CN100401980C - 用四点复阻抗测量的活体手指检测 - Google Patents

Abstract

通过测量紧靠结构表面的特征，来确定该结构的条件的方法及传感器组件，具体说，是用于确认是否在活体手指上测量指纹，该传感器包括：与电流源耦合的第一对电流供给电极，向皮肤提供电流；至少两个拾波电极，位于选择的并相对于电流供给电极不同的位置上；所述拾波电极至少第一个，耦合到测量电压的设备，该电压是所述第一拾波电极与拾波和电流供给电极之一之间的电压；存储装置，用于存储表征该表面某些条件的值的预定集合；和比较装置，用于把每一拾波电极得到的特征与其他拾波电极的测量比较，还与用于确定表面条件的特征的预定集合比较。

Description

用四点复阻抗测量的活体手指检测

技术领域

本发明涉及用于通过测量紧靠结构表面的特性来确定该结构的条件尤其是确认是否在活体手指上测量指纹的传感器组件和方法。

背景技术

基于电容或阻抗的指纹传感器是在生物测量识别中提供低价、小型化装置一些最有希望的途径。为此，该种传感器成为集成在移动电话等等中可能的对象。

为增强指纹传感器的可信度，非常重要的是，任何企图使用假的手指欺骗该系统的尝试，应当被检测和被拒绝。假的手指一般包括具有类似手指的电性质的材料板，并在板表面刻上或模铸出指纹。在更为极端的情形中，可以想象使用死亡的、切下的手指。

重要的是，对活体手指检测系统，接受假的手指的概率(错误接受比-FAR)和拒绝真的手指的概率(错误拒绝比-FRR)两者是极其低的。这一点对开发一种识别活体手指的真实特性和独特性质的方法是十分重要的，这些性质不能被合成材料或被其他非活体组织的生物物质轻易复制，而且这些性质是人群中绝大多数手指特有的。

对手指性质的某些类型的阻抗测量，基于低价电容的指纹传感器是理想的，因为大多能用现有测量结构，或增加若干特殊电极，把这种传感器直接集成在装置上。

近来已经研发了若干种不同类型的指纹传感器，从US 5,953,441中说明的二维矩阵传感器，经过US 6,289,114中说明的通系列半重叠部分像重构指纹像的传感器阵列，到EP 0988614中说明的直线型传感器，该种直线型传感器扫描手指表面，并使用测量的手指速度，重构手指图像。

检测活体手指的尝试，包括血液氧合作用和血液脉搏两种测量。但是，因为手指的血液循环在非常冷的手指中实际上不存在，这些方法远不是“防水”那么容易。这些原理的任一种都不易在低价装置上实现。

美国专利6,175,641、5,953,441、和专利申请US2001/0005424A1，全部说明基于不同阻抗的探查方法，探查置于指纹传感器上的物体是否为活体手指。

美国专利6,175,641涉及在光学矩阵传感器上的阻抗感测，该专利说明两种测量手指电特性的不同方法：第一种是，通过在传感器表面的两个分开得很小的电极梳状结构之间施加AC信号，局部地测量介电常数。该专利声称，这种测量能区别活体组织(高介电常数)与商业上的塑料(低介电常数)。

第二种是，传感器有称为双点电极的用于确定手指阻抗的电极，估计将给出可用来区分真实手指与假手指的附加信息。该专利还说，使用若干种频率可以增加测量的可靠性。

但是，在该专利中说明的方法有许多缺点。虽然介质测量或许对干燥的手指效果很好，但对有汗或潮湿的手指，该分开得很小的电极梳状结构很可能被含盐的汗液短路，得不到有用的信息。

此外，活体手指的阻抗，如用双点系统测量，可能随手指的湿度至少有一个量级的变化。因此，使用手指的阻抗作为判据来识别手指，是困难的，且阻抗的幅值和相位两者，及随频率的变化，可能被简单的日常生活中周知的材料欺骗，例如剥皮的马铃薯。

专利5,953,441说明如何检测对含有电容感测单元矩阵的AC电容指纹传感器的欺骗。这里对活体手指检测的主要想法，是通过环绕传感器面积的边缘的电极发送AC信号，并检测传感器单元上信号的相位，该相位表征活体手指的特征。

然而，该方法虽然排除了许多不同的假手指材料，但它也相对容易找出具有近似于手指相同相位的材料，从而骗过该系统。

专利申请US2001/0005424A1说明一种类似于6,175,641说明的方法。测量作为频率函数的手指的阻抗(或者在两个电极之间，或者在一个电极与“无限远”之间)。通过把曲线与参考曲线比较，然后可以检测手指的活体特性。但是，该方法只对上述方法增加了一小点。不同手指之间和同一手指不同状态(如对湿度)之间的绝对阻抗和频率响应，差别太大，以致“活体手指判据”有很宽的范围，所以该原理容易受骗。

