指纹传感器
指纹传感器
指纹传感器目前主要分为两类，光学指纹传感器和半导体指纹传感器；
光学指纹传感器：
    主要是利用光的折摄和反射原理，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。CMOS或者CCD的光学器件就会收集到不同明暗程度的图片信息，就完成指纹的采集。
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，也就完成了指纹的采集。
    指纹扫描仪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。
    获得一个人的指纹图像有多种方法。现在最常用的方法就是光学扫描和电容扫描。这两种扫描方法以完全不同的方式工作，但都会得到同一种图像。
    光学扫描仪的核心部件是电荷耦合设备（CCD），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 只不过是一组光敏二极管（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。
    扫描仪配有光源，通常为一组发光二极管，用来照亮手指的嵴纹。当你将手指放在玻璃板上时，扫描过程就开始了，CCD相机便将指纹照片拍摄下来。实际上CCD系统产生的是手指的倒像，较暗的区域代表较多反射光线（手指的嵴纹），较亮的区域代表较少的反射光线（手指的波谷）。
    在比较指纹与存储数据之前，扫描仪处理器要确保CCD拍摄到了清晰的图像。它会检查像素暗度的平均值或者一个小样本的整体值，如果图像整体太暗或太亮，该次扫描便会被放弃。于是扫描仪调整曝光时间以允许更多或者更少的光线进入，再扫描一次。
    如果暗度合适，扫描仪系统会继续检查图像的清晰度（指纹扫描的锐度）。处理器将查看在图像上沿垂直和水平方向移动的若干直线。如果与嵴纹垂直的线由非常暗的像素和非常亮的像素交互组成，那么就意味着指纹图像有很好的清晰度。
    在处理器发现图像清晰并且曝光正确的情况下，它会继续将捕获的指纹与文件上的指纹进行比较。我们很快将了解这个过程，但是首先让我们来看看另一种主要的扫描技术——电容扫描仪。
    像光学扫描仪一样，电容指纹扫描仪产生组成指纹的嵴纹和波谷图像。不同之处在于，电容扫描仪使用电流而非光线来感测指纹。
    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。
传感器和积分器相连，积分器是在倒相运算放大器附近的一个电路。倒相放大器是一个复杂的半导体设备，由许多晶体管、电阻器和电容器组成。其工作细节本身就可以写篇文章，在此我们只是大致介绍它在电容扫描仪中的作用。     
像任何一种放大器一样，倒相放大器也是根据一个电流的起伏来改变另一个电流的。具体
来说，倒相放大器改变供给电压。这些改变基于两个输入端（即倒相输入端和非倒相输入端）的相对电压。非倒相输入端接地，倒相输入端与基准电压源和反馈回路相连。同样，与放大器输出端相连的反馈回路也有两个导体板。
您可能已经意识到，这两个导体板形成一个基本电容器，即一个可以存储电荷的电子元件（详细信息请参见电容器工作原理）。手指的表面充当第三个电容板，这个电容板被细胞单元结构中的绝缘层所分离；而在指纹波谷的情况下，则充当一袋空气。改变电容板之间的距离（通过手指远离或靠近导体板实现）会改变电容器的总容量（存储电荷的能力）。由于这种特性，在嵴纹的情况下，单元中的电容器要比在波谷时有更大的容量。
要扫描手指，处理器首先关闭每个单元的复位开关，复位开关短接每个放大器的输入和输出以“平衡”积分电路。当开关再次打开时，处理器将给积分电路一个固定的电输出，电容器就会充电。反馈回路的电容器容量会影响放大器输入的电压，从而影响放大器的输出。因为手指的距离会改变容量，所以手指嵴纹与手指波谷将产生不同的电压。
扫描仪处理器读取此输出电压并确定其是嵴纹还是波谷的特征。通过读传感器阵列中的每一个单元，处理器可以整理出指纹的整体图像，这与光学扫描仪捕获的图像相似。
电容扫描仪的主要优点是，它需要真实的指纹类型形状，而不是组成指纹视觉印象的明暗模式。这使得这个系统更难被骗。此外，由于它们使用半导体芯片而不是CCD元件，因此电容扫描仪往往比光学扫描仪体积更小。
安全系统有很多方法可以证明某人是授权的用户。大部分系统会检查以下的一项或多项：
* 您拥有什么？
    * 您知道什么？
    * 您是谁？
要想通过“您拥有什么”系统，您需要某种“令牌”，例如一张有磁条的身份证。“您知道什么”系统需要您输入密码或PIN号码。“您是谁”系统实际上是查看您表明自己身份的物理证据——特定的指纹、声音或者虹膜图案。
“您是谁”系统（如指纹扫描仪）相对于其他系统来说有很多的优点。例如：
    * 伪造物理特征比伪造身份证要难很多。
    * 不可能像猜出密码一样猜测出指纹图案。
    * 不会像遗失出入卡一样遗失指纹、虹膜或者声音。
    * 不会像忘记密码一样忘记指纹。
然而，虽然指纹扫描仪很有效，但不排除它们有出错的可能性。实际上它们确实有一些缺点。光学扫描仪不能每次都区分开指纹图像和指纹本身，而电容扫描仪有时可能被一个指纹模型欺骗。如果某人获得了某授权用户的指纹，这个人就可以骗过扫描仪。最坏的情况，罪犯甚至可能砍下某人的手指以进入扫描仪安全系统。一些扫描仪还有另外的脉冲和热传感器来检测手指是否是真的，而不是一个模型或者肢解手指，但是这些系统甚至也可能被真实手指的明胶指纹模型欺骗。（此网站解释了人们可能骗过扫描仪的各种方法。）
