关于指纹传感器的调查报告
指纹传感器是获取指纹图像的专用器件，用以实现指纹自动采集,在自动指纹识别系统中起着关键作用。指纹传感器是指纹图像的自动采集和生成部分，是指纹识别产品的数据输入端。绝大多数指纹传感器通过光学扫描、半导体热敏、半导体电容等三种主要传感技术采集指纹图像。
指纹传感器的发展现状
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20xx年以后。 到20xx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20xx年之前处于从点到线的状态，那么20xx年之后指纹产业开始了从线到面的发展。
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。
指纹传感器分类、原理及优缺点：
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以下几类，同时也是较为常见的指纹传感器：
1 光学指纹传感器
始于19xx年的光学传感器是研究最早、应用最广泛的指纹图像传感器。其技术关键是光的全反射，手指置于加膜台板， 照射到压有指纹的玻璃表面时，反射光经电荷耦合器件转换为相应电信号，并传输后端进一步处理。其中，反射光强度取决于两方面因素：压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度、皮肤与玻璃间的油 脂和水分。
由于光线经玻璃照射到谷的区域后在玻璃与空气的界面发生全反射至CCD，而射向脊的光线被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到其他地方，这样，即 可利用CCD将有深色脊和浅色谷构成的指纹图像转换成数字信号。当然，为获得较高质量的指纹图像，还需采用自动或手工方式调整图像亮度等。
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的图像。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。但指纹图像采集区域较大时所需焦距亦较长，采集设备体积需随之增大，否则会导致采集的图像边缘线形发生扭曲。
该传感器局限性主要体现于潜在指印方面（潜在指印是手指在台板上按完后留下的），不但会降低指纹图像的质量，严重时，还可能导致2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。例如：将纤维光束垂直照射指纹表 面，探测其反射光；或将含有微型棱镜矩阵的表面安装于弹性平面，手指压该表面时，脊和谷压力的不同导致微型棱镜表面改变，这种变化通过棱镜的光反射体现出 来，进而实现指纹图像采集。
光学指纹传感器特有的高安全系数使得其运用极为广泛，从事该技术开发及应用的企业较多，中科院长春光机所和美国Identix是其中较突出的开发公司。目前，应用最广泛的是
美国Digital Persona公司U．are．U系列，它集成精密光学系统、发光二极管、半导体摄像头等，具有三维活体特点，能接收各个方向输入的指纹，即使指纹旋转 180°亦可接收。需特别指出的是，虽然大多数公司都利用光学技术采集指纹图像，但其发展趋势是新颖的、高质量的半导体指纹传感器。
2 半导体指纹传感器
始于19xx年的半导体指纹传感器应用多种新颖技术手段实现指纹图像采集，包括半导体电容式传感器、半导体压感式传感器（其表层是富有弹性的压感介质材 料，依指纹凹凸转化为相应电信号，并产生具有灰度级指纹图像）、半导体温度感应传感器（通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷间温度差异获取指纹图像）等，其中，应用最广泛的是硅电容式指纹传感器。
与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，半导体指纹传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素行及指纹局 部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力，即使对比度差的图像（如手指压得较轻的区域）也能被有效检测到，并在 捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度，生成高质量指纹图像。半导体指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。