国际专利申请PCT/NO03/00157(WO03094724)，本文收入该专利，供参考，该专利根据复阻抗的四点测量，说明另一种活体手指检测原理。该专利在两个电极之间通以电流或施加电压，同时在另两个电极之间测量电压降，所有电极均与手指表面接触。该四点原理应用于手指阻抗测量，可从图1看到。经过外侧的电极，通过手指发送AC电流，同时在两个内侧电极之间，用差分放大器测量电压降。

发明内容

本发明的目的，是要保证活体手指检测的四点测量系统，能用于补偿人群间手指特征中的差别，例如变化的角质层厚度。

为达到该目的，本发明包括一种具有至少四个电极的阵列的阻抗测量系统。这些电极可以直接与手指接触，或通过绝缘层与手指在电容上耦合。这些电容的排列，要使它们能用于至少两种不同的四点电极配置，该至少两种不同的四点电极配置，与电流和电压感测电极之间不同的相对放置对应。

四点技术的使用，使这种技术能消除角质层的串联阻抗，从而直接测量手指内部的阻抗。角质层的阻抗，与皮肤的湿度及环境条件如温度极其有关。由于皮肤湿度及环境条件，难以识别可用于分开真实手指和假手指的“窄”的判据。相反，手指内部的湿度在变化的环境条件下基本保持恒定。因而，手指内部的阻抗(活体皮肤和组织)远更恒定，且在人与人之间更具有再现性。

因此，四点原理使它更容易获得能用于识别手指是否为真的活体手指的“窄”的判据。

因为皮肤的层状结构，四点原理还给出固有的“深度选择性”：通过增加频率，使更深部分的活体皮肤对测量起作用。这样仅仅通过频率扫描，即可在电性质上测量深度特有的变化。

手指内部的活体组织还有独特的特征色散(电性质随频率的变化)，可用于以高度的可靠性识别真实手指。这些性质在死亡后或当手指从手切下后，会出现变化，从而还能确定手指是否为活体的。

PCT/NO03/00157(WO03094724)提出的原理的缺点，在于四点阻抗的测量仅以一组全部电极都有固定距离的电极实施。

与四点结构的电极相对位置有关，阻抗测量无论如何或多或少受角质层(horny layer)的影响。

在电流电极之间非常短的距离界限中，电流将完全不透入手指内部的活体皮肤，因此只给出单独的角质层测量。

在另一个用于大的电极距离的界限中，测量将在很大程度上由手指内部活体组织的性质确定。

因为不同人有不同的角质层厚度，固定的电极距离对不同人将给出不同结果，因此，这样将使固定电极测量如果不用非常宽的判据，难以识别活体手指。但如果判据不是很窄，则该原理更易于受骗。

本领域熟练工程人员周知，不同的电极配置，即电极的不同相对放置与接近电极的物体不同部分的测量对应。但是，手指被四点原理测量的部分，不仅由两个电流感测电极之间，以及两个电压感测电极之间的距离确定，还由电极的几何布局及电压感测电极相对于电流电极的相对放置确定。

通过启动阵列中的不同电极，或通过交换正在使用的电极的作用(电压感测或电流)，从而能够在不同的四点电极配置之间转换。

通过在阵列内许多不同电极配置之间的转换，从而能够对手指各部分，例如对应于不同的深度进行测量，因此能对例如角质层厚度的变化加以补偿。

举例说，对一个人使用一种电极排列观察到的特征色散(复阻抗随频率的变化)，可以对另一个人用另一种排列检测到。

为揭示同一色散，有非常厚角质层的人可能例如对电流注入电极或电压感测电极之间距离的要求，大于有薄角质层的人。

接受一个物体为活体手指的最小判据，可以是用至少一种电极排列，检测到至少一种与特有的阻抗有关的现象。

应当强调指出，侧重在“角质层厚度的差别”上只是示例性的。本原理可用于手指的所有性质，其中电极几何布局的变化，有助于揭示给定频率范围内某种与阻抗有关的现象。

最好是，为增强在优势的人群中检测活体手指的可靠性，可能的电极配置的数量，可以大于两种，例如3-5种。当然，各种配置能够按分开阵列的形式排列，有利于使要求的转换成为最小。

