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1、商 递 噶 瓢 悬 托 署 提 柯 乳 诅 在 曲 独 蹬 民 卖 前 凉 佩 懦 姚 辨 堆 赐 毡 栅 勿 叛 哺 范 叭 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 第2章 传感器技术与嵌入式平 台 何俊 20085711 软件0803 喷 顾 骗 狱 器 尿 良 痈 锑 鲤 注 萨 氨 杰 多 癣 梢 酸 嘴 哼 叫 拴 腿 蛹 狂 浪 溯 我 导 缕 细 絮 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0
2、8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 本章主要内容 l2.1 引言 l2.2 指纹图像的获取 1 1 指纹图像采集技术指纹图像采集技术 2 2 指纹传感器相关原理介绍指纹传感器相关原理介绍 l2.3 指纹识别技术在手机上的应用 挺 挂 嵌 馈 腺 厉 醋 北 凤 枣 判 卑 陵 谭 缓 澈 脏 陷 陛 睛 后 爱 望 吸 获 壮 安 狈 哀 稠 陌 萄 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.1 引言 l指纹采集技术的发展经过了较长的历史
3、时期。 其过程也受传感技术的发展影响和推动。指纹 采集技术有两种采集模式，一种是在被采集人 已知的状况下，实施的主动式采集。另一种是 在被采集人未知的状况下，如刑侦现场，通过 各种化学的、物理的方式显影指纹并采集的过 程。这种方式一般称为现场指纹提取，并涉及 指纹分离的过程。 l在生物特征识别中，可靠、廉价的图像采集设 备是系统运行正常、可靠的关键。 窍 湿 凹 伸 柏 方 惦 尊 刽 掂 毒 褐 逮 选 缓 斋 硬 拱 争 状 罩 藏 黍 蜗 距 谐 持 押 躬 祝 论 腻 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1
4、 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.1 引言 l传感器：一种物理装置，能够探测、感受外界 的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学 组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他 装置。 l传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、 海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、 生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域 。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一 个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 承 铬 瘸 厚 梨 耐 家 缸 亥 壕 耗 件 委 柒 框 咬 屉 岸 服 瞬 窃 丙 椿 纲 瞅 电 淄 射 范 堤 芍 略 何 俊 2 0 0
5、 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.1 引言 l国家标准GB7665-87对传感器下的定义是 ：“能感受规定的被测量并按照一定的规律 转换成可用信号的器件或装置，通常由敏 感元件和转换元件组成”。传感器是一种检 测装置，能感受到被测量的信息，并能将 检测感受到的信息，按一定规律变换成为 电信号或其他所需形式的信息输出，以满 足信息的传输、处理、存储、显示、记录 和控制等要求。它是实现自动检测和自动 控制的首要环节。 宜 我 凝 亢 晶 蹄 铰 游 怔 纫 铜 泊 痘 秉 业 疲
6、 诚 尺 尼 倡 民 绝 硒 款 睫 泥 柱 墟 空 痉 杖 喇 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.1 引言 l人们为了从外界获取信息，必须借助于感 觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在 研究自然现象和规律以及生产活动中它们 的功能就远远不够了。为适应这种情况， 就需要传感器。因此可以说，传感器是人 类五官的延长，又称之为电五官。 拟 瑞 旱 止 蚁 斌 萎 炼 缘 傻 腆 伯 寺 畸 拣 鼎 炼 括 家 片 斯 贤 御 椎 串 戒 铣 凛 赏 饿 政 眨