要使这些安全系统更可靠，一个不错的方法是：将传统的认证方法如密码（同ATM需要银行卡和PIN号码一样）与生物学分析法结合起来。倒着输入银行卡密码
生物安全系统的真正问题是某人设法盗取身份信息时的损害范围。如果遗失了信用卡或者无意中告诉了别人您的秘密PIN号码，还可以办理新的卡或者更改密码。但是如果某人盗取
了您的指纹，您的余生就真的很不幸了。您没办法得到新的指纹。因此，除非您能完全确定所有的副本已经毁灭了，不然您就再也不能使用指纹作为一种身份识别形式。
尽管有这些重大缺点，指纹扫描仪和生物安全系统仍不失为身份识别的极好方法。将来，它们很有可能像今天的钥匙、ATM卡和密码一样，成为每个人日常生活的必要部分。
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。这两类指纹传感器将得到越来越广泛的应用。 上述两类传感器工作原理为：当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。传感器中的像素点为45平方微米，间隔为50微米，电容像素阵列的分辨率略高于500dpi。这类传感器基于一种标准的单-多晶硅三层金属CMOS工艺，并采用0.5微米工艺进行设计。 金属互连的第三层构成电容像素层，由氮化钛制成并覆盖着一层氮化硅，厚度仅为7000埃米。这种硬金属电极与抗磨涂敷层组合形成的传感器十分坚实耐用，使用寿命可以达到很多年。
指纹检测
人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成，通过对每个像素点上利用标准参考放电电流，便可检测到指纹的纹路状况。每个像素先预充电到某一参考电压，然后由参考电流放电。电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下面的比例关系： Iref=C×dv/dt 处于指纹的凸起下的像素(电容量高)放电较慢，而处于指纹的凹处下的像素(电容量低)放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持(S/H)电路检测并转换成一个8位输出，这种检测方法对指纹凸起和低凹具有较高的敏感性，并可形成非常好的原始指纹图像。 通过图1所示的过程，采用复杂的软件算法可以进行指纹识别。这种软件采集原始的指纹图像，将图像信息数字化并提取其中的细节模板，然后进行测试，确定提取的细节模板是否与参考模板吻合。
比较过程
单触型传感器与划擦型传感器的尺寸和成本都不一样。接触式传感器较大，通常有效接触面为15×15mm，可迅速地采集最大的指纹或拇指指纹。这种传感器易于使用，并可将整个指纹图像以500dpi(自动指纹识别标准)的精度进行快速传输。 目前这些传感器已完成设计，并用于美国政府机构及警察局进行指纹识别。不久的将来还将逐渐用于汽车单触式无钥匙进入系统，以及新兴的国家安全应用中。 这种传感器由256(列)×300(行)微型金属电极
组成，每一列连接到一对S/H电路上。指纹图像依次进行逐行采集，每个金属电极均作为电容的一个极，与之接触的手指则是电容的另一个极。在器件表面有一层钝化层，作为两个电容极间的电介质层。将手指置于传感器上时，指纹上的凸起和低凹会在阵列上产生不同的电容值，并构成用于认证的一整幅图像。
划擦型传感器是一种新型指纹采集器件，要求用户将手指在器件上划过。划擦型传感器的优点是尺寸小(如富士通的MBF300尺寸仅为3.6×13.3 mm2)和成本低。这些器件主要用于移动设备的嵌入式安全识别应用，如手机和PDA。精密的图像重建软件以接近2000帧/秒的速度快速地从传感器上采集多个图像，并将每个帧的数据细节组织到一起。 信息及认证 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。 这种识别技术对于被盗的手机用户也有好处。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。 使移动互联网接入更加安全 随着半导体和软件技术的发展，手机将逐渐成为一种可随时随地获取个人和公司数据的移动终端，因此需要确保用户访问的安全性，以防止未授权访问。原来执法机构使用的指纹识别方式仅存储指纹上一些特定点的数据而非整个影像，因而相比之下，生物指纹扫描系统更为有效、可靠。 这类检测的所有处理过程均分为下面几个步骤：首先是采集阶段，器件采集手指生物样本；然后利用预先建立的数学公式或算法从样本中提取其独有的数据，并将其转换成一个模板；登记认证程序从指纹的30~40个特
征点中至少提取七个特征匹配点进行验证，包括构成某一指纹细节的纹路分叉点和终止点，并被定义成特征点间的距离。 进行注册时，信息代码被存储下来，作为今后用户认证的参考模板。当用户进入系统时，他/她将手指划过传感器区域，所获取的现场扫描模板与参考模板进行比较。整个过程在1或2秒内完成。 通过比较，系统会确定这一现场扫描模板是否包含了与参考模板相符的足够生物数据，并判断二者是否匹配。如果不匹配，则认证失败，等待下次识别。 这种指纹检测系统性能很高，对有效指纹作出错误判断的概率小于1%，而将无效指纹错判为有效指纹的可能则几乎不存在，其概率低于0.01%。

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