新型指纹识别传感器的应用分析
来源:SSTKJ 添加时间:2003-11-27
Douglas McArthur
生物传感器部总监
富士通微电子美国公司
email: dmcarthu@fma.fujitsu.com

单触型传感器与划擦型传感器是两种新型固态指纹传感器，都是通过在触摸过程中电容的变化来进行信息采集。本文对两类传感器的工作原理和特点进行了详细分析，并介绍在互联网安全认证、汽车无钥匙进入系统等的应用。

目前市场上有两种固态指纹传感器：第一种是单次触摸型传感器，要求手指在指纹采集区进行可靠的触摸；第二种则需要用手指在传感器表面擦过，传感器会采集一套特定的数据，然后进行快速分析和认证。这两类指纹传感器将得到越来越广泛的应用。

上述两类传感器工作原理为：当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。传感器中的像素点为45平方微米，间隔为50微米，电容像素阵列的分辨率略高于500dpi。这类传感器基于一种标准的单-多晶硅三层金属CMOS工艺，并采用0.5微米工艺进行设计。

金属互连的第三层构成电容像素层，由氮化钛制成并覆盖着一层氮化硅，厚度仅为7000埃米。这种硬金属电极与抗磨涂敷层组合形成的传感器十分坚实耐用，使用寿命可以达到很多年。

指纹检测

人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成，通过对每个像素点上利用标准参考放电电流，便可检测到指纹的纹路状况。每个像素先预充电到某一参考电压，然后由参考电流放电。电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下面的比例关系：

Iref=C×dv/dt

处于指纹的凸起下的像素(电容量高)放电较慢，而处于指纹的凹处下的像素(电容量低)放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持(S/H)电路检测并转换成一个8位输出，这种检测方法对指纹凸起和低凹具有较高的敏感性，并可形成非常好的原始指纹图像。

通过图1所示的过程，采用复杂的软件算法可以进行指纹识别。这种软件采集原始的指纹图像，将图像信息数字化并提取其中的细节模板，然后进行测试，确定提取的细节模板是否与参考模板吻合。

比较过程

单触型传感器与划擦型传感器的尺寸和成本都不一样。接触式传感器较大，通常有效接触面为15×15mm，可迅速地采集最大的指纹或拇指指纹。这种传感器易于使用，并可将整个指纹图像以500dpi(自动指纹识别标准)的精度进行快速传输。

目前这些传感器已完成设计，并用于美国政府机构及警察局进行指纹识别。不久的将来还将逐渐用于汽车单触式无钥匙进入系统，以及新兴的国家安全应用中。

这种传感器由256(列)×300(行)微型金属电极组成，每一列连接到一对S/H电路上。指纹图像依次进行逐行采集，每个金属电极均作为电容的一个极，与之接触的手指则是电容的另一个极。在器件表面有一层钝化层，作为两个电容极间的电介质层。将手指置于传感器上时，指纹上的凸起和低凹会在阵列上产生不同的电容值，并构成用于认证的一整幅图像。

划擦型传感器是一种新型指纹采集器件，要求用户将手指在器件上划过。划擦型传感器的优点是尺寸小(如富士通的MBF300尺寸仅为3.6×13.3 mm2)和成本低。这些器件主要用于移动设备的嵌入式安全识别应用，如手机和PDA。精密的图像重建软件以接近2000帧/秒的速度快速地从传感器上采集多个图像，并将每个帧的数据细节组织到一起。

信息及认证

毫无疑问，便携式低成本指纹识别技术对我们的生活意义深远。例如，今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑人，要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照。此人则将其右手的第一、二或第三个手指置于一个与无线PDA相连的传感器上，可以迅速将嫌疑人与以前的犯罪记录进行对比确认。

这种识别技术对于被盗的手机用户也有好处。手机开机时要求用户通过一个快速的认证过程，用户将其手指划过传感器，如果通过认证则授权使用手机的各项功能。如果不是授权用户，手机便继续保持锁住。如果连续几次认证无法通过，则手机会删除存储器中的关键信息然后关机。 在语音邮件的应用中，当拨出一个语音邮件号码后，用户只需将手指划过传感器便可令系统识别。有了指纹识别后，便无需使用邮箱密码或个人识别号码。

在今后的汽车应用中，用户可输入家庭成员指纹样本，经鉴权才能驾驶。注册过程十分简单：每个授权驾驶的成员将其手指置于传感器上，并将汽车的各种参数按个人爱好进行设置，然后将这些设置存入车载的电脑存储器中。

当驾驶者进入汽车时，他/她将手指置于传感器上，启动识别过程。不到一秒钟，电脑将检测到的指纹模板与存储的模板进行比较，并建立一个与驾驶者相符的相关设置。指纹模板和匹配软件保存在汽车内的一个嵌入式模块中。当指纹匹配成功时，汽车便按已编程设定的内部参数来控制后视镜、汽车座椅、无线基站以及车内空气环境。此外，还可控制驾驶速度，如果驾驶者仅为十来岁的孩子，则将速度限制在每小时55公里。这些功能的实现具有非常多的用处。

使移动互联网接入更加安全

随着半导体和软件技术的发展，手机将逐渐成为一种可随时随地获取个人和公司数据的移动终端，因此需要确保用户访问的安全性，以防止未授权访问。原来执法机构使用的指纹识别方式仅存储指纹上一些特定点的数据而非整个影像，因而相比之下，生物指纹扫描系统更为有效、可靠。

这类检测的所有处理过程均分为下面几个步骤：首先是采集阶段，器件采集手指生物样本；然后利用预先建立的数学公式或算法从样本中提取其独有的数据，并将其转换成一个模板；登记认证程序从指纹的30~40个特征点中至少提取七个特征匹配点进行验证，包括构成某一指纹细节的纹路分叉点和终止点，并被定义成特征点间的距离。

进行注册时，信息代码被存储下来，作为今后用户认证的参考模板。当用户进入系统时，他/她将手指划过传感器区域，所获取的现场扫描模板与参考模板进行比较。整个过程在1或2秒内完成。

通过比较，系统会确定这一现场扫描模板是否包含了与参考模板相符的足够生物数据，并判断二者是否匹配。如果不匹配，则认证失败，等待下次识别。

这种指纹检测系统性能很高，对有效指纹作出错误判断的概率小于1%，而将无效指纹错判为有效指纹的可能则几乎不存在，其概率低于0.01%。