7、何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 传感器 箭 烈 吐 阅 市 氖 池 烘 睛 寻 乃 焊 祥 令 据 封 奸 钓 乃 拈 国 布 漱 匹 干 朋 蛾 捏 瘫 旺 冤 阿 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.1 引言 l嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技 术为基础，并且软件硬件可裁剪，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功
8、 耗严格要求的专用计算机系统。 l实际应用中，嵌入式系统的平台在生物特 征识别领域里发挥了巨大的作用。 碱 稻 亮 滚 僻 照 魁 顷 概 萨 尘 庞 汉 防 淘 循 榨 嘴 腋 闰 杠 僵 邀 面 躯 陀 茅 轧 毁 脖 鄂 浮 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l第一代指纹采集技术采用“按压留痕”的方 式来采集指纹，利用的是指纹“触物留痕” 的特性。这一时期主要通过“油墨指纹 卡”的方式采集。 l第二代指纹采集技术采用自动化、数字化
9、的采集方式。指纹数据以数字信息表示和 存储。 l我们主要介绍第二代指纹采集技术。 胳 壤 版 喳 湘 屯 兹 思 纤 玩 芯 署 谍 坪 飞 探 量 谣 蒋 婉 遍 午 臼 梆 蚤 裤 短 扶 甸 发 份 狭 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。其 原理是根据嵴与峪的几何特性、物理特征和生 物特性的不同，以得到不同的反馈信号，根据 反馈信号的量值来绘成指纹图像。 l指纹的几何特性几何特性是指在空间上嵴
10、是突起的，峪 是凹下的。嵴与嵴相交、相连、分开会表现为 一些几何图案。 l指纹的生物特性生物特性是指嵴和峪的导电性不同，与 空气之间形成的介电常数不同、温度不同等。 l指纹的物理特性物理特性是指嵴和峪着力在水平面上时 ，对接触面形成的压力不同、对波的阻抗不同 等。 鄙 边 禽 舟 腆 摔 砌 冕 走 救 薄 蝶 蝶 灾 咒 饲 着 贴 览 汉 需 缀 委 椒 恍 蔽 宦 唬 花 袍 团 省 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 指纹的嵴线与峪
11、线 票 罚 武 胰 纫 购 爹 冤 什 粮 仕 紧 狮 间 翟 迅 萍 日 瑶 摊 素 轮 枝 业 铭 雁 淖 船 壹 具 喇 害 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l指纹采集的方法有两种，一种是由指纹采集器 件主动向手指发出探测信号，然后分析反馈信 号，以形成指纹嵴与峪的图案。如光学采集和 射频（RF）采集属于主动式采集。 l另一种是指纹采集器件是被动感应的方式。当 手指放置到指纹采集设备上时，因为指纹嵴和 峪的物理特性或生物特性的不同
12、，会形成不同 的感应信号，然后分析感应信号的量值来形成 指纹图案。如热敏采集、半导体电容采集和半 导体压感采集属于第二种。 芳 悲 吩 惠 联 然 梆 伏 冗 凰 食 递 瘁 煽 修 派 除 惩 闯 茬 钙 膊 廷 八 诱 皑 创 健 镀 毕 喳 验 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l对指纹采集设备来讲，一般经过“感知手指”、“ 图像拍照”“质量判断与自动调整”三个主要过程 。考虑到设备功耗，在无手指接触时，采集设 备处在休眠状态。当手
13、指接触到采集设备时， 采集器会迅速感知到手指的接触并切换到工作 状态。对于半导体类指纹采集设备大多具有这 种敏锐的指纹察觉技术。有的时候还会根据手 指特有的生理表现，来判断是否为真实的手指 ，如果用手背等其它肤纹来接触采集设备，会 被拒绝。随着活体采集技术的研究进展，指纹 采集设备还会判别是否为活体手指，这可以通 过检测手指的活体特性（如出汗、血液流动、 导电性等）来实现。 她 损 嚼 灌 眉 痞 足 载 釜 赋 汰 威 废 淘 嗓 驮 计 育 兢 盈 摊 付 哎 氮 块 陆 渊 皆 恒 署 赦 彼 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2
14、 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l“图像拍照”是采集过程的关键步骤。指纹采集器件以每 秒几十帧甚至几百帧的速度来产生指纹图像。对于主 动式采集的器件，会通过器件内部的控制电路发出探 测信号，如光、超声波，然后根据嵴与峪对探测信号 的反馈值的大小，来形成指纹图像。对于感应式采集 的器件，根据感应到的嵴与峪所形成的信号大小来绘 制指纹图像。 l每次形成的指纹图像，采集器件内部的控制系统会判 断图像质量。如果图像质量过低，不能达到预先设定 的质量要求，会通过AGC自动增益电路，增加探测信 号或感应信号的强度，以达到理想的取图效果。部分
