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指纹识别传感器的分类和实现解析

2018年02月23日 07:58 次阅读

我们了解过了指纹识别的大致流程后,这篇文章用来介绍指纹识别硬件中最重要的部分,传感器。其实传感器、芯片也要符合物理学的基本原理,他们都是物理学的原理的一种实现,我们可以从光、电、声、热、力这几个基本的物理研究领域中展开,看看今天主流的指纹识别传感器的分类和实现。

一、光学传感器

光学传感器的发展历史可能是最久的了,已经有30年的历史了。实现的原理也是最简单的。 它主要是利用光的折摄和反射原理,将手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,光从底部射向三棱镜,并经棱镜射出,射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。用棱镜将其投射在电荷耦合器件上CMOS或者CCD上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。

指纹识别-传感器原理

图1

光学指纹传感器的优点主要表现为:

1. 抗静电能力强、系统稳定性较好、使用寿命长

2. 灵敏度特别的高

3. 能提供高分辨率的指纹图像(可以达到500 dpi)。

缺点也很明显:

1、潜在指印(多次按压),会降低指纹图像的质量

2、台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗,可能导致采集的指纹图像质量下降

3、体积比较大,功耗控制不好

用途:

鉴于光学传感器的体积都比较大,因此它的应用领域主要集中在指纹门锁,保险箱,汽车指纹防盗。

发展:

光学传感器在传统对体积、功耗要求不是苛刻的行业中还占有很大市场份额,但是在手机等移动终端这个大市场迷失了。

16年底SynapTIcs发布了FS9100这种新型的光学sensor,主要是看中了光学传感器的穿透性(可以穿透1mm左右的glass),目标是underglass。而且随着In Display屏内指纹识别的大趋势,光学传感器必然又会带着新技术卷土重来。

二、电容传感器

电容式传感器应该是目前手机及便携式终端设备最热门的了,当然,存在即合理。既然电容式传感器占有了这么大的市场,它有什么优势呢?

其原理是将电容感整合于一块芯片中,当指纹按压芯片表面时,内部电容感测器会根据指纹波峰与波谷而产生的电荷差,从而形成指纹影像。如下简图,可以把上面的凹凸认为是指纹的谷和脊,那么同传感器就会形成不同的电容差,这样传感器就可以根据这些不同的电容差画出指纹的纹理。

指纹识别-传感器原理

电容传感器又分为主动式和被动式,我们可以先参考下面两张图。

主动式:

原理主要是通过外加的驱动信号(如Ring)加载到手指上以增强手指表面的电荷,使底下的感应阵列接收电场信号并对信号进行放大,根据指纹凹凸不一致底下芯片感应到的电场也不一致从而重现指纹(如下图):

这里写图片描述

指纹识别-传感器原理

被动式

工作原理则不一样;其是利用手指按在芯片表面时,指纹的波峰波谷对芯片内部电容上下电极电荷分配的比例影响程度来对指纹进行重现指纹,无需额外增加驱动源,芯片结构非常单纯(如下图),也因为无额外驱动信号,所以模组也无需外置Ring,模组结构也非常简单。

这里写图片描述

指纹识别-传感器原理

主动式和被动式的原理也很好辨别,主动式就是额外加了激励电源。可以想象主动式的电容传感器穿透会比较强,但是无可厚非的会带来更多的噪声,所以究竟是主动式还是被动式的传感器好,不能一概而论,还是要看各家的技术。

优点:

1、芯片和模组可以做的很薄

2、功耗更容易控制

缺点:

1、穿透率比较低

2、价格相对较高

3、防水、防污性不强

发展:

电容式的传感器到目前来说,是使用最普遍的。但是,眼看着指纹识别要向屏内指纹识别的方向发展,而电容式的穿透率大概在200um左右,基本的玻璃盖板都很难穿透,而且需要透明显示的物理特性也无法满足。所以,电容式的传感器在将来肯定还是会占据了传感器的大片江山,但是高端市场收到的冲击,却无能为力。

三、射频/超声波传感器

如果把射频传感器划到光学传感器的范畴中未免有些牵强(光也是一种特殊的电磁波),射频指纹模块现阶段包含无线电波探测与超声波探测两种,

射频传感器原理

原理与探测海底物质的的声纳类似,是靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态的。这一类指纹模块最大的优点便是手指无需与指纹模块相接触,因而不会对手机的外观造成太大影响。基于这一点,射频指纹模块也成为了未来指纹识别的主要发展方向之一。

