指纹传感器的工作原理及应用
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2021-01-19
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指纹传感器的工作原理及应用指纹传感器的工作原理及应用
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、汽车无钥匙进入系统等的应用。
前市场上有两种固态指纹传感器：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。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.
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、汽车无钥匙进入系统等的应用。
前市场上有两种固态指纹传感器：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。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：
ref=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。
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
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
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、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过程，用户将其手指划过传感器，如果
通过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
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