传感器论文

姓名：梁桂林 学号：U201113600 班级：自动化1104班

从iPhone5s的“TouchID”看指纹识别传感器

一．话题引入：iphone5s是苹果公司在2013年九月推出的一款新手机，一经推出，便得到了广泛关注与讨论。和上一代iphone5相比，iphone5s除了使用A7处理器和M7运动协处理器外，最大的亮点莫过于iphone5s的Home键加入的TouchID指纹识别传感器，本文以此为切入点，通过网络收集的资料，以及一些论文，浅谈指纹识别传感器的原理及应用。首先我们看一看指纹识别技术的发展以及常见的指纹识别传感器。

二．指纹识别技术发展：众所周知，由于人的指纹具有唯一性，稳定性，所以在身份认证方面有很大的应用前景。据记载，早在唐代我国学者贾公彦就提出“使用指纹辨别人”的方法，而其使用的历史更是可以追溯更远。但指纹自动识别技术直到上世纪六十年代才由FBI开始应用研究，但由于技术成本等原因，一直没有大规模应用开发。直到上世纪九十年代，随着微电子技术的不断进步，传感器技术及应用的日益成熟，指纹识别技术开始盛行。 三．指纹识别传感器分类以及工作原理：

指纹识别传感器主要有光学指纹传感器和半导体指纹传感器两大类，其中半导体指纹传感器又可以分为电容式，电感式，热敏式等。 1.光学指纹传感器[1]：

在指纹传感器发展的早期，主要都采用光学传感技术。所以光学指纹传感器也被称为“第一代指纹传感器”。所谓光学指纹识别传感

器，就是利用光的折射与反射原理，采集指纹信息，主要是建立在CCD(charge-coupled Device即电荷耦合元件，是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号的器件)技术的基础上。具体过程如下：

图一.光学指纹传感器原理图

如图一，首先光线从左侧射入三棱镜，在其倾斜面发生全反射，从三棱镜下表面射出，通过透镜光线在感光元器件CCD上成像，当手指压在三棱镜的倾斜面上时，由于指纹脊线与玻璃接触紧密，光的全反射就被破坏，光被吸收或发生漫反射；而指纹谷线则与玻璃间存在一定间隙，使全反射光保持着相当大的强度。这样，指纹的图像就被获取下来。从而通过CCD将光学影像转化为数字信号存入计算机。当然，随着技术的发展，目前CCD已经逐步被CMOS感光器件取代。 光学指纹传感器的主要优点是耐用坚固，对于温度、静电等外界条件的变化适应性强，且成本相对较低，而且它的取样窗口可以做的足够大。缺点主要是由于棱镜光路的存在使其体积无法做的很小，限制了在一些小型器件上的使用，且对于手指要求较高，但手指太干的时候图线太淡，手指湿度大的时候图像会模糊，此外功耗也比较大。

目前光学指纹传感器主要与考勤机、门锁门禁以及保险柜等场所。 2.半导体指纹传感器

由于体积、功耗等因素的限制作用存在，使得光学指纹传感器只能应用在考勤机等较大设备，而对于像一些笔记本电脑、U盘、以及iphone5s的“TouchID”等设备上采用的一般是半导体指纹传感器。 （1）.电容式指纹识别传感器[2]：

电容式指纹识别传感器是测量制作于硅片表面之“极板”阵列与手指之间电容。过程如下：

图二.电容式指纹传感器原理图

如电路图所示，当指尖按在传感器上时，由于指纹的脊与硅片表面的“极板”阵列之间距离较近，相当于两极板之间的距离较小，所以电容值较大；而指纹的谷与硅片表面的“极板”阵列之间距离较远，所以形成的电容值较小。这样由于极板阵列不同位置处电容值的不同，会有充电放电的过程，通过记录这些信息，便可以获得指纹的数字图像。例如，三星GT9000笔记本电脑就曾使用过给予电容式传感器制作的“触摸片”指纹识别传感器。 （2）.电感式指纹识别传感器[1]：

