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指纹传感器

    传感器技术是实现自动控制、自动调整的关键环节,其水平的高低对系统的功能有很大影响。其级别越高,系统的自动化就越高。传感器的应用现在与人们的生活相关,种类也很多,例如电流传感器、电压传感器、压力传感器、温度传感器等。指纹识别传感器作为新的传感器被广泛应用,现在受到越来越多人的关注。

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一、指纹识别相关概念 


1.1指纹的特征 

    指纹具有终生不变性、唯一性、便利性,是生物特征认识的代名词。指纹是指人手指尖表面皮肤上形成凹凸的痕迹。条纹花纹规则排列成不同的条纹花纹。 隆线的起点、终点、结合点及分支点。被称为指纹的细部特征点。


1.2指纹认证的原理

    指纹识别意味着通过比较不同指纹细节的特征点来进行认证。每个人的指纹不同,同一人的指纹之间也有明显的差异,因此指纹可以用于个人的认证。

  使用指纹的个人认证有很长的历史。公元前650年,唐代作家贾公秀在其部作品中指出,指纹是个人身份的确认方法[3]。在我国,将指纹应用于民间合同和审判有很长的历史,但是由于缺乏专业的研究,不能使指纹识别技术发展到科学上。指纹认证的起源16世纪后半期,苏格兰医生Henry faultld于1880年10月28日在英国的《nature》上发表了首篇论文。其次,威廉·herschel在“nature”中发表了他自身指纹研究的20多年的成果,揭开了现代指纹识别的序幕。1892年,英国sir Francisco Galton系统地研究指纹,提出指纹细节的特征分类,将指纹分为方格( whole )、箕面( loop )、弧( arch ) 3种,指纹识别应用进入了新的时期。1989年英国爱德华. Henry[2]建立了著名的Henry指纹分类系统,1901年正式被英国政府采用,之后西方各国也陆续被采用,指纹识别应用进入了科学化的道路。根据电子计算机的出现、采集技术的发展和指纹识别的研究,人类的指纹识别正在向指纹自动识别( automated fingerprint identificati on identificati on system ) afis转移。1963年在美国首次进行了软件开发,1975年发布了第一个商用系统print2rak 250。日本于1975年开始研究,1982年引进了ne cafis。我国也在80年代初开始进行关于指纹识别的研究。随着日常生活和电子设备在网络上的普及,计算机、ATM、出入室管理、智能卡的个人安全性、方便识别技术的要求日益提高,正确、安全、方便的识别技术要求日益高涨。另一方面,由于指纹认证具有唯一性、稳定性,因此广泛应用于安全领域。现在,世界各地的警察署广泛采用指纹自动识别系统。90年代,个人认证用的自动指纹认证系统被广泛开发和应用。

 指纹识别是图案识别领域最古老、最成熟的生物识别技术,传感器技术、生物技术、电子技术、数字图像处理、图案识别一体化。

 指纹认证技术的关键在于,由于一次印刷的位置完全不同,着力点不同会导致一定程度的变形,另外由于存在许多指纹,如何正确抽取特征,实现正确的匹配。指纹识别技术涉及图像处理、图案识别机械学习、计算机视觉、数学形态学、小波分析等多个方面。


1. 3指纹认证系统


     指纹认证系统是包含指纹图像取得、处理、特征提取、核对等模块的一般模式认证系统。

   指纹图像取得:使用特殊的指纹读取器取得生物体的指纹图像。  现在,指纹领导以生物光学式、静电容量式、感压式为主流。对于分辨率和采集面积等技术指标,公安行业已经形成了国际和国内的标准,但其他统一标准不足。根据采集的指纹面积可大致分为转印指纹和平面指纹,公安行业采用了转印指纹。另外,也可以通过扫描仪、数码相机等取得指纹图像。 

   指纹图像压缩:需要压缩保存大容量指纹数据库,减少存储容量。 主要方法是wsq、JPEG、EZW等。 

 指纹图像处理:指纹领域的检测、画质的判定、直方图和频率推定、图像的强调、指纹图像的二值化和微细化等。


 二、指纹认证传感器

    指纹认证传感器主要实现取得指纹图像的功能,在系统内取得指纹图像时一般使用2种方式,光扫描取得和固体传感器取得。.  通过光扫描得到指纹图像一般使用全反射技术( FTIR )。将手指放置在棱镜上时,手指脊与棱镜接触,谷不与棱镜接触时,激光以一定角度照射到棱镜上进行全反射,由CCD阵列接收,取得指纹图像。固体传感器在传感器表面放置手指,传感器感知接触点,使电容器的电压变化,取得图像。固体传感器与光扫描相比具有体积小、集成度高、数字化等特征,但收集范围窄、光扫描受收集范围大小限制少。 最近,还出现了通过超声波反射测距取得的、对于被污损的指纹图像的耐噪声性强、能够取得比较清晰的指纹图像的超声波传感器的摄像图像。