硅电容式指纹图像传感器技术基础是电容值检测，包括常用的直流电容法，交流电容法。与光学传感器扫描指纹不同，硅电容式指纹传感器通过测量传感器与手指接触／非接触所产生电流变化 （电子度量）检测有无指纹，并根据指纹峰、谷等纹理信息实现高可靠性图像搜索。
其技术关键：在半导体金属阵列集成约100000个电容式传感器（外层绝 缘），传感器阵列每一点是个金属电极，相当于电容器阳极；手指放在上面时，皮肤组成电容另一极，传感面形成两极间介电层。电容值随脊（近的）和谷（远的） 相对于传感器阵列的距离而改变。由于指纹纹路深浅不同，硅表面电容阵列各电容值亦有异，该电容值被转换成8bit灰度图像，测量并记录各点电容值，即可获 得具有灰度级指纹图像。
当然，各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品，其中，技术新颖且先进的首推Veridicom公司推出的 ImageSeekTM，它通过改变指纹传感器电容阵列参数，能在1s内扫描多帧指纹图像，并自动选择图像质量最好的。该技术能适应各种复杂指纹，并能在 各种环境下获得从干手指到湿手指的高质量指纹图像，从而显著减低指纹识别系统误识率、拒识率。
作为该技术具体应用而推出新颖的、性能优异的自动指纹图像质 量提取的传感器
FPS200，它由256列，300行电容传感阵列组成，分辨力高达500dpi，内含用于采集指纹图像的采样保持电路，通过检测各传感单 元每次充电、放电后的电压差可获得相应传感单元电容值。每次捕捉各行图像后，该行各传感单元内就相应存放待数字化电容值，这样，通过调整放电电流大小和放 电时间即可改善FPS200灵敏度。
其高性能、低成本、微功耗、小尺寸等特性非常适合便携式产品要求，可广泛用于指纹认证、门禁控制、网络登录等。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。
3 超声波指纹传感器
超声波指纹传感器是目前精度最高、准确性最好的指纹图像采集器件。技术关键：超声波扫描指纹表面后，由相应接收设备获取反射信号，由于指纹脊和谷超声波阻抗不同，因而，反射到接收器的超声波能量亦各异，测量该超声波能量大小即可获得相应指纹图像。与光学
指纹传感器类似，超声波传感器亦首先扫描指纹表面，通 过接收设备获取反射信号，并转换为指纹图像。
但超声波能有效穿透指纹表面的灰尘、汗渍等（该特点远非光学采集技术可比），采集图像是实际指纹凹凸真实反映，采集的指纹图像质量极高。由于多种原因，该技术尚未大规模推广应用，其性能亦需进一步提高、完善。部分实验性应用表明：超声波指纹传感器同时具备光学传感器和半导体传感器的诸多优点，具有较为优越的综合性能。如，使用方便、耐用性好、成像面积大、图像质量高（分辨力高达1000dpi）等，最优采集性能方面亦较硅电容式传感器要好。作为该技术开拓者，著名的Ultra-Scan公司首开超声波指纹图像采集传感器先河，为高质量指纹图像采集发挥了重要作用。当然由于超声波传感器尚未广泛应用，因而很难准确评价其在长期大规模应用中的综合性能。
4. 温差感应式指纹传感器
温差感应式识别技术是基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差，产生一个代表图像信息的电信号。
它的优点是可在0.1s内获取指纹图像，而且传感器体积和面积最小，即目前通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。缺点是：受制于温度局限，时间一长，手指和芯片就处于相同的温度了。
指纹传感器的性能指标
衡量一个指纹传感器的性能好坏，主要看以下几个方面。
1. 成像质量
指纹传感器成像质量是衡量指纹传感器性能的首要指标。成像质量主要表现为对指纹图像的还原能力和去噪能力。性能良好的指纹传感器产生的图像"失真"和"形变"非常小，后续图像处理时可以忽略不计。分辨率是影响成像质量的第二个关键因素。分辨率越高，也就是单位面积上传感单越多，其获得的指纹图像就越细致真实。
2. 对不同类型手指的适用能力
由于不同手指指纹的纹路深浅不同，干湿度不同，污渍程度不同，老化程度不同。指纹传感器需要能够对所有这些情况有效兼容，是其适用能力的表现。当然不是所有指纹传感器都对这些类型手指作到"一网打尽"式的兼容，在选择指纹传感器时，需要针对应用场合的不同来选择。
