從光學(xué)傳感器到電容傳感器——指紋采集技術(shù)的演進(jìn)

指紋傳感器（又稱(chēng)指紋Sensor）是實(shí)現(xiàn)指紋自動(dòng)采集的關(guān)鍵器件。最早的指紋識(shí)別技術(shù)是以光學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別范圍僅限于皮膚的表層，通常把它叫做第一代指紋識(shí)別技術(shù)；而采用了電容傳感器技術(shù)的第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了識(shí)別范圍從表皮到真皮的轉(zhuǎn)換，從而大大提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率和系統(tǒng)的安全性，也是目前市場(chǎng)上大部分指紋識(shí)別設(shè)備的基礎(chǔ)。

第一代指紋識(shí)別系統(tǒng)
光學(xué)傳感器

始于1971年的光學(xué)傳感器是研究最早、應(yīng)用最廣泛的指紋傳感器。其技術(shù)關(guān)鍵是光的全反射，手指置于加膜臺(tái)板（一般是硬質(zhì)塑料，不同廠(chǎng)家材料有異），照射到壓有指紋的玻璃表面時(shí)，反射光經(jīng)電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，并傳輸后端進(jìn)一步處理。其中，反射光強(qiáng)度取決于兩方面因素：壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度、皮膚與玻璃間的油脂和水分。由于光線(xiàn)經(jīng)玻璃照射到谷的區(qū)域后在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射至CCD，而射向脊的光線(xiàn)被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到其他地方，這樣，即可利用CCD將有深色脊和淺色谷構(gòu)成的指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。當(dāng)然，為獲得較高質(zhì)量的指紋圖像，還需采用自動(dòng)或手工方式調(diào)整圖像亮度等。

光學(xué)指紋傳感器優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為抗靜電能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好、使用壽命長(zhǎng)，能提供分辨力為500dpi（dot per inch）的圖像，特別是能實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的指紋圖像采集，但指紋圖像采集區(qū)域較大時(shí)所需焦距亦較長(zhǎng)，采集設(shè)備體積需隨之增大，否則，會(huì)導(dǎo)致采集的圖像邊緣線(xiàn)形發(fā)生扭曲。

光學(xué)指紋傳感局限性體現(xiàn)于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺(tái)板上按完后留下的），不但會(huì)降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)，還可能導(dǎo)致2個(gè)指印重疊，顯然，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要。此外，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。但是具有無(wú)法進(jìn)行活體指紋鑒別、對(duì)干濕手指的適用性差等缺點(diǎn)。

光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識(shí)別的效果。如果，用戶(hù)手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì)出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶(hù)而言，使用起來(lái)不是很安全和穩(wěn)定。

光學(xué)傳感器中存在棱鏡，其體積較大，一般為半導(dǎo)體的幾倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型設(shè)備上的應(yīng)用。在類(lèi)似考勤機(jī)、門(mén)禁等大設(shè)備上使用沒(méi)有體積限制的問(wèn)題，但在U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、手持設(shè)備上使用，體積成了最大的障礙。
成本低一直以來(lái)被認(rèn)為是光學(xué)傳感器的最大優(yōu)勢(shì)，但由于其制造過(guò)程一致性較難保證，隨著以電容傳感器為代表的半導(dǎo)體傳感器的大規(guī)模發(fā)展，光學(xué)傳感器的成本優(yōu)勢(shì)也已經(jīng)不再明顯。雖然大多數(shù)公司還在使用光學(xué)傳感器，但其發(fā)展趨勢(shì)是新穎的、高質(zhì)量的電容指紋傳感器。

第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)
電容傳感器

電容傳感器始于1998年，屬于半導(dǎo)體傳感器的一種，半導(dǎo)體指紋傳感器還包括半導(dǎo)體壓感式傳感器、半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器等，其中，應(yīng)用最廣泛的是半導(dǎo)體電容式指紋傳感器。

電容傳感器根據(jù)指紋的嵴和峪與半導(dǎo)體電容感應(yīng)顆粒形成的電容值大小不同，來(lái)判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上的電容感應(yīng)顆粒預(yù)先充電到某一參考電壓。當(dāng)手指接觸到半導(dǎo)體電容指紋表現(xiàn)上時(shí)，因?yàn)獒帐峭蛊鸬挠前枷拢鶕?jù)電容值與距離的關(guān)系，會(huì)在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進(jìn)行放電。因?yàn)獒蘸陀鴮?duì)應(yīng)的電容值不同，所以其放電的速度也不同。嵴下的像素(電容量高)放電較慢，而處于峪下的像素(電容量低)放電較快。根據(jù)放電率的不同，可以探測(cè)到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