 指纹传感器可大致分为光学传感器、超声波传感器、固体传感器:包括静电电容、RF、压电元件。


2.1固态指纹传感器

    现在市场上有2种固态指纹传感器。第一个是单次接触型传感器,需要使手指可靠地接触指纹采集区域。第二点是用手指擦拭传感器的表面,传感器收集特定数据,进行迅速的分析和认证。这两种类型的指纹传感器越来越广泛使用。

 上述2种传感器的动作原理是,在传感器容量的像素电极上放置指纹的凸部时,容量增加,通过检测增加的容量来进行数据收集。传感器内像素点为45平方微米,间隔为50微米,容量像素阵列的分辨率比500 dpi稍高。  这种传感器基于标准的1 -多晶硅三层金属CMOS工艺,采用0.5微米工艺设计。 

 金属布线的第3层构成电容像素层,由氮化钛构成,被氮化硅膜覆盖,厚度7,000发射极。 这种硬质金属电极和耐磨损涂层组合形成的传感器,其耐久性非常高,实现了长寿命化。

2.1.1指纹检查 

 人的指纹由紧密相邻的凹凸肌构成,通过使用每个像素点的标准参考放电电流,可以检测指纹的条纹。各像素首先被预充电至某个基准电压,然后通过基准电流放电。电容性阳极的电压变化率和其上的电容存在以下的比例关系。

 iref = c×dv/dt 

 指纹下面的像素(电容高)放电慢,指纹下面的像素(电容低)放电快。这种不同的放电速率由采样保持( s/h )电路检测,转换为8位输出。。该检测方法对指纹的隆起和凹坑具有高灵敏度,形成非常良好的指纹图像。该软件取得原来的指纹图像,将图像信息数字化,提取详细模板,测试提取的详细模板是否与参照模板一致。

2.1.2比较过程 

 快插式传感器和擦拭式传感器的尺寸和成本不同。接触式传感器大,通常有效接触面为15×15 mm,可迅速采集最大指纹和拇指指纹。易于使用,以500 dpi (自动指纹认证)的精度高速传送整个指纹图像。 

 现在,这些传感器被设计为用于美国政府机关及警察的指纹认证。将来,无需汽车的单触键即可访问系统,也可以用于新的国家安全应用程序。

 该传感器由256 (列)×300 (行)微小金属电极构成,各列与一对s/h电路连接。指纹图像依次逐行取入,各金属电极成为静电容量的一方的极,接触的手指成为静电容量的另一方的极。在元件的表面,作为2个电容电极间的电介质层,有1层的钝化层。将手指放在传感器上,则指纹的凹凸在阵列上生成不同的静电容量值,构成认证用的图像整体。

 擦拭型传感器是用户要求手指放在设备上新型指纹采集设备。擦拭式传感器的优点是尺寸较小和低成本。 这些设备主要用于手机和PDA等移动设备的嵌入式安全识别应用程序。通过高级图像重建软件,以接近2,000帧/秒的速度从传感器快速获取多个图像,整理各帧的数据详细内容。 

2.2 RF式传感器


    无线频率传感器根据静电电容式传感器进行扩展,手指本身作为控制基板使用,作为介质使用。将手指放在传感器区域周围,从手指生成低射频信号。然后,传感器检测信号。信号灯的扩展由指纹的波谷和山脊构成。传感器阵列计算扩散形成指纹的构成。通过动态优化射频信号频率和电平,获得最佳指纹图像。由于指纹最表面干燥的死皮细胞的导电率低,因此RF传感器从具有一定湿度和导电性的活细胞和角化皮肤的迁移边界领域取得指纹数据。该活性表皮层构成指纹图案,难以受到指纹表面的损伤和磨损的影响。无线电频率传感器产生高品质的图像,因此无线电频率是最可靠、最强大的解决方案。另外,通过高质量图像,能够在不牺牲认证的可靠性的情况下实现传感器的小型化,能够实现成本的降低,能够将无线频率传感器的思想应用于没有移动和尺寸制约的区域。

