單觸型傳感器與劃擦型傳感器是兩種新型固態(tài)指紋傳感器，都是通過在觸摸過程中電容的變化來進(jìn)行信息采集。本文對兩類傳感器的工作原理和特點進(jìn)行了詳細(xì)分析，并介紹在互聯(lián)網(wǎng)安全認(rèn)證、汽車無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)等的應(yīng)用。
目前市場上有兩種固態(tài)指紋傳感器：第一種是單次觸摸型傳感器，要求手指在指紋采集區(qū)進(jìn)行可靠的觸摸；第二種則需要用手指在傳感器表面擦過，傳感器會采集一套特定的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行快速分析和認(rèn)證。這兩類指紋傳感器將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
上述兩類傳感器工作原理為：當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器中的像素點為45平方微米，間隔為50微米，電容像素陣列的分辨率略高于500dpi。這類傳感器基于一種標(biāo)準(zhǔn)的單-多晶硅三層金屬CMOS工藝，并采用0.5微米工藝進(jìn)行設(shè)計。
金屬互連的第三層構(gòu)成電容像素層，由氮化鈦制成并覆蓋著一層氮化硅，厚度僅為7000埃米。這種硬金屬電極與抗磨涂敷層組合形成的傳感器十分堅實耐用，使用壽命可以達(dá)到很多年。
指紋檢測
人類的指紋由緊密相鄰的凹凸紋路構(gòu)成，通過對每個像素點上利用標(biāo)準(zhǔn)參考放電電流，便可檢測到指紋的紋路狀況。每個像素先預(yù)充電到某一參考電壓，然后由參考電流放電。電容陽極上電壓的改變率與其上的電容成下面的比例關(guān)系：
Iref=C×dv/dt
處于指紋的凸起下的像素(電容量高)放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素(電容量低)放電較快。這種不同的放電率可通過采樣保持(S/H)電路檢測并轉(zhuǎn)換成一個8位輸出，這種檢測方法對指紋凸起和低凹具有較高的敏感性，并可形成非常好的原始指紋圖像。
通過圖1所示的過程，采用復(fù)雜的軟件算法可以進(jìn)行指紋識別。這種軟件采集原始的指紋圖像，將圖像信息數(shù)字化并提取其中的細(xì)節(jié)模板，然后進(jìn)行測試，確定提取的細(xì)節(jié)模板是否與參考模板吻合。
比較過程
單觸型傳感器與劃擦型傳感器的尺寸和成本都不一樣。接觸式傳感器較大，通常有效接觸面為15×15mm，可迅速地采集最大的指紋或拇指指紋。這種傳感器易于使用，并可將整個指紋圖像以500dpi(自動指紋識別標(biāo)準(zhǔn))的精度進(jìn)行快速傳輸。
目前這些傳感器已完成設(shè)計，并用于美國政府機構(gòu)及警察局進(jìn)行指紋識別。不久的將來還將逐漸用于汽車單觸式無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)，以及新興的國家安全應(yīng)用中。
這種傳感器由256(列)×300(行)微型金屬電極組成，每一列連接到一對S/H電路上。指紋圖像依次進(jìn)行逐行采集，每個金屬電極均作為電容的一個極，與之接觸的手指則是電容的另一個極。在器件表面有一層鈍化層，作為兩個電容極間的電介質(zhì)層。將手指置于傳感器上時，指紋上的凸起和低凹會在陣列上產(chǎn)生不同的電容值，并構(gòu)成用于認(rèn)證的一整幅圖像。
劃擦型傳感器是一種新型指紋采集器件，要求用戶將手指在器件上劃過。劃擦型傳感器的優(yōu)點是尺寸小(如富士通的MBF300尺寸僅為3.6×13.3 mm2)和成本低。這些器件主要用于移動設(shè)備的嵌入式安全識別應(yīng)用，如手機和PDA。精密的圖像重建軟件以接近2000幀/秒的速度快速地從傳感器上采集多個圖像，并將每個幀的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)組織到一起。
信息及認(rèn)證
毫無疑問，便攜式低成本指紋識別技術(shù)對我們的生活意義深遠(yuǎn)。例如，今后警察可在一個犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照。此人則將其右手的第一、二或第三個手指置于一個與無線PDA相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進(jìn)行對比確認(rèn)。
這種識別技術(shù)對于被盜的手機用戶也有好處。手機開機時要求用戶通過一個快速的認(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)使用手機的各項功能。如果不是授權(quán)用戶，手機便繼續(xù)保持鎖住。如果連續(xù)幾次認(rèn)證無法通過，則手機會刪除存儲器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機。
在語音郵件的應(yīng)用中，當(dāng)撥出一個語音郵件號碼后，用戶只需將手指劃過傳感器便可令系統(tǒng)識別。有了指紋識別后，便無需使用郵箱密碼或個人識別號碼。
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。注冊過程十分簡單：每個授權(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器中。
當(dāng)駕駛者進(jìn)入汽車時，他/她將手指置于傳感器上，啟動識別過程。不到一秒鐘，電腦將檢測到的指紋模板與存儲的模板進(jìn)行比較，并建立一個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)的一個嵌入式模塊中。當(dāng)指紋匹配成功時，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55公里。這些功能的實現(xiàn)具有非常多的用處。
使移動互聯(lián)網(wǎng)接入更加安全
隨著半導(dǎo)體和軟件技術(shù)的發(fā)展，手機將逐漸成為一種可隨時隨地獲取個人和公司數(shù)據(jù)的移動終端，因此需要確保用戶訪問的安全性，以防止未授權(quán)訪問。原來執(zhí)法機構(gòu)使用的指紋識別方式僅存儲指紋上一些特定點的數(shù)據(jù)而非整個影像，因而相比之下，生物指紋掃描系統(tǒng)更為有效、可靠。
這類檢測的所有處理過程均分為下面幾個步驟：首先是采集階段，器件采集手指生物樣本；然后利用預(yù)先建立的數(shù)學(xué)公式或算法從樣本中提取其獨有的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成一個模板；登記認(rèn)證程序從指紋的30~40個特征點中至少提取七個特征匹配點進(jìn)行驗證，包括構(gòu)成某一指紋細(xì)節(jié)的紋路分叉點和終止點，并被定義成特征點間的距離。
進(jìn)行注冊時，信息代碼被存儲下來，作為今后用戶認(rèn)證的參考模板。當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)時，他/她將手指劃過傳感器區(qū)域，所獲取的現(xiàn)場掃描模板與參考模板進(jìn)行比較。整個過程在1或2秒內(nèi)完成。
通過比較，系統(tǒng)會確定這一現(xiàn)場掃描模板是否包含了與參考模板相符的足夠生物數(shù)據(jù)，并判斷二者是否匹配。如果不匹配，則認(rèn)證失敗，等待下次識別。
這種指紋檢測系統(tǒng)性能很高，對有效指紋作出錯誤判斷的概率小于1%，而將無效指紋錯判為有效指紋的可能則幾乎不存在，其概率低于0.01%。
作者：Douglas McArthur
生物傳感器部總監(jiān)
富士通微電子美國公司
email: dmcarthu@fma.fujitsu.com
