指紋識(shí)別傳感器的分類和實(shí)現(xiàn)解析

我們了解過了指紋識(shí)別的大致流程后，這篇文章用來介紹指紋識(shí)別硬件中最重要的部分，傳感器。其實(shí)傳感器、芯片也要符合物理學(xué)的基本原理，他們都是物理學(xué)的原理的一種實(shí)現(xiàn)，我們可以從光、電、聲、熱、力這幾個(gè)基本的物理研究領(lǐng)域中展開，看看今天主流的指紋識(shí)別傳感器的分類和實(shí)現(xiàn)。

光學(xué)傳感器的發(fā)展歷史可能是最久的了，已經(jīng)有30年的歷史了。實(shí)現(xiàn)的原理也是最簡單的。 它主要是利用光的折攝和反射原理，將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會(huì)不一樣。用棱鏡將其投射在電荷耦合器件上CMOS或者CCD上，進(jìn)而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。

圖1

光學(xué)指紋傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1. 抗靜電能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好、使用壽命長

2. 靈敏度特別的高

3. 能提供高分辨率的指紋圖像（可以達(dá)到500 dpi）。

缺點(diǎn)也很明顯：

1、潛在指?。ǘ啻伟磯海?，會(huì)降低指紋圖像的質(zhì)量

2、臺(tái)板涂層及CCD陣列會(huì)隨時(shí)間推移產(chǎn)生損耗，可能導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量下降

3、體積比較大，功耗控制不好

用途：

鑒于光學(xué)傳感器的體積都比較大，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在指紋門鎖，保險(xiǎn)箱，汽車指紋防盜。

發(fā)展：

光學(xué)傳感器在傳統(tǒng)對(duì)體積、功耗要求不是苛刻的行業(yè)中還占有很大市場份額，但是在手機(jī)等移動(dòng)終端這個(gè)大市場迷失了。

16年底SynapTIcs發(fā)布了FS9100這種新型的光學(xué)sensor，主要是看中了光學(xué)傳感器的穿透性（可以穿透1mm左右的glass），目標(biāo)是underglass。而且隨著In Display屏內(nèi)指紋識(shí)別的大趨勢(shì)，光學(xué)傳感器必然又會(huì)帶著新技術(shù)卷土重來。

電容式傳感器應(yīng)該是目前手機(jī)及便攜式終端設(shè)備最熱門的了，當(dāng)然，存在即合理。既然電容式傳感器占有了這么大的市場，它有什么優(yōu)勢(shì)呢？

其原理是將電容感整合于一塊芯片中，當(dāng)指紋按壓芯片表面時(shí)，內(nèi)部電容感測器會(huì)根據(jù)指紋波峰與波谷而產(chǎn)生的電荷差，從而形成指紋影像。如下簡圖，可以把上面的凹凸認(rèn)為是指紋的谷和脊，那么同傳感器就會(huì)形成不同的電容差，這樣傳感器就可以根據(jù)這些不同的電容差畫出指紋的紋理。

電容傳感器又分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，我們可以先參考下面兩張圖。

主動(dòng)式：

原理主要是通過外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（如Ring）加載到手指上以增強(qiáng)手指表面的電荷，使底下的感應(yīng)陣列接收電場信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，根據(jù)指紋凹凸不一致底下芯片感應(yīng)到的電場也不一致從而重現(xiàn)指紋（如下圖）：

這里寫圖片描述

被動(dòng)式

工作原理則不一樣；其是利用手指按在芯片表面時(shí)，指紋的波峰波谷對(duì)芯片內(nèi)部電容上下電極電荷分配的比例影響程度來對(duì)指紋進(jìn)行重現(xiàn)指紋，無需額外增加驅(qū)動(dòng)源，芯片結(jié)構(gòu)非常單純（如下圖），也因?yàn)闊o額外驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以模組也無需外置Ring，模組結(jié)構(gòu)也非常簡單。