與光學(xué)設(shè)備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同，電容傳感器采用自動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結(jié)合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調(diào)整能力，即使對(duì)比度差的圖像（如手指壓得較輕的區(qū)域）也能被有效檢測(cè)到，并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度，生成高質(zhì)量指紋圖像。

電容指紋傳感器優(yōu)點(diǎn)為圖像質(zhì)量較好、一般無(wú)畸變、尺寸較小、易集成于各種設(shè)備。其發(fā)出的電子信號(hào)將穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，而達(dá)到手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。

電容指紋傳感器因制造工藝復(fù)雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的IC設(shè)計(jì)技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、IC芯片封裝技術(shù)等，所以電容指紋傳感器幾乎全部是由IC技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家或地區(qū)，如美國(guó)、歐洲、臺(tái)灣等地設(shè)計(jì)、制造的。目前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家基本上沒(méi)有能力生產(chǎn)電容指紋傳感器。

各廠(chǎng)商可能采用不同形式電容方法開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，技術(shù)新穎且先進(jìn)的首推瑞典FingerPrintCard公司推出的FPC1011C，是一種電容式面裝指紋傳感器。該傳感器采用了多項(xiàng)專(zhuān)利，如獨(dú)立的晶圓體信號(hào)放大、傳感器表面的保護(hù)膜等。內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換，高速的SPI接口，8PIN的軟排線(xiàn)可以方便的接入各種系統(tǒng)。該技術(shù)能適應(yīng)各種復(fù)雜指紋，并能在各種環(huán)境下獲得從干手指到濕手指的高質(zhì)量指紋圖像，從而顯著降低指紋識(shí)別系統(tǒng)誤識(shí)率、拒識(shí)率。

隨著指紋識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，質(zhì)量高、功耗低、體積小的電容傳感器傳感器作為便攜式產(chǎn)品極其重要的指紋圖像采集手段，應(yīng)用日益廣泛，其市場(chǎng)規(guī)模以驚人速度飛速拓展。2003年11月，美國(guó)Frost Sul Uvan發(fā)布的指紋傳感器市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明：目前，在面向身份認(rèn)證的指紋傳感器中，傳統(tǒng)型光學(xué)傳感器占一定優(yōu)勢(shì)，受電容傳感器技術(shù)進(jìn)步和價(jià)格下降等因素的影響，電容傳感器的份額將逐漸增加，成為指紋采集技術(shù)的主流。

光電式指紋傳感器綜述
光電式指紋傳感器是最先出現(xiàn)的指紋傳感器，但對(duì)于指紋技術(shù)而言，由于其固有缺陷比較明顯，已經(jīng)屬于一種相對(duì)過(guò)時(shí)的技術(shù)，金融系統(tǒng)的指紋項(xiàng)目已經(jīng)明確排除采用這種傳感器。
光電式指紋傳感器的設(shè)備原理是光的全反射，這也是數(shù)碼相機(jī)的成像原理，光線(xiàn)照到按有指紋的玻璃上并進(jìn)行反射。反射光線(xiàn)由感光器件獲得，由于指紋的脊和谷的深度以及皮膚與玻璃問(wèn)的油脂和水分不同，反射光線(xiàn)的能量也不一樣。光線(xiàn)經(jīng)玻璃照射到谷的地方后在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射，光線(xiàn)被反射到感光器件，而射向脊的光線(xiàn)不發(fā)生全反射．而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在感光器件上就形成了指紋的圖像。

光電式指紋傳感器根據(jù)所采用的成像芯片不同分為CCD光電式和CMOS光電式兩種。

CCD光電式
這種傳感器利用光線(xiàn)照射指紋表面的脊和谷，指紋的圖像被反射到CCD上，并被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。由于該類(lèi)產(chǎn)品的信號(hào)輸出大多是模擬信號(hào)，與處理器的接口電路比較復(fù)雜，抗干擾能力也較弱，因此已逐漸被CMOS光電式指紋傳感器所取代。
CMOS光電式
隨著CMOS數(shù)碼陣列光電圖像傳感器技術(shù)的不斷成熟，在光電視像轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，開(kāi)始逐步取代傳統(tǒng)的CCD光電器件。與CCD光電式指紋傳感器相比，CMOS光電式指紋傳感器由CMOS光電器件取代CCD光電器件構(gòu)成。它采用數(shù)字信號(hào)輸出，抗干擾能力較強(qiáng)，與處理器的接口電路相對(duì)簡(jiǎn)單。

光電式指紋傳感器除了成像芯片以及相關(guān)接口電路，還包括一組棱鏡、透鏡，成像鏡等所組成的光學(xué)通道。

CMOS成像芯片價(jià)格在1-3美元左右，加上光學(xué)部分，光電式指紋傳感器物料的成本也就在30-50元，所以我們可以見(jiàn)到市面上光電式指紋傳感器價(jià)格可以低至70-80元，但是通常價(jià)格在120-150元左右。

