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指纹识别技术背后隐藏的传感器原理
  我们了解过了指纹识别的大致流程后,这篇文章用来介绍指纹识别硬件中最重要的部分,传感器。其实传感器、芯片也要符合物理学的基本原理,他们都是物理学的原理的一种实现,我们可以从光、电、声、热、力这几个基本的物理研究领域中展开,看看今天主流的指纹识别传感器的分类和实现。

  一、光学传感器

  光学传感器的发展历史可能是最久的了,已经有30年的历史了。实现的原理也是最简单的。

  它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。



  光学指纹传感器的优点主要表现为:

  1. 抗静电能力强、系统稳定性较好、使用寿命长

  2. 灵敏度特别的高

  3. 能提供高分辨率的指纹图像(可以达到500 dpi)。

  缺点也很明显:

  1、潜在指印(多次按压),会降低指纹图像的质量

  2、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

  3、体积比较大,功耗控制不好

  用途:

  鉴于光学传感器的体积都比较大,因此它的应用领域主要集中在指纹门锁,保险箱,汽车指纹防盗。

  发展:

  光学传感器在传统对体积、功耗要求不是苛刻的行业中还占有很大市场份额,但是在手机等移动终端这个大市场迷失了。

  16年底Synaptics发布了FS9100这种新型的光学sensor,主要是看中了光学传感器的穿透性(可以穿透1mm左右的glass),目标是underglass。而且随着In Display屏内指纹识别的大趋势,光学传感器必然又会带着新技术卷土重来。

  二、电容传感器

  电容式传感器应该是目前手机及便携式终端设备最热门的了,当然,存在即合理。既然电容式传感器占有了这么大的市场,它有什么优势呢?

  其原理是将电容感整合于一块芯片中,当指纹按压芯片表面时,内部电容感测器会根据指纹波峰与波谷而产生的电荷差,从而形成指纹影像。如下简图,可以把上面的凹凸认为是指纹的谷和脊,那么同传感器就会形成不同的电容差,这样传感器就可以根据这些不同的电容差画出指纹的纹理。


  电容传感器又分为主动式和被动式,我们可以先参考下面两张图。

  主动式:

  原理主要是通过外加的驱动信号(如Ring)加载到手指上以增强手指表面的电荷,使底下的感应阵列接收电场信号并对信号进行放大,根据指纹凹凸不一致底下芯片感应到的电场也不一致从而重现指纹(如下图):


  被动式

  工作原理则不一样;其是利用手指按在芯片表面时,指纹的波峰波谷对芯片内部电容上下电极电荷分配的比例影响程度来对指纹进行重现指纹,无需额外增加驱动源,芯片结构非常单纯(如下图),也因为无额外驱动信号,所以模组也无需外置Ring,模组结构也非常简单。

  主动式和被动式的原理也很好辨别,主动式就是额外加了激励电源。可以想象主动式的电容传感器穿透会比较强,但是无可厚非的会带来更多的噪声,所以究竟是主动式还是被动式的传感器好,不能一概而论,还是要看各家的技术。


  优点:

  1、芯片和模组可以做的很薄

  2、功耗更容易控制

  缺点:

  1、穿透率比较低

  2、价格相对较高

  3、防水、防污性不强

  发展:

  电容式的传感器到目前来说,是使用最普遍的。但是,眼看着指纹识别要向屏内指纹识别的方向发展,而电容式的穿透率大概在200um左右,基本的玻璃盖板都很难穿透,而且需要透明显示的物理特性也无法满足。所以,电容式的传感器在将来肯定还是会占据了传感器的大片江山,但是高端市场收到的冲击,却无能为力。

  三、射频/超声波传感器

  如果把射频传感器划到光学传感器的范畴中未免有些牵强(光也是一种特殊的电磁波),射频指纹模块现阶段包含无线电波探测与超声波探测两种,

  射频传感器原理


  原理与探测海底物质的的声纳类似,是靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态的。这一类指纹模块最大的优点便是手指无需与指纹模块相接触,因而不会对手机的外观造成太大影响。基于这一点,射频指纹模块也成为了未来指纹识别的主要发展方向之一。

  超声检测原理是相同的,就是依靠反射波的时间差探知脊和谷的距离差,根据这个距离差绘制出指纹图像。

  超声波传感器原理

  特制的晶片(称为换能器)在电脉冲的激励下,产生机械振动(类似于人摸一下电门浑身一抖),振动产生超声波脉冲(pulse),超声波脉冲在传播过程中,会被传播介质(如人体)一部分一部分地被反射或者散射回来(echo),尤其是介质中物理性质不连续的地方,(比如手机上方的一根手指),反射波尤为强烈。反射或散射回换能器的回波,又使换能器产生振动,这种振动被换能器转换为电信号,对于电信号进行不同的处理,可以得到不同的信息,比如传播介质的结构,有没有运动的物体在介质中,介质的弹性等等。


  如果把超声波的声束想像成一条线,那么一次超声PULSE-ECHO得到的通常只有一条线的信息,指纹至少是一个面,用超声扫描的方式在不同的位置进行PULSE-ECHO就能够得到一系列线的信息,从而获取整个指纹信息。医院里用的超声成像设备也大多就是这样的工作原。

  如下图就是排列成矩阵型的换能矩阵,每个换能矩阵可以代表了图像的一个pixel。


  四、力学/热学传感器

  虽然从物理学角度讲,可以通过力学(即按压)或者热学(即温差)来实现脊和谷的判别。但是在实际实现的sensor却没有很大的可行性。

  力的传导需要一个比较硬的传导载体,但是如果载体比较硬,那么指纹这么微小的距离差异,形成的图像必然是模糊一片;热敏sensor也曾经被开发过,但是热敏传感器受外界温度、两次按压时间间隔影像太大,无法达到消费级电子的要求。因此这两种传感器都匿迹在时间的长河中。

  其实不管是指纹传感器,还是其他各种传感器,运用第一性原理,都可以找到原理的根源。对于我们这些工科生深入了解一个技术、一个行业,都是有很大裨益。

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