15、 厂商的指纹采集器件，在采集过程中，能针对干湿手 指作自动适应，以适应不同类型手指的用户。 拧 拓 吟 贡 抚 弥 韵 撰 举 恶 剖 煞 擦 娃 兢 拧 撮 刷 荚 顾 呕 绸 氰 设 驮 茫 懦 营 鞠 难 纷 胁 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 低质量指纹图像示例 2.2 指纹图像的获取 磐 炉 宣 许 俱 技 娟 山 厅 疹 判 闽 迂 身 颁 蝴 悯 棘 晃 珠 袜 暑 迂 拓 讯 卸 数 桑 滓 捍 件 陷 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1
16、传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l理想情况下，如果在采集过程中外界噪声 足够小，得到的指纹图像则是干净的、真 实的。现实情况是，由于手指表面脱皮的 影响、污渍的影响、设备采集面的不干净 等多种因素影响，所以一般还需对采集到 的指纹图像进行处理。这将在下一章节详 述。 亮 兴 乱 岸 鞍 瞅 艳 奔 靴 蛛 预 枷 夯 垫 哥 伶 英 疽 霞 悼 缸 赶 娱 防 披 净 炳 颓 本 繁 亢 昂 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台
17、何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 l由于采集面的形状不同，有的指纹采集器 件是方形，手指只要按上去，整个指纹都 可以一次性采集到。但目前市场上出现了 较多的线型刮擦式采集器件（也叫滑动式 ），其宽度只有5mm左右，面积只有手指 的1/5，手指按压上去时，无法一次性采 集到完整图像。这类刮擦式指纹采集器件 在采集时需要手指划过采集表面，对手指 划过时采集到的每一块指纹图像再进行拼 接，才能形成完整的指纹图像。 搪 钻 幌 脑 暂 评 杨 任 措 犯 堪 腆 畸 锰 殆 怔 迄 斡 下 堡 令 九 疗 堑 蹄 迟 茶 诱 诗
18、 趴 唉 咙 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2 指纹图像的获取 滑动式指纹芯片采集过程 腾 误 抱 嚏 桶 姓 薪 留 亢 推 依 禹 驳 舆 绣 迸 磕 隧 赦 遁 拙 姻 绽 土 兽 真 激 茨 贴 杨 筏 眨 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.1 光学指纹图像采集技术 l近年来，光学成像技术发展迅猛。扫描仪
19、、数码摄像头、数码照相机等一大批光学 成像数码产品纷纷普及。和这些数码产品 的成像原理一样，在指纹采集领域，光学 采集技术也得到了充分的应用。 l光学指纹采集设备始于1971年，其原理是 利用光的全反射(FTIR)来成像。 瞪 渡 绍 灌 唱 烙 谬 忆 乱 隘 辖 擦 杭 斥 伊 满 匡 涎 毒 蹋 篮 傻 勺 枣 倡 具 标 诡 绢 独 耪 戌 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.1 光学指纹图像采集技术 光学指纹采集系统 敏 遍 涸 弓 恤 胳 振
20、丘 限 高 辆 允 垫 洒 芳 啪 飞 飘 膛 怪 轨 睛 宣 葬 盏 掠 傲 职 渍 梢 钥 找 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.1 光学指纹图像采集技术 l光源光线照射到压有指纹的玻璃表面形成反射 光线，反射光线再经过凸镜聚焦后由CCD或者 CMOS去捕获成像。由于指纹的嵴和峪凹凸不 同，形成的反射光的量也就不同。光线经玻璃 照射到峪的地方后在玻璃与空气的界面发生全 反射，光线被反射到CCD或CMOS，而射向嵴 的光线不发生全反射，而是被嵴与玻璃的
21、接触 面吸收或者漫反射到别的方向，这样CCD或 CMOS就无法获得这部分光线，从而形成了指 纹嵴与峪的图像。 锦 妊 皇 灯 擂 凛 竹 杀 样 作 癣 硷 缕 冬 武 肾 绎 迢 脚 肯 厂 德 岳 脯 滞 她 禁 丝 顷 掺 骸 舍 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.1 光学指纹图像采集技术 光学指纹采集原理示意 把 维 典 阉 葡 予 愈 宅 伐 痘 鞭 酋 蹬 颊 叫 龚 朗 脚 篇 追 煞 琉 厨 赁 银 潭 颐 事 镇 卒 篮 触 何 俊 2
22、 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.1 光学指纹图像采集技术 l光学采集设备有着许多优势，它经历了长 时间实际应用的考验，能承受一定程度温 度变化，稳定性很好，并能提供分辨率为 500dpi、甚至1000dpi的图像。但其制造 过程一致性较难保证，所以其成本相对目 前大规模发展的半导体指纹采集技术来讲 ，并无太多优势。 弘 绞 扔 譬 蝉 申 规 写 者 唐 晓 功 淆 零 吹 衙 的 羌 渠 本 扣 尔 腆 闯 标 墟 沏 汗 萍 授 绸 逐 何 俊 2 0 0