根据本发明的一个方面，这里提供一种传感器组件，用于通过测量紧靠结构表面的特性来确定该结构的条件尤其是用于确认是否是在活体手指上测量指纹，该传感器组件包括：一个电流源；位于彼此相对的选定位置上的至少四个电极，所述位置在所述电极之间提供至少两种相对距离，其中在所述至少四个电极之中的选定的第一对电极构成电流供给电极，在所述至少四个电极之中的选定的第二对电极构成拾波电极，而所述的至少四个电极之中选定的第二对电极之中至少一个电极不构成电流供给电极；一个与所述至少四个电极耦合的测量设备，用于测量所述的选定的一对拾波电极之间的阻抗，以便提供表征该结构的值，存储装置，用于存储表征该结构的一种选定条件的一个预定值组；和该传感器组件还包括：计算装置，用于将来自所述至少一对拾波电极之中的每对电极的特征性值与所述预定值组相比较，以检测所述结构是否在某种条件内，并且所述的传感器组件适合于将至少一个电流供给电极和所述的测量设备交替耦合到它们之间具有不同距离的不同的电极对，以便在所述结构中以不同的深度测量特性值。

根据本发明的另一个方面，这里提供一种使用与一个结构的表面耦合的至少四个电极并以这些电极之间至少两种不同的距离来表征紧靠该结构表面的结构的条件例如皮肤的两个表面部分即角质层和有生命力的皮肤的电特性的方法其中在所述的至少四个电极之中的选定的第一对电极构成电流供给电极，在所述至少四个电极之中选定的第二对电极构成拾波电极，其特征在于，该方法包括以下步骤：在所述的第一对电流供给电极之间的皮肤上施加电流或电压；测量所述的第二对拾波电极之间的阻抗，所述第二对拾波电极之中至少一个电极不是电流供给电极，并计算与这个电极有关的电的特性；相继地改变这些电极的作用，以在所述的第二对电流供给电极之间施加电流，并在拾波电极和/或电流供给电极之间分别以至少两种不同的距离进行测量；将测量的阻抗值与用以表征该结构的至少一种条件的一个预定值组相比较；和根据所述的测量阻抗值与所述预定值组的比较结果，确定该结构的条件。

附图说明

下面将结合附图说明本发明，这些附图以举例方式表明本发明。

图1示出用本发明的传感器组件查询的电学等效的两层结构。

图2示出用于转换本发明的多个电极作用的一种可能的配置。

图3示出一种区别活体手指与其他物体的多变数模型。这里要指出，如果只使用一个变数(不论是变数1还是变数2)，某些“假手指”(以红色标记)很可能被误作真手指。

图4示出对第一种电极配置作为频率函数的测量的阻抗绝对值。

图5示出对第一种电极配置作为频率函数的测量的阻抗相位。

图6示出对第二种电极配置作为频率函数的测量的阻抗绝对值。

图7示出对第二种电极配置作为频率函数的测量的阻抗相位。

图8示出对多个活体手指以频率作为参数的测量四点阻抗的实部和虚部。

具体实施方式

在图1中，把手指表面11置于多个传感器10之上。手指结构包括两层：活体手指的角质层12和活体组织13。角质层(horny layer)12在四个图示的电极10的每一个上分别构成阻抗Z1、Z2、Z3、和Z4，而活体组织表现为阻抗Z0。

在实际的装置中，四点测量可以通过传感器表面的电极阵列实施，如在薄膜、厚膜、或印刷电路板中规定的电极阵列实施。这些电极可以提供与手指的电流接触，也可以用薄的介质钝化提供从电极到手指的纯电容耦合。

各个电极(电流和电压电极两者)的典型大小是0.5-5mm²，典型的最小电极间隔，是0.3-2mm。

图2示出如何排列一个8个电极阵列以便能以多个不同的电流电极距离进行测量的例子。在图示的结构中，电压测量总在电极4和5之间进行，而用两个转换开关S1和S2实现电极1、2、3(AC源)与电极6、7、和8(AC漏极或接地)的不同组合，从而改变电流电极的距离。另外，可以交换电流和电压感测电极的作用，使电流总是在最靠内的电极之间发送，而电压测量则在剩余电极的不同组合之间转换。本领域周知，如果把一对电压感测与一对电流电极交换，则测量的阻抗基本上保持一样。

通过选择电极间的距离范围，使之与该人群的角质层厚度变化对应(或给出对应效应的其他变化，例如湿度的差别)，能够获得更直接地比较，从而使真实手指的判据变“窄”的信息。这样使活体手指的识别比任何上述方法有更高的确定度。