3. 对气候环境的适应性
有的指纹传感器对潮湿和干燥的天气不能同时适应。尤其在中国，地域宽广，各地气候相差较大。在这种情况下，选择指纹传感器需要关注环境湿度和抗静电能力，即ESD参数。ESD一般分为四个等级，第四级要达到15KV以上。在南方湿度大的环境中使用时，需要关注其相对湿度方面的参数，确保指纹传感器可以工作正常。
4. 图像采集速度
第四看采集速度。采集速度表现为从手指放到传感器接触面后多长时间内完成一次指纹采集的时间，或者单位时间内可以采集的次数。指纹采集速度的快慢直接影响到用户的使用体验。
5. 电气特性
电气特性是从产品化的角度考虑指纹传感器是否真正可用于某种产品。电气特性主要关注两个参数，工作电压和功耗。如把指纹传感器应用到手机上，必然要考虑手机的现有供电方式能否满足增加了指纹传感器后的电压和功耗的要求。大部分指纹SENOSR的电压都在
3.6V以下（含）。
6. 硬件接口
硬件接口能力也是从产品化的角度来衡量指纹传感器的。硬件接口能力直接影响指纹图像数据的传送方式，影响着与指纹处理模块之间的通讯方式和通讯速度。目前USB接口已经成为外设与主机通讯的最主要方式，已具备USB接口能力的指纹传感器，可以直接与USB端口相连。而没有USB接口的，就需要通过USB控制器来实现，给产品化增加一道技术门槛。
7. 应用程序接口（SDK）
应用程序接口能力用于描述指纹传感器的功能，也就是与指纹传感器配套使用的程序接口的功能。一般在这些接口中定义了上层应用如何启动或终止指纹传感，以及如何控制指纹传感器的数据传输。包括发送指纹传感器初始化命令，要求指纹传感器开始或停止捕获指纹图像的命令，以及询问手指是在采集设备表面、甚至可以驱动指纹传感器判断待扫描物体是否为指纹。对于滑动式（SWIPE）指纹采集芯片来讲，还包括指纹重构（拼接）的命令接口等。当指纹传感器用于嵌入式产品开发中时，嵌入式开发包（EDK）的能力是考查指纹传感器能力的重要方面之一。
8. 使用寿命
在考查指纹传感器使用寿命时，一是从器件本身的衰变考虑，二是从指纹采集面的防磨损防腐蚀能力考虑。一般的光学采集表面比较怕磨损刮擦，而半导体传感的表面，都有坚固的涂层，保护芯片避免划伤。部分半导体指纹传感器表面可以用手指正常刮擦1000万次以上。对于需要经常在露天使用的指纹传感器，防腐蚀性能是需要重点考虑的。
9. 可装配性
指纹传感的体积、外形和封装，以及使用对象（如劳工、军人与OFFICE人员指纹的区别），对产品设计和生产也会产生较大影响。在进行指纹传感器选型时，这些都需要综合考虑。
10. 附加功能
部分半导体指纹传感器除了具备指纹图像采集能力之外，还能够感知手指的移动方向、手指的点击方式（单击双击），这被称之为导航能力。可以通过与软件配合来实现。笔者见过的一款导航能力非凡的指纹传感器，可以非常灵活的玩贪吃蛇游戏。
指纹传感器的应用
指纹识别技术是目前最成熟且价格便宜的生物特征识别技术。目前来说指纹识别的技术应用最为广泛，我们不仅在门禁、考勤系统中可以看到指纹识别技术的身影，市场上有了更多指纹识别的应用：如笔记本电脑、手机、汽车、银行支付都可应用指纹识别的技术。
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%。
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。
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
随着移动互联网的蓬勃发展，4G的正式商用，新兴互联网企业对O2O 商业模式的关注度和电信运营商对移动支付的投入度都在迅速提升，而伴随着美国棱镜门事件的曝光，信息安全更成为人们关注的重点。指纹识别技术以其独特的特的防伪性，可靠性，实时性，安全性和兼容性是生物识别技术应用中最广泛的，凝聚着市场巨大潜力的未来指纹识别应用大方向，目前主要分为四个：一是涉密系统，需要高度安全防护地方;二是针对大规模人群的身份鉴别的技术;三是针对城市公共事务的市民应用;四是从现实生活进入互联网虚拟世界的认证应用。相信，随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证，机动车，家居等更多的领域。未来5年，我国将有近百亿元的市场等待着企业去开拓。指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。