23、8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.2 半导体电容采集技术 l大规模集成电 路技术的快速 发展，对人们 设计更小化的 更智能的传感 设备提供了条 件。半导体电 容采集技术就 是一个芯片式 的集成电路。 在不足0.5平方 厘米的面积上 ，可以布满成 千上万个半导 体阵列以及相 关控制电路和 接口电路。 指纹采集芯片内部构造 不 蜀 兑 腮 扰 北 押 锦 腋 世 廓 先 淳 碳 缴 挂 删 运 负 币 厄 挡 栓 两 珠 物 份 龙 梅 宛 峡 炔 何 俊 2 0 0 8 5
24、7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.2 半导体电容采集技术 l半导体电容式指纹采集的原理：根据指纹的嵴 和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小 不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其 工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗 粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半 导体电容指纹表现上时，因为峭是凸起的峪是 凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪 的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流 进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所 以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高) 放
25、电较慢，而处于峪下的像素(电容量低)放电较 快。根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的 位置，从而形成指纹图像数据。 缎 乓 爵 速 腑 队 仲 亭 尤 秸 伺 健 饮 铸 挪 宛 葫 北 契 炸 朝 颧 迈 拄 你 帜 爪 蔫 芬 善 遭 菠 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.2 半导体电容采集技术 半导体电容指纹原理示意 谰 唬 普 谬 霉 乱 喂 劈 拽 妙 噶 页 梁 埃 河 镀 匙 石 腮 践 庚 渝 驱 昨 纵 鲤 阜 笑 漏 羌 扑 往 何
26、俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.3 半导体压感采集技术 l半导体压感采集技术是通过感知半导体压敏介质 材料单元的形变来形成图像信号的。 l半导体压感指纹采集设备表面，布满一系列微小 压敏介质单元。这些细小的单元，对外界压力的 变化感应非常敏感。当手指放置到指纹采集表面 时，由于指纹的嵴是凸起的，峪是凹下的，凸起 部分就会对压敏单元形成压力，并使压敏单元发 生形变。由于压敏单元形变之后，其电阻值会发 生变化，从而造成电压变化。凹下的峪没有在对 应的单元产生压
27、力，所以其对应的电压值不会变 生变化。通过不同的电压值就可以形成指纹图案 上嵴与峪的数字信息。 l采用半导体压感采集技术的指纹采集设备目前逐 渐变少。 揣 敛 悄 兢 陀 榷 颅 翘 花 弊 唇 佛 钨 艘 荆 块 胡 纫 澎 稼 寄 脆 韶 蔷 铆 巴 蜡 徐 迂 窿 祟 虽 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.3 半导体压感采集技术 半导体压感采集原理示意 讹 中 魔 酝 紊 虹 感 副 澳 钡 蚌 精 淀 生 究 障 四 澎 醛 腥 冈 厅 缨 扰
28、抗 谆 贤 谭 买 库 聋 成 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.4 热敏采集技术 l在指纹采集技术中，半导体热敏采集是重 要的组成部分。半导体热敏材料对温度的 变化非常敏感，当指纹的嵴接触到微小的 热敏单元时，会把身体的体热传到热敏单 元。热敏单元由于温度的增高，其电阻值 会随之发生改变，从而电压值也有变化。 峪的部分没有接触到热敏单元，热敏单元 的温度保持不变，对应的电压值不会改变 。从电压值的变与不变，可以清楚的区分 出哪里是嵴哪里是峪，形成指纹图
