指纹识别技术在手机中的研究与应用

### 指纹识别技术在手机中的研究与应用 #### 1. 引言 指纹识别技术作为一种新兴的高新技术，近年来得到了快速发展。该技术利用每个人独特的指纹特征进行身份验证，确保了高度的安全性和稳定性。指纹识别与其他生物识别技术（如虹膜识别、面部识别）相比，在技术成熟度、可靠性、物理构造、成本等方面更加适合移动设备，特别是手机的应用场景。 #### 2. 指纹检测原理 人类指纹由一系列紧密排列的凹凸纹路构成。通过对像素点上的电容变化进行测量，可以检测到指纹的具体情况。具体来说，每个像素点首先被预充电至一定的参考电压，随后通过参考电流进行放电。电容阳极上的电压变化率与电容大小成正比： \[ I_{\text{ref}} = C \times \frac{dv}{dt} \] 位于指纹凸起下的像素点（电容量较高）放电较慢，而位于指纹凹陷下的像素点（电容量较低）放电较快。这种不同的放电速率可以通过采样保持(S/H)电路检测出来，并转换为8位数字输出。这种方法能够有效地区分指纹的凸起和凹陷部分，从而形成高质量的原始指纹图像。 现代指纹识别系统通常采用触摸式的CMOS传感器来提取指纹信息。当手指的凸起部分接触到传感器的电容像素电极时，电容会发生变化，通过检测这些变化可以获取数据。这类传感器基于标准的单一多晶硅三层金属CMOS工艺制造，并采用0.5微米工艺设计。金属互连的第三层构成了电容像素层，由氮化钛制成，并覆盖有一层7000埃厚的氮化硅。这种硬金属电极与耐磨涂层结合形成的传感器非常坚固耐用，其使用寿命可达多年。 #### 3. 硬件设计 ##### 3.1 传感器选择 目前市面上主要有两种类型的指纹识别传感器：单触型与划擦型。单触型传感器要求手指在采集区域内可靠地接触；而划擦型则需要手指在传感器表面滑动，传感器会采集一系列数据并进行快速分析和认证。 本研究选择了Veridicom公司的FPS200作为指纹传感器。FPS200拥有1.28cm x 1.50cm的传感区域，包含256x300的传感阵列，分辨率为500dpi。它内置8位模数转换器，可以直接输出数字化的图像信号。FPS200支持微处理器总线、SPI总线和USB总线三种接口模式，并且可以方便地定义所需的传感阵列区域。基于电容充放电原理，FPS200的传感阵列中的每一个点都是一个金属电极，与手指接触的部分形成了电容器的另一极，两者之间的传感面构成了电容两极间的介电层。由于指纹的脊和谷导致了传感阵列中各个电容值的不同，传感器将这些电容值数字化后输出。这些特性使得FPS200非常适合于智能手机的指纹识别应用。 #### 4. 软件算法 指纹识别软件的主要功能包括：采集原始的指纹图像、将图像信息数字化、提取指纹中的细节特征模板、并与参考模板进行匹配测试。常用的指纹识别算法包括传统的指纹匹配算法，这些算法能够有效地识别和验证用户的指纹信息。 #### 5. 结论 指纹识别技术在手机中的应用具有重要的意义。它不仅提高了手机使用的安全性，还带来了极大的便利性。随着技术的进步和成本的降低，指纹识别技术将会更加广泛地应用于各种移动设备中，为用户提供更加安全、便捷的服务。