這里寫圖片描述

主動(dòng)式和被動(dòng)式的原理也很好辨別，主動(dòng)式就是額外加了激勵(lì)電源?？梢韵胂笾鲃?dòng)式的電容傳感器穿透會(huì)比較強(qiáng)，但是無可厚非的會(huì)帶來更多的噪聲，所以究竟是主動(dòng)式還是被動(dòng)式的傳感器好，不能一概而論，還是要看各家的技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：

1、芯片和模組可以做的很薄

2、功耗更容易控制

缺點(diǎn)：

1、穿透率比較低

2、價(jià)格相對(duì)較高

3、防水、防污性不強(qiáng)

發(fā)展：

電容式的傳感器到目前來說，是使用最普遍的。但是，眼看著指紋識(shí)別要向屏內(nèi)指紋識(shí)別的方向發(fā)展，而電容式的穿透率大概在200um左右，基本的玻璃蓋板都很難穿透，而且需要透明顯示的物理特性也無法滿足。所以，電容式的傳感器在將來肯定還是會(huì)占據(jù)了傳感器的大片江山，但是高端市場收到的沖擊，卻無能為力。

如果把射頻傳感器劃到光學(xué)傳感器的范疇中未免有些牽強(qiáng)（光也是一種特殊的電磁波），射頻指紋模塊現(xiàn)階段包含無線電波探測與超聲波探測兩種，

射頻傳感器原理

原理與探測海底物質(zhì)的的聲納類似，是靠特定頻率的信號(hào)反射來探知指紋的具體形態(tài)的。這一類指紋模塊最大的優(yōu)點(diǎn)便是手指無需與指紋模塊相接觸，因而不會(huì)對(duì)手機(jī)的外觀造成太大影響。基于這一點(diǎn)，射頻指紋模塊也成為了未來指紋識(shí)別的主要發(fā)展方向之一。

超聲檢測原理是相同的，就是依靠反射波的時(shí)間差探知脊和谷的距離差，根據(jù)這個(gè)距離差繪制出指紋圖像。

超聲波傳感器原理

特制的晶片（稱為換能器）在電脈沖的激勵(lì)下，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)（類似于人摸一下電門渾身一抖），振動(dòng)產(chǎn)生超聲波脈沖（pulse），超聲波脈沖在傳播過程中，會(huì)被傳播介質(zhì)（如人體）一部分一部分地被反射或者散射回來（echo），尤其是介質(zhì)中物理性質(zhì)不連續(xù)的地方，（比如手機(jī)上方的一根手指），反射波尤為強(qiáng)烈。反射或散射回?fù)Q能器的回波，又使換能器產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)被換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)于電信號(hào)進(jìn)行不同的處理，可以得到不同的信息，比如傳播介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，有沒有運(yùn)動(dòng)的物體在介質(zhì)中，介質(zhì)的彈性等等。

如果把超聲波的聲束想像成一條線，那么一次超聲PULSE-ECHO得到的通常只有一條線的信息，指紋至少是一個(gè)面，用超聲掃描的方式在不同的位置進(jìn)行PULSE-ECHO就能夠得到一系列線的信息，從而獲取整個(gè)指紋信息。醫(yī)院里用的超聲成像設(shè)備也大多就是這樣的工作原理。

雖然從物理學(xué)角度講，可以通過力學(xué)（即按壓）或者熱學(xué)（即溫差）來實(shí)現(xiàn)脊和谷的判別。但是在實(shí)際實(shí)現(xiàn)的sensor卻沒有很大的可行性。

力的傳導(dǎo)需要一個(gè)比較硬的傳導(dǎo)載體，但是如果載體比較硬，那么指紋這么微小的距離差異，形成的圖像必然是模糊一片；熱敏sensor也曾經(jīng)被開發(fā)過，但是熱敏傳感器受外界溫度、兩次按壓時(shí)間間隔影像太大，無法達(dá)到消費(fèi)級(jí)電子的要求。因此這兩種傳感器都匿跡在時(shí)間的長河中。

其實(shí)不管是指紋傳感器，還是其他各種傳感器，運(yùn)用第一性原理，都可以找到原理的根源。對(duì)于我們這些工科生深入了解一個(gè)技術(shù)、一個(gè)行業(yè)，都是有很大裨益。