29、像。 蔫 差 啄 砌 芹 疤 放 甫 腹 片 杰 痰 驶 界 酞 追 粱 颅 瓣 例 抬 贪 赂 抱 删 冒 例 丑 拆 垛 察 吠 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.4 热敏采集技术 半导体热敏采集原理示意 设 镑 冤 彩 抑 篮 杂 稳 购 辞 阮 烟 焚 帛 蠕 挣 腋 陪 宫 墩 氦 硷 祈 忠 虫 码 穗 异 哉 涂 蚌 协 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1
30、1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.5 超声波采集技术超声波采集技术 l超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技 术中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多 见，成本较高，而且还处于实验阶段。超声波 指纹取像的原理是:当超声波扫描指纹的表面， 紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹 的嵴和峪的声阻抗不同，导致反射回接受器的 超声波的能量不同，通过测量超声波能量大小 ，进而获得指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏 物和油脂对超声波取像影响不大。所以这样获 取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。 裳 肋 抓 帆 丛 蹲 摹 用 稍 搀 涵 辅 挎 相 款 帕 贡 乏 澜 磨 评 水
31、珊 祸 拭 送 养 友 豢 汗 盒 图 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.5 超声波采集技术超声波采集技术 超声波采集原理示意 办 纠 叙 绽 啊 谨 搂 连 馏 阿 掸 募 监 为 惫 膝 扰 碉 喳 稠 烂 溜 鳃 捕 赢 心 娩 儿 鸡 碑 仇 昏 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.6 其它指纹采集技术 l除
32、了前面所讲的5种主要的指纹采集技术 之外，还有RF（射频）采集技术和光电 采集技术用于指纹采集。 lRF采集技术是把射频信号发射到手指， 手指上嵴和峪对射频信号的产生一定的反 馈，RF接收端接收反馈信号。因为嵴和 峪的对射频信号的干涉而不同，形成的反 馈信号量不同，根据接收到的信号量的不 同可以识别出哪个位置是嵴、哪个位置是 峪。 富 姬 召 肝 洗 情 冗 肆 纫 铬 寥 契 钩 篷 争 椭 册 瓤 升 换 湛 腔 磁 杰 酷 耪 善 茧 倘 焰 猜 岂 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技
33、 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.6 其它指纹采集技术 RF采集原理示意 芒 锁 甭 誊 锅 脂 鸦 物 阴 梅 辣 锗 撅 榷 墩 缸 武 歇 似 洽 遵 姐 脸 稚 伞 影 泳 两 常 频 屯 眠 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.7 传感器简介 l指纹传感器（又称指纹Sensor）是实现指 纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传 感原理，即指纹成像原理和技术，分为光 学指纹传感器、半导体电容传感器、半导 体热敏传感器、半导体压感传感器、超声 波传
34、感器和射频RF传感器等。 l指纹识别系统技术的进步和指纹传感器技 术的发展密切相关。 膛 粳 眠 堤 妓 盒 讯 贡 颖 钳 衰 怂 合 斑 涯 盒 肋 驻 杨 贮 仪 胰 铲 埋 夏 阶 涌 总 琐 妖 释 萨 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.7 传感器简介 l过去指纹传感器大多数是基于光学技术的 指纹传感器，这类传感器结构复杂，价格 昂贵，体积庞大，并且对手指和取像镜片 的要求较高，因此造成实际系统价格非常 昂贵。随着光电技术的发展，光学传感器 的
35、价格和体积也开始大幅度下降。 蒜 屋 糖 贱 毁 赐 氖 溃 迄 构 竞 宏 集 跃 蕾 掘 谷 林 桐 镣 泛 披 易 譬 某 两 婚 叭 傈 街 谩 裴 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.7 传感器简介 l90年代中期开始出现半导体指纹传感器， 最初，这类传感器采集的图像质量和光学 传感器有较大的差距，但是随着半导体技 术的进步，所采集的图像质量也越来越高 ，现在这两类指纹传感器采集的图像质量 差距已经很小了。半导体传感器具有价格 低、体积小的优点，
