 该款指纹传感器的特点是:有规模应用, 传感器性能比较稳定、采集分辨率达到 500DPI。 其缺点是:采集窗口面积太小,只有 7.2× 7.2mm。指纹传感器的抗静电指标偏 低(只有 8KV,目前普遍要求是 15KV) ; 指纹传感器对干湿手指的适应性一般。 4. 具体应用案例介绍: 4.1. 苹果手机指纹识别技术 在苹果公司最新一代的手机产品 iPhone5s 中运用了指纹识别技术,这一非常时尚的 技术预计将在密码和移动支付领域引领 一场新的革命。 虽然 TouchID 现在的功能和应用还不是很 7 完善,但在一下一些方面和领域已经显露出其优势: 对私人应用及文件夹加密 防止手机被他人关机 移动支付的交易凭证 在同一设备上切换用户 4.2. 指纹解锁原理介绍 对于苹果指纹识别技术的工作原理, 我们可以从下面苹果公司提交的专利技术及其附图中有 相干的了解。 日前,苹果向欧洲专利局提交了最新的专利申请,根据描述,专利中描述的指纹识别传感器 将集成一个射频传感电极阵列,以便提供更为精确的指纹图像。更有趣的是,这种传感器还 能够对皮肤下的组织进行成像,这将大幅度减少电子欺诈的可能性。 这项新技术还揭示了另外一种可能性: 指纹传感器不仅可以被安置在 Home 键上,还能够隐 藏在设备外壳下。如果这个特性能够得到应用,它的前景很让人期待。 8 以下为苹果公司的专利图: 9 4.3. 前景预见 从最新的相关的科技新闻中了解到的情况, 我们可以预见到在下一年, 指纹传感器指纹输入 将成为苹果和安卓旗舰手机的标配。通过一系列与指纹传感器相关的手机应用的开发和普 及,可以乐观的预见,指纹传感器将在现实生活中得到极大的普及和应用。 5. 结语: 本文通过查阅相关文献和论文,了解了有关指纹传感器的历史,发展过程和未来发展前景。 在了解其发展的过程中, 详细介绍了指纹传感器的分类, 其中着重解释了光学指纹传感器和 半导体指纹传感器的工作原理。与此同时,通过对相关同型号不同产品的对比分析,找出其 优缺点。最后从苹果公司手机产品 iPhone5s 中指纹传感器的例子,对指纹传感器的未来发 展前景做出预想。 10