國(guó)外的光電式指紋傳感器價(jià)格可達(dá)到1000多元人民幣，而真正適用于高檔指紋項(xiàng)目的光電式指紋傳感器可能也只有這種高價(jià)位的產(chǎn)品。據(jù)了解原因可能有以下幾點(diǎn)：
1、 高檔光電式指紋傳感器每個(gè)產(chǎn)品光學(xué)通道的技術(shù)指標(biāo)要求非?？量蹋貏e是對(duì)一致性非常嚴(yán)格，絕對(duì)不能出現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的門(mén)禁系統(tǒng)中，這個(gè)門(mén)登錄的指紋，在另外的門(mén)就無(wú)法識(shí)別的情況。國(guó)內(nèi)能夠達(dá)到這樣嚴(yán)格的工藝要求的光電式指紋傳感器的生產(chǎn)廠(chǎng)商非常少；
2、 光電式指紋傳感器為了防止光學(xué)畸變，一般體積較大，同時(shí)采集窗口必須足夠大才能獲得質(zhì)量較好的圖像。但是目前指紋產(chǎn)品需要盡可能減小傳感器的體積尺寸以便實(shí)現(xiàn)更美觀(guān)合理的外觀(guān)造型設(shè)計(jì)以及成本控制，同時(shí)國(guó)內(nèi)指紋行業(yè)對(duì)光電式指紋傳感器缺乏嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很多廠(chǎng)家的產(chǎn)品實(shí)際都有嚴(yán)重的光學(xué)畸變，不適應(yīng)指紋產(chǎn)品對(duì)安全性的起碼要求；
3、 光電式指紋傳感器目前所用的是30萬(wàn)像素CMOS成像芯片，也可用于監(jiān)視器、攝像頭等產(chǎn)品中。但是，在攝像頭、監(jiān)視器等應(yīng)用中，如果有壞點(diǎn)，很容易被客戶(hù)識(shí)別，進(jìn)而基本不能被接受。然而CMOS芯片生產(chǎn)都有良率和芯片性能衰退的問(wèn)題，所以一般只要壞點(diǎn)不超過(guò)30%，就可能用來(lái)制作低檔的光電式指紋傳感器；
4、 用于數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)等主流產(chǎn)品的CMOS成像芯片解析度迅速提升，甚至手機(jī)上也流行配置數(shù)百萬(wàn)像素的攝像頭，適用于指紋應(yīng)用的VGA格式芯片迅速被淘汰，一線(xiàn)廠(chǎng)商紛紛停產(chǎn)。由于指紋應(yīng)用尚未真正形成規(guī)模，接手生產(chǎn)此類(lèi)低端芯片的廠(chǎng)商利潤(rùn)空間非常有限，因此光電式指紋傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)商往往只能采購(gòu)到已經(jīng)停產(chǎn)的OV7620等存貨（有保質(zhì)期的問(wèn)題），因此這也導(dǎo)致潛在的性能衰退的問(wèn)題出現(xiàn)，影響系統(tǒng)可靠性。

另外，光電式指紋傳感器還存在著其他一些固有的缺陷，包括：
1、 指紋采集窗口有指紋殘留，據(jù)說(shuō)在廣交會(huì)上，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)指紋保險(xiǎn)箱被陽(yáng)光照射，門(mén)自動(dòng)打開(kāi)的情況。
2、 采用一些很容易獲得的材料人為制造的假指紋同樣可以使光電式指紋傳感器采集到指紋圖像。在所有指紋采集技術(shù)中，光學(xué)技術(shù)是最容易被假指紋騙過(guò)的。針對(duì)光電式指紋傳感器的假指紋制作方法廣為流傳，有好幾個(gè)省市的駕校指紋考試系統(tǒng)因此被蒙蔽，造成嚴(yán)重的后果。
3、 因?yàn)樗至魇?，人在冬天時(shí)手指往往偏干，偏干的程度與氣候干燥程度及人體差異有關(guān)。 由于指紋采集原理的限制，光電式指紋傳感器很難對(duì)干的手指采集到清晰的指紋圖像，造成了這種產(chǎn)品對(duì)干手指識(shí)別率低（拒真率高）的問(wèn)題。手指越干，這個(gè)問(wèn)題越突出。在北方冬天氣候條件下，手指發(fā)干會(huì)導(dǎo)致很多人的手指無(wú)法被識(shí)別。這個(gè)問(wèn)題在北方地區(qū)尤其突出。
4、 在光電式指紋傳感器玻璃表面貼膜可以改善干手指的問(wèn)題，但是膜本身很不耐用，而且膜的使用使假指紋問(wèn)題更嚴(yán)重。 電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理