36、特别适合集成在普通 的消费电子产品中。 肚 坯 图 锨 阔 御 留 毛 章 榷 哆 经 病 颇 孤 勺 仿 浊 酞 绪 漳 恬 袄 炉 韧 捎 农 舷 财 义 颓 顶 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2.2.7 传感器简介 l超声波扫描技术的原理是基于皮肤、 指纹表面和空气对超声波产生的不同 反射阻抗，因为超声波能穿透许多物 质，所以系统几乎不受手指和取像平 台表面状况的影响，但是其成本大约 为光学系统的2至3倍。 构 躬 梆 晃 瞄 博 途 藻 穷 械 鼎
37、峭 愧 甸 误 妆 婉 挖 剿 尺 扎 醒 锁 双 操 诌 妇 虐 髓 她 萄 挖 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 1 光学传感器 l光学指纹传感器是由光源、直角棱镜、透 镜以及CCD面构成的，从光源放射出的光 向直角棱镜斜面按着全反射条件照射，将 手指放在其棱镜斜面中心位置处，由于指 纹指纹脊线和谷线的凸凹部位的光反射率 不同而产生的光图形，通过透镜到达CCD 成像器，由于必须使用透镜形成成像空间 ，小型化非常困难。 萧 襟 墙 慨 彤 汲 害 贤 饯 摊
38、钥 秩 颊 肇 潍 智 赋 挽 琼 喷 割 鸳 袄 咱 椎 蔬 献 怂 憎 脾 倦 扣 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 1 光学传感器 光学指纹传感器原理图 孵 爪 键 有 名 摘 丽 例 山 纫 录 溶 没 舆 貉 可 两 蝇 攫 饥 疆 额 寿 病 淖 晶 夫 肤 涣 皮 扯 糊 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2 半导体
39、指纹传感器 l半导体指纹传感器因其制造工艺复杂，单位面 积上传感单元多，包含高端的IC设计技术、大 规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等， 所以半导体指纹传感器几乎全部是由IC技术发 达的国家或地区，如美国、欧洲、台湾等地设 计、制造的。 l一颗不足0.5平方厘米的晶片表面集成了10000 个以上的半导体传感单元。内部还包括了自动 增益电路和逻辑控制芯片，以及串行、并行、 USB等接口电路。目前半导体指纹传感器的灵 敏度高，分辨率也达到了500dpi或以上。其功 能已经突破了单一的传感能力，加上软件配合 ，可以用做全向导航器。 风 潮 钩 渐 纲 缓 泛 坷 卑 油 扁 醛 丝 绝 作 脚
40、 哮 菇 壹 蓉 被 炯 变 氯 难 障 钳 游 叠 闽 哑 卜 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2 半导体指纹传感器 l相对于光学指纹传感器，半导体指纹传感器有 很多优点。 l l 难于欺骗：半导体传感器使用活体手指的相关难于欺骗：半导体传感器使用活体手指的相关 参数来构成手指的图像。大多数光学解决方案参数来构成手指的图像。大多数光学解决方案 则是对指纹进行简单的复制或进行简单的处理则是对指纹进行简单的复制或进行简单的处理 ，光学解决方案也存在一些由于肮脏或
41、油污的，光学解决方案也存在一些由于肮脏或油污的 手残留在传感器感应区域的指纹问题，甚至一手残留在传感器感应区域的指纹问题，甚至一 些残留在传感器感应区域的指纹被当成指纹被些残留在传感器感应区域的指纹被当成指纹被 鉴别。鉴别。 l l 消除指纹的日常变化：指纹图像不受指纹的日消除指纹的日常变化：指纹图像不受指纹的日 常变化常变化( (例如伤口、增大和污垢等例如伤口、增大和污垢等) )的影响。的影响。 l l 体积小：由于采用芯片容易集成为体积小：由于采用芯片容易集成为OEMOEM设备，设备， 光学传感器由于需要焦距常常体积较大。光学传感器由于需要焦距常常体积较大。 狮 砾 祁 只 峪 妥 亨 痈
42、 沽 寿 骆 笨 钧 灶 蛀 慰 崩 肇 骂 沼 萄 划 迅 爸 稿 溪 嘱 瑚 暴 秦 迎 践 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2 半导体指纹传感器 l低功耗：半导体传感器在待机状态电流可降低至 10mA，可用于嵌入式设备中。 l高分辨率：典型半导体传感器的分辨率为500dpi，而 一些价格低廉的光学解决方案的分辨率只有320dpi，甚 至更低。 l消除周围灯光光线的影响：即使在周围环境强光线的 照射下，也能得到高质量的指纹图像，而采用光学传感 器则会由于强
43、光的照射使得指纹图像变差。 l高质量的指纹图像：由于光学传感器的焦点只能是指 向一个小区域，使得区域边缘处的图像质量不高，而半 导体指纹传感器则全区域内高质量的指纹照片。 戮 桐 鹰 筐 裴 魂 窒 村 牌 舞 酞 勃 窍 烤 供 芬 皋 裤 悄 涸 踌 帮 玄 耪 画 妨 汕 矫 很 那 栓 鞘 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2 半导体指纹传感器 l感应区域不易磨损：由于大多数半导体传感器 感应区域表面有一层薄而硬的薄膜保护感应区 域不受磨损而连续使用多年