指纹识别-传感器原理

超声检测原理是相同的,就是依靠反射波的时间差探知脊和谷的距离差,根据这个距离差绘制出指纹图像。

超声波传感器原理

特制的晶片(称为换能器)在电脉冲的激励下,产生机械振动(类似于人摸一下电门浑身一抖),振动产生超声波脉冲(pulse),超声波脉冲在传播过程中,会被传播介质(如人体)一部分一部分地被反射或者散射回来(echo),尤其是介质中物理性质不连续的地方,(比如手机上方的一根手指),反射波尤为强烈。反射或散射回换能器的回波,又使换能器产生振动,这种振动被换能器转换为电信号,对于电信号进行不同的处理,可以得到不同的信息,比如传播介质的结构,有没有运动的物体在介质中,介质的弹性等等。

指纹识别-传感器原理

如果把超声波的声束想像成一条线,那么一次超声PULSE-ECHO得到的通常只有一条线的信息,指纹至少是一个面,用超声扫描的方式在不同的位置进行PULSE-ECHO就能够得到一系列线的信息,从而获取整个指纹信息。医院里用的超声成像设备也大多就是这样的工作原理。

四、力学/热学传感器

虽然从物理学角度讲,可以通过力学(即按压)或者热学(即温差)来实现脊和谷的判别。但是在实际实现的sensor却没有很大的可行性。

力的传导需要一个比较硬的传导载体,但是如果载体比较硬,那么指纹这么微小的距离差异,形成的图像必然是模糊一片;热敏sensor也曾经被开发过,但是热敏传感器受外界温度、两次按压时间间隔影像太大,无法达到消费级电子的要求。因此这两种传感器都匿迹在时间的长河中。

其实不管是指纹传感器,还是其他各种传感器,运用第一性原理,都可以找到原理的根源。对于我们这些工科生深入了解一个技术、一个行业,都是有很大裨益。

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但是,当一群机器蜜蜂在其天空中来回飞行时,火星看起来会更像地球。 美国航空航天局资助了一个不同寻常的...

发表于 2018-04-07 00:33 530次阅读
NASA拟在火星部署大黄蜂拟态机器群:集成有传感...

美国宇航局选出25个技术方案,潜力改变未来人类和...

在为行星探索而设计的宇航服中,没有任何参数比“背部重量”更重要。宇航服系统的重量必须由穿戴者在月球或...

发表于 2018-04-05 17:49 525次阅读
美国宇航局选出25个技术方案,潜力改变未来人类和...

可穿戴传感器厂家有哪些_国内排名前五的厂家推荐

近年来,运动传感技术已经开始遍地开花,如运动手环、智能手机、电视遥控器和个人训练设备等。就在用户忙着...

发表于 2018-04-05 14:23 454次阅读
可穿戴传感器厂家有哪些_国内排名前五的厂家推荐

佳能展示最新研究成果_1.2亿像素传感器与400...

数码相机的像素值早在2015年的时候就有高达2.5亿像素的展示了,当时 佳能 表示尚在研发。而近日佳...

发表于 2018-04-05 13:36 354次阅读
佳能展示最新研究成果_1.2亿像素传感器与400...

浅谈MEMS传感器的分类及应用领域

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanical System),相...

发表于 2018-04-04 17:31 249次阅读
浅谈MEMS传感器的分类及应用领域

自动驾驶汽车控制的核心技术线控技术解析

位移传感器安装在油门踏板内部,随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化,会瞬间将此信息...

发表于 2018-04-04 16:20 460次阅读
自动驾驶汽车控制的核心技术线控技术解析

Fitbit首席执行官表示:打算推出一款“更具吸...

Fitbit 首席执行官 James Park 表示,他们打算在 2018 年推出一款“更具吸引力”...

发表于 2018-04-04 14:54 270次阅读
Fitbit首席执行官表示:打算推出一款“更具吸...

可穿戴传感器市场达万亿级别,中国前五你知道是哪些...

近年来,运动传感技术已经开始遍地开花,如运动手环、智能手机、电视遥控器和个人训练设备等。就在用户忙着...

发表于 2018-04-04 11:59 498次阅读
可穿戴传感器市场达万亿级别,中国前五你知道是哪些...

新风系统中空气质量VOC检测传感器的应用

一、什么是新风系统 新风系统是指将室外新鲜空气经过过滤后送到室内,同一时间把室内污浊空气排到室外,达...

发表于 2018-04-04 11:24 1822次阅读
新风系统中空气质量VOC检测传感器的应用

成为搅局者还是引领低价潮流?“朱雀”无人机京东商...

8月5日,曼塔智能与京东商城正式牵手,宣布朱雀无人机城以3999元的价格在京东商城首发上市。究竟朱雀...

