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指纹传感器原理与应用引言指纹是手指表面皮肤凸凹不平形成的纹路，由多种嵴状图形构成。指纹特征即手指表面嵴和沟组成平滑纹理模式，其随机性很强。研究表明：指纹特征具有唯一性、稳定性特点，据此可实现身份识别。指纹表面积较小，且存在磨损，获取优质指纹图像较困难。指纹传感器是获取指纹图像的专用器件,在自动指纹识别系统中起着关键作用。本文回顾了指纹传感器技术的发展历史,并介绍了目前几种常见的传感器,在进行原理性剖析的基础上,指出了它们的优缺点和应用情况。我国指纹传感器发展现状我国生物（指纹）识别技术发展相对于美国、日本要晚10-20年的时间，指纹识别产品在我国最早出现是在90年代初期，当时只是寥寥数十家，而产业化起步应该是2000年以后。到2000年，随着移动存储设备等数码类产品的大量使用，指纹技术与数码类产品结合应用的局面才铺开，所以指纹识别产业在我国，目前仍处于形成阶段，如果说2004年之前处于从点到线的状态，那么2004年之后指纹产业开始了从线到面的发展。指纹采集技术的发展早期的指纹图像采集主要运用油墨按印等物理方式,如果油墨及纸张质量有问题,或按压压力不均,或按压位置、方向差异,或手指损伤、变形等,都会导致采集的指纹图像质量不理想,进而影响该技术应用。为克服物理方式的缺点,发展光学传感器、半导体传感器、超声波传感器等对获取高质量指纹图像提供了良好的技术保障,具有很好实用价值。同时,更先进的指纹图像传感器亦在研发,目的是获得足够的指纹细节,并使指纹图像达到较高分辨力,提高指纹识别准确性、可靠性。指纹传感器的发展方向1）向高精度发展2）向高可靠性、宽温度范围发展3）向微型化发展4）向微功耗及无源化发展5）向智能化数字化发展指纹传感器的分类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、超声波传感器和射频RF传感器等。目前指纹传感器只要分为两类，同时也是较为常见的指纹传感器：1.光学指纹传感器2.半导体指纹传感器光学指纹传感器光学指纹传感器：借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术，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。光学扫描传感系统光学扫描系统的核心部件是电荷耦合设备CCD（chargecoupleddevice），这与数码相机和摄像机中使用的光传感器系统是相同的。CCD是一组光敏二极管（称为光敏器件），这种器件在光子的作用下可以产生电信号。每个光敏器件记录一个像素，即一个代表射中该点的光束的微小圆点。明暗像素共同构成了扫描场景（例如一个手指）的图像。通常，在扫描仪系统中有一个模数转换器，用来处理模拟电子信号以产生该图像的数字表现形式。半导体指纹传感器半导体指纹传感器：这类传感器，无论是电容式或是电感式，其原理类似，在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成了电容（电感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样，形成的电容/电感数值也就不一样，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，就完成了指纹的采集。半导体扫描传感系统下图是一个简单的电容传感器。该传感器由一个或多个包含一组微小单元的半导体芯片组成。每个单元包括两个覆盖有绝缘层的导体板。这些单元很小，比手指上一个嵴纹的宽度还要小。光学传感器与半导体传感器优缺点光学指纹图像传感器优点主要表现为经历长期实用检验、系统稳定性较好、成本亦较低、能提供分辨力为500dpi(dotperinch)的图像。特别是能实现较大区域的指纹图像采集,有效克服大面积半导体指纹传感器价格昂贵缺点。该传感器局限性主要体现于潜在指印方面,不但会降低指纹图像的质量,严重时,还可能导致两个指印重叠,显然,难以满足实际应用需要。此外,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。随着光学技术发展,一些新颖的技术手段亦已应用于指纹图像的采集,这样,能显著减小光学指纹传感器的体积。半导体指纹传感器特有的优点吸引了Sony,Infineon等知名公司,并开发出各具特色的产品。当然,作为极具潜力、代表未来发展方向的指纹传感器也存在一定局限性,表现为易受静电影响,严重时,传感器可能采集不到图像,甚至本身也会被损坏;手指汗液盐分或其他污物,以及手指磨损等均会造成图像采集困难,其耐磨性亦不及玻璃;大面积制造成本较高,故取像区域较小;传感器稳定性,特别是次最优性能等方面有待进一步验证。常见固态指纹传感器目前市场上有两种固态指纹传感器：第一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；第二种是划擦型传感器，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认证。指纹扫描系统指纹扫描系统有两项基本工作：一是需要获得手指的图像，二是需要确定该图像中的嵴纹和波谷是否与以前扫描图像中的嵴纹和波谷相吻合。指纹传感技术的应用及发展趋势毫无疑问，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。此人则将其右手的第一、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。手机开机时要求用户通过一个快速的认证过程，用户将其手指划过传感器，如果通过认证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。如果连续几次认证无法通过，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。当指纹匹配成功时，汽车便按已编程设定的内部参数来控制后视镜、汽车座椅、无线基站以及车内空气环境。此外，还可控制驾驶速度，如果驾驶者仅为十来岁的孩子，则将速度限制在每小时55公里。这些功能的实现具有非常多的用处。指纹识别技术虽然已日渐成熟，图像处理及模式识别技术已经得到很好的解决，但实际上，作为指纹识别的核心技术仍然存在许多尚未解决的难题，尤其是残缺、污损的指纹图像的识别的鲁棒性、适应性方面不能令人满意，指纹识别系统将随着更小更廉价的指纹输入设备的出现、计算能力更强更廉价的硬件以及互联网的广泛应用而进一步拓宽其应用，其中，能适应联网在线指纹自动识别系统的应用算法有待进一步改进，多种指纹识别方法的集成应用以及包括指纹是被的多种生物特征鉴定的集成应用也将是今后研究发展的方向，近年来，国外指纹识别相关研究又有升温的趋势，因此，未来几年仍然是一个重要的、极具挑战性的模式识别研究课题。2011.05