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光学/电容传感方案趋成熟 指纹辨识应用热潮再起

2014-01-09 16:12
老猫
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  感测器/演算法为核心要素

  常见的指纹辨识装置可由两种元素组成。其一为指纹感测器(Fingerprint Sensor),主要目的是采集一枚完整的指纹影像。常见的指纹感测器有电容式(Capacity)与光学式(Optical)两种(图1)。

  图1 常见指纹辨识传感器原理图,左为光学式,右为电容式。

  另一个元素则为指纹辨识演算法(Fingerprint Algorithm)。当前端的指纹感测器采集指纹影像后,后续则是交由演算法进行指纹影像处理与指纹特征点抽取,生成指纹模板后将原始指纹图像丢弃,最后再进行指纹比对。一个好的指纹辨识演算法,除了比对精准与迅速外,最重要的是能根据应用场合与硬体架构调整其错误接受率(False Acceptance Rate, FAR)和错误拒绝率(False Rejection Rate, FRR);其中,FRR代表便利程度,数值愈低表示愈方便使用,FAR代表安全程度,数值愈低表示愈安全。

  电容式感测器

  指纹辨识感测器目前可依制程方式区分成半导体式与光学式。半导体晶片式感测器(Semiconductor Sensor)泛指利用IC设计与半导体制程方式来进行制造的指纹感测器,半导体式指纹感测器常见的应用原理有RF电容感测、压力感测、热感测等。其原理系将高密度的电容感测器,或是压力感测器等微型化感测器,整合于一晶片中,待指纹按压晶片表面时,内部微型电容感测器会根据指纹波峰与波谷聚集而产生的不同电荷量(或是温差),形成指纹影像。苹果(Apple)的iPhone 5s采用的就是电容式的原理。

  电容式的优点为薄型化与小型化,可被大量运用在手持装置上,不过其缺点为成本高及耐用性备受考验;事实上,电容式感测器为了维持一定的按压面积须切割整片晶圆,因此每一晶片产出的成本高;再者,由于其本身就是裸露的半导体晶片,因此其设计挑战在于如何抵抗手指本身汗水与酸硷对晶片表面的侵蚀以及静电防护。苹果在iPhone 5s指纹感测器表面增贴一层蓝宝石基板以进行防护是相当聪明的举动,此举解决过去电容式感测器耐用性不佳的问题。

  光学式感测器

  光学式指纹感测器为最早的指纹采集设备,始于1970年代,系利用光源、三菱镜、电荷耦合元件(CCD)的照相机组成一套指纹采集设备。利用手指按压三菱镜后,指纹的波峰与波谷对于全反射的吸收与破坏,得到一枚指纹影像,再经由照像机模组将影像撷取与输出。这也是现今所有光学式指纹感测器所仿造的架构与原理。由于光学式的采集方式是非接触晶片本身,也就是指纹按压处是由压克力或是玻璃等光学元件所构成,故光学式最大的优势就是价格低廉且耐用。这也可以从中正机场的快速通关或是美国、日本海关这些需要一天数十万人次使用指纹验证的场所,其使用的指纹采集设备均为光学式可得到验证。不过,它的缺点是体积较大,难以运用于手持装置内。

  [@B]采集方式分为按压与滑动[@C] 采集方式分为按压与滑动

  另一方面,若依照采集行为来区分,则指纹辨识装置的使用方式又可再细分为面采集(或称按压采集)与滑动采集两种,这两种采集方式各有厂商力拱。

  以iPhone 5s为例,即是采用按压采集,亦即将手指按压在指纹感测器的表面,此一行为模式是最符合人类对于指纹使用的行为模式。

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