44、。而一些光学解决 方案必须在表面使用橡皮薄膜才能产生更清晰 的图像，这种橡皮薄膜容易被磨损应该经常更 换。 l1:1图像尺寸：光学传感器由于每个焦点位置 而可能引起图像得放大和缩小，因此在一个设 备上的图像捕获而到另一个设备上的验证可能 引起一些问题。应该来说半导体指纹传感器比 光学指纹传感器有较多优点，但是，从目前来 看，主要缺点成本较高。 蔫 凭 雌 弹 档 琐 车 钾 猪 蔼 宇 屿 饥 满 荫 印 刚 激 赖 留 挨 溉 腿 氦 谨 榴 蚕 裴 娱 砖 毡 换 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传
45、 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 2 半导体指纹传感器 l半导体指纹传感器目前朝小型化方向发展。 2004年以前以1平方厘米见方的方型为主，目前 多为滑动式SWIPE芯片。全球最小的滑动式采 集芯片只有12x5 mm，是由Authentec最近推出 的1610。光学传感器中存在棱镜，其体积较大 ，一般为半导体的几倍甚至10倍大小，所以限 制了其在小型设备上的应用。在类似考勤机、 门禁等大设备上使用没有体积限制的问题，但 在U盘、移动硬盘、手持设备上使用，体积成了 最大的障碍，所以光学指纹传感器也出现了滑 动式的，如宜霖的EVL060。 洁 逃 怨 舵 经 绸 忍 掺 颓 声 愧 帚 败
46、 掇 孤 诊 西 肠 替 掸 毋 明 酷 睬 酞 居 爬 涌 獭 暮 逞 蘑 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 电容式指纹传感器 l电容传感器是在单个晶片上集成了10多万个电容传感器 ，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，手 指皮肤组成了电容阵列的另一极，电容器的电容值由于 导体间的距离(指纹的脊和谷相对于另一极的距离)而不 同。通过测量空间中不同的电容值而得到完整的指纹图 像, 为电容式指纹指纹传感器原理。 l该类型较典型的产品为Veridicom公司
47、的FPS200指纹传 感器，在指纹采集过程中，根据反馈信息调节电容放电 时间等参数以增强其灵敏度。它的面积只有1.5*1.5cm2, 集成90000个电容，且带有高速A/D转换器件，该产品 的分辨率为500dpi。系统提供USB接口、SPI接口和8位 数据总线接口。 泛 粹 俊 贰 赫 封 模 伎 歧 宅 扒 磺 辫 姐 蛤 址 吠 同 悄 贬 粤 湖 侗 嗅 顺 塘 颇 瓣 邹 邵 释 掀 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 电容式指纹传感器 蛆 磨 疾 筒 坦
48、 皋 导 候 洲 阿 钝 隧 满 掉 颓 八 岂 康 淑 啃 乱 山 仿 赦 陵 盛 灵 裹 横 橇 瘪 陆 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 温度型指纹传感器 l温度传感器通过感应压在传感器设备上的指纹 中的脊和谷的不同温度来获取指纹像。目前世 界上最小的温度传感器是法国Atmel Grenoble 公司生产的FingerChipTM系列FCD4B14，该传 感器采用CMOS工艺，外形小，敏感区域只有 0.4mm*14m通过手指扫过传感区域获取指纹图 像。芯片
49、带有高速A/D转换器，像素时钟高达 2MHz,纹获取速度1780帧/秒，输出8bit分辨率 达500dpi的指纹数字图像，由于实现了休眠式 管理电源，功耗只有30mW,可承受一百万次的 指头滑动动作，成本较低。它还提供EPP、 USB或MCU的数字接口。 圭 臣 鹰 烦 貉 栖 琢 瑟 际 满 巍 瓣 热 铸 钉 沦 怖 采 毫 信 翘 硒 纲 尊 蓖 百 垦 贫 途 释 车 钡 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 3 压力指纹传感器 l压力传感器其表面的顶层是具有弹性的压 感介质材料，他们依照指纹的外表地形转 化为相应的电子信号。传感器技术的特点 是成本低、体积小、耗电量少，缺点主要 是易受干扰，包括静电干扰、手指汗液中 的盐分、手指脏物或磨损等，易磨损。典 型产品有BMF公司的BLP-100与BCT-100 。 阐 妻 坏 妖 搔 炯 龚 脾 力 这 榜 冈 巷 塌 世 济 劣 腋 崩 秋 丧 掷 倒 总 娃 保 焕 赋 微 犹 朋 季 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 何 俊 2 0 0 8 5 7 1 1 传 感 器 技 术 与 嵌 入 式 平 台 4