2. 3信息和认证 

 确实,手机性优异的低成本指纹认证技术对我们的生活有很大的影响。例如,今后警察可以在犯罪的多发地区阻止要求指纹代替身份证明和汽车驾驶证的嫌疑人。这个人可以将右手的第1根、第2根或第3根手指放在与无线PDA连接的感应器上,迅速地将嫌疑人与以前的犯罪记录进行对照确认。

 这种认识技术对遭到盗窃的手机用户也有帮助。接通手机电源时,用户用手指描绘传感器,如果进行认证,则需要允许使用手机功能的高速认证过程。如果不是被许可的用户,手机将保持被锁定状态。如果多次认证失败,手机会从内存中删除重要信息并关闭。

 在语音邮件的应用程序中,拨打语音邮件号码后,用户只需将手指放在传感器上就可以识别系统。使用指纹认证的话,就不需要使用邮箱的密码和个人识别号码了。

 在今后的汽车应用程序中,用户可以输入家属的指纹样本,进行认证并驾驶。注册过程非常简单。各许可成员将手指放在传感器上,根据个人的喜好设定汽车的各种参数,将这些设定保存在车载的计算机存储器中。

 驾驶员进入汽车后,手指触碰传感器开始识别处理。小于1秒时,检测到的指纹模板与保存的模板进行比较,制作出适合驱动程序的设定。与指纹模板一致的软件保存在装入汽车的1个模块中。指纹核对成功后,汽车按照编程的内部参数控制反射镜、儿童座椅、无线基站、车内空气环境。另外,也可以控制运转速度。如果驾驶员只有10岁的孩子,将速度限制在每小时55 km。这些功能的实现有很多有用性。

2. 4更安全地访问移动互联网 

  随着半导体和软件技术的进步,手机逐渐成为随时随地获取个人和企业数据的移动终端。因此,为了防止非法访问,需要确保用户访问的安全性。以往的法执行机构采用的不是整个图像,而是仅保存指纹上的特定点的数据的指纹认证方式,因此采用的方法比生物特定指纹扫描系统效率高、可靠性高。 

 这样的检查的所有处理过程,首先分为设备采集手指的生物样品的阶段和设备采集手指的生物样品的阶段。然后,使用预先创建的公式或算法,从样本中提取自己的数据,并将其转换为模板。 注册认证程序从指纹的30~40个特征点中提取包含构成某个指纹细节的光圈的分支点和终端点在内的至少7个特征点进行认证,并进行特征点间的距离和定义。

 进行注册时,信息代码被保存,成为今后用户认证的参考模板。用户进入系统时,用手指描绘传感器领域,比较获取的场扫描模板和基准模板。1秒或2秒即可完成。 

  通过比较,可以判断此现场扫描模板是否包含与参照模板一致的足够的生物数据,并判断是否一致。如果不一致,认证会失败,等待下一个认证。 

 该指纹检测系统性能高,误判有效指纹的概率不足1 %,几乎不可能将无效指纹误判定为有效指纹,其概率不足0.01 %。

2.5新设计

 热电材料根据温度差产生电压。手指与传感器表面接触时,传感器感应到热量,指纹上的凸部接近传感器表面,因此高于远离传感器表面的沟部的温度。 at77c104bfingerchip利用这种热成像技术进行指纹采集的传感器。 1个CMOS集成电路中内置检测数据转换电路的线性传感器。 指纹图案是在检测领域扫描指纹而得到。最初接触时会生成指纹图像,但会立即产生热平衡,图像会立即消失,因此需要用于得到稳定指纹图像的扫描方法。

 at77c104b传感器0. 4 mm×11. 6 mm的面积是500 dpi的分辨率,每帧总共有8×232像素,即1856像素。各像素以4位进行编码16灰度等级。传感器包括阵列、模拟/数字转换器、芯片上振荡器、控制/状态寄存器、导航/点击单元、低速/高速动作模式用分离接口等。低速模式以200 khz动作,可进行传感器的编程、控制、构成。 以16 MHz的高速模式执行数据收集。 芯片上的加热器用于增大手指与感应器的温差。为了限制消耗电流,采用了在指定的时间后停止模块加热的监视计时器。


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