如图三所示，两个平行的充满电荷的金属板之间会产生一个电场，如

果改变顶部金属板的形状使它褶皱如指纹，则这两层之间的场强也会相应的变化。电感式传感器的采集器使用

图三.电感式指纹识别传感器原理图

手指作为顶层板，并使信号穿透手指。在皮肤的真皮层外面有一种细 胞死亡时产生的极为导电的含盐溶液，是极佳的导电层。传感器的外侧是一个导电环。当手指接触导电环时，导电环通过手指和前述导电层来发出一个信号信号的强弱与手指指纹的形状相同，这个信号与底层板的天线点阵形成电场，然后传感器通过其主处理器将电场强度进行转换表达为灰度指纹图像。 （3）.热敏式指纹识别传感器[1]：

热敏式指纹识别传感器的检测片上每个像素都是温度传感器，用于检测手指上温度变化来得到图像。

半导体指纹识别传感器主要优点是由于集成技术的发展，传感器可以做的很小，且批量生产成本低，可靠性、准确性也更高一些；主要的缺点是采样时手指与硅片接触紧密程度会影响结果，以及传感器硅片近乎“裸露”，使其耐腐蚀性差，容易损坏。

当然以上传感器都有一个共同的缺点就是，当手指表面有异物存在，或者手指褪皮情况发生时，会影响传感器的识别作用，当下有一种射频式指纹识别传感器很好的解决了上述问题。 （4）.射频式指纹识别传感器[2]：

射频式指纹识别传感器采用所谓“真指纹技术”，即通过波长远大于指纹间距的低能量射频信号深入皮肤内层即指尖真皮层采集图像。这样可以很好避免手指污脏或其他附着物的影响。 四．浅谈iPhone5s的“TouchID”指纹传感器[3][4][5]：

iPhone5s一发布，便遭到很多人吐槽，称其毫无新意，坦白地讲，相对于上一代，除去CPU速度提升外，就只加了一个“TouchID”指纹识别功能，而指纹识别早就有三星等其他手机厂商开辟了先河，所以大家觉得苹果只是跟风而已。我倒是觉得“TouchID”恰恰是5s最成功之处，因为它代表了苹果一个新的发展方向——生物识别技术在电子消费领域的应用。而这个过程中，指纹传感器必然发挥巨大作用。 其实苹果就是看准了指纹识别在电子产品中应用这块市场。早在2012年苹果以3.6亿美元收购指纹感测器开发与销售巨头AuthenTec公司的时候，很多业内人士便预测下一代苹果产品会携带指纹识别应用。果然随后苹果就申请了一项指纹识别传感器专利，而且发布的iPhone5s可通过TouchID配备的每英寸500像素传感器从各种各样的角度扫描真皮层，以确保应用的有效性。目前5s的指纹识别虽然目前局限于指纹解锁设备、授权iTunes和AppStore的购买行为，但是一旦苹果公司放开应用，比如允许第三方应用程序访问指纹传感器。

那么随着时间的推移，指纹扫描可能会成为登陆，身份验证和密码管理的核心。试想一下，假如我们可以利用指纹轻松方便的登录QQ、人人、微信、微博，我们怎能不喜欢。我们有理由相信在未来的某个时间里，指纹识别传感器就像现在的扫描二维码技术一样走到我们的生活中来，而其应用前景将远超过二维码。

当然，指纹识别技术也有一定的隐私泄露风险，虽然目前苹果公司承诺只是将指纹数据存放在芯片，而不上传到云端。但是如果管理不规范，指纹数据泄露很有可能会造成巨大的的损失。

总之，“TouchID”指纹识别传感器在未来的将会有巨大的应用前景这是毋庸置疑的，iPhone5s只是苹果在这一道路上的一个过渡产品，但它的意义是里程碑的,我们有理由相信这将是苹果公司再一次改变世界的新起点！

五．参考文献：

[1] 刘中秋，指纹传感器综述，第一届长三角地区传感技术学术交流会论文集，2004.

[2] 过玉清，指纹传感器的原理与应用，集成电路应用，第7期，2005.

[3] 百度百科，http://baike.baidu.com，2013/11/3

[4] IT专家网，http://news.ctocio.com.cn/454/12718954.shtml，2013/11/03

[5] 安果手机达人网，http://www.agmobi.com/news/info/article-45-5716.html，2013/11/3