发表于 2018-04-04 10:08 371次阅读
成为搅局者还是引领低价潮流?“朱雀”无人机京东商...

上班不在家 乖狗狗有它陪伴

我讨厌和家里的狗狗们说再见。每当我要出门工作时,它俩的大眼睛就会眨巴眨巴地直盯着我看,足足会让一个成...

发表于 2018-04-04 09:02 230次阅读
上班不在家 乖狗狗有它陪伴

Phenox四旋翼微型无人机:既能听懂人话又能看...

如今,旅行也是假期的必选节目之一。在经历了单反,微单,拍照手机之后,我们更渴望解放双手,让自由行走和...

发表于 2018-04-04 09:01 384次阅读
Phenox四旋翼微型无人机:既能听懂人话又能看...

德尔福联手LeddarTech经验与技术之间的互...

德尔福汽车公司近日宣布与开发固态激光雷达技术的加拿大公司LeddarTech签署了一项商业合作协议。...

发表于 2018-04-04 08:41 260次阅读
德尔福联手LeddarTech经验与技术之间的互...

Scribble Pen:能画出世界上所有色彩

想象一下有一支画笔能画出世界上所有颜色,既不用颜料也不用油墨。它就是带特殊颜料盒和扫描仪、可以复制任...

发表于 2018-04-04 06:55 242次阅读
Scribble Pen:能画出世界上所有色彩

皮下植入健康监测式生物传感器,你会选择吗

这种植入式传感器能够将健康信息传递到手机中,供医生充分使用。可以说是将健康追踪提升到一个全新的水平。

发表于 2018-04-03 16:22 608次阅读
皮下植入健康监测式生物传感器,你会选择吗

常州一企业研发“听漏”传感器,可听300米漏水情...

使用“慧探漏”探漏,需要每隔200米左右在管道上安装一个噪音传感器,一般可利用地下管网的检修井或阀门...

发表于 2018-04-03 16:07 441次阅读
常州一企业研发“听漏”传感器,可听300米漏水情...

有了它再也不用查询物流状态了

如果说现今生活有什么刚需的话,快递肯定算是一项。但是现在快递行业也存在着速度慢、物流追踪更新不及时的...

发表于 2018-04-03 15:58 271次阅读
有了它再也不用查询物流状态了

宝马重金投资激光雷达技术

麦姆斯咨询:Blackmore将利用这笔新融资扩大FMCW LiDAR传感器的生产,利用提高的产能满...

发表于 2018-04-03 15:52 540次阅读
宝马重金投资激光雷达技术

光子表面波辅助促进增强石墨烯光的吸收

本研究发现基于非周期结构的广义表面波也可以实现石墨烯完美吸收。平面纯介质表面波系统为低成本和高性能的...

发表于 2018-04-03 15:02 397次阅读
光子表面波辅助促进增强石墨烯光的吸收

PointLED和Firefly LED:红光测...

全新的PointLED和Firefly E 1608是高亮度绿色和亮红色LED,提供更好的设计灵活性...

发表于 2018-04-03 14:36 273次阅读
PointLED和Firefly LED:红光测...

宝马在CES上展示AirTouch手势控制功能

像许多其他汽车制造商一样,宝马也热衷于在CES上展出其最新的科技。今年也一样,公司计划下周在拉斯维加...

发表于 2018-04-03 14:35 541次阅读
宝马在CES上展示AirTouch手势控制功能

赫联电子将亮相2018厦门工业博览会

专业的互连与机电产品授权分销商赫联电子将于4月12日- 15日亮相2018厦门工业博览会(XMIE)...

发表于 2018-04-03 10:36 1926次阅读
赫联电子将亮相2018厦门工业博览会

【转帖】电流传感器和互感器

发表于 2018-03-27 15:43 153次阅读
【转帖】电流传感器和互感器

关于基恩士的颜色传感器的用法

发表于 2018-03-27 12:03 390次阅读
关于基恩士的颜色传感器的用法

虚拟仪器在位移测试系统中的应用

发表于 2018-03-26 14:27 326次阅读
虚拟仪器在位移测试系统中的应用

回收安捷伦U8487A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:31 109次阅读
回收安捷伦U8487A功率传感器

回收安捷伦U8488A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:30 129次阅读
回收安捷伦U8488A功率传感器

回收安捷伦U8481A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:26 110次阅读
回收安捷伦U8481A功率传感器

回收安捷伦U8485A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:22 106次阅读
回收安捷伦U8485A功率传感器

回收安捷伦U2020平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:17 123次阅读
回收安捷伦U2020平均功率传感器

回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:10 116次阅读
回收安捷伦U2022XA平均功率传感器