在设计一个读出系统时，重要的是把电压感测支路的输入阻抗最大化，因为太低的阻抗将产生影响测量原理的寄生输入电流。要使输入阻抗的这种效应最小，可以采用如在US 4,956,729中说明的放大耦合。使用具有与输入衰减器本身相同的电压的电极，通过屏蔽输入衰减器(pad)(和将它与放大器连接的轨迹)，也能够使电压衰减器的输入电流最小化(“有源屏蔽”)。这样的电压容易通过简单的电压跟随器级获得，在电压跟随器级中，输入电压被反馈至屏蔽电极。

如果放大器的输入阻抗足够高(或相当于如果输入电流足够低)，检测的电压将不受通过角质层的阻抗Z2、Z3、Z1、和Z4的影响，而只受表征手指内部特征的Z0的影响。

应当强调指出，在图中公开的系统仅是排列电极的一种可能的方式。从原理上说，所有产生两个或更多不同电极配置的电极排列都能够使用。对电压或阻抗的感测可以用指纹传感器单元自身。

依据活体手指的检测，对单一频率或某一频率范围上的每一种电极排列可以获得四点复阻抗测量结果。例如，可以用某一频率或多个不同的分散频率连续地测量这些性质。频率间隔最好在幅值的1-3个量级。

通过测量流过手指的电流和在一个信号循环中至少两个不同时间的微分电压能够对每一频率确定复阻抗Z0＝R0+jX0的电抗X0和电阻R0，也可以用其他检测复阻抗分量的技术。

活体手指数据最好就在指纹像捕获过程之前、之后、或更好是在指纹像捕获过程中记录。这使得首先用真实手指然后用有正确指纹图的假手指来欺骗系统是困难的。在某些系统中由于冲突信号使得活体手指检测和指纹成像不在能同一时间进行。在这种情况下，可以把指纹成像暂停一段短的时间，并在该时间帧中执行活体手指检测。重要的是，活体手指检测的时间要足够短，以免显著影响像的质量。

对EP 0988614中说明的扫描型传感器，活体手指检测可以通过如下方式完成：跳过例如一条或两条像数据线并在该时间中检测活体手指。在上述的申请中，所述的方案包括多个用于测量激发电极与传感器单元之间阻抗的传感器单元。按照本发明，传感器单元的作用可以在测量手指的一个测量周期或少数几个测量周期中改变。因为上述申请中说明的方案允许过抽样和拒绝非必要数据，所以在得到的指纹像中活体手指检测模式是看不见的。

在这种情形下，活体手指检测使用的几何面积与指纹成像使用的面积重叠也是重要的，以便使人确信被检测的活体手指与被成像的物体确实是相同的。

如前所述，接受一个物体为活体手指的判据可以根据与至少一种电极配置有关的至少一种阻抗参数的测量。

该参数例如可以是关于测量阻抗的值或值的组合，例如相位、幅值、电阻、或电抗，也可以是某些值随频率的变化。该参数还可以是某些导出的值，如某个参数获得某一值时的频率。

在一个优选实施例中，这些参数中至少一个与观察的测量4点手指阻抗的相位变化有关，该变化出现在约从10kHz到1MHz之间的频率范围。在该频率范围中，随着阻抗的优势部分从电容性改变为电阻性，可以认为阻抗的相位已经经过50-90度的相移。

从占优势的电容性到电阻性的阻抗变化也可视作阻抗幅值的频率导数的变化，亦即当频率通过某一典型频率时该频率导数从负的变成零附近。

图4-7示出对不同人的多个活体手指在两种不同的电极配置下测量的阻抗幅值和相位。图4和图5示出一种电极配置，而图6和图7示出另一种电极配置。

在这两种配置中观察到很大的正的相位移动，还观察到阻抗曲线在相位跃迁的频率上基本是平坦的。

对我们测试的任何其他物质没有观察到类似的现象。当只用两点阻抗测量来测量手指时，没有观察到如此大的相移。因此，这一点可以作为确定手指有效性的判据。

这一频率变化的性质例如它的幅值和它的跃迁频率可以按许多不同方式表征。例如，该被测量的复阻抗可以作为频率函数画成曲线，即画出相位与幅值对频率的曲线，或以频率作为参数画出虚部对实部的曲线，见图8。在图8中示出测量的阻抗的虚部和实部Z_I、和Z_R，并且表明对于识别活体手指的可能的分析。如上所述，这些曲线的斜率、重心、或长度是一些用于识别活体手指的可能的参数。在一个优选实施例中，用斜率作为活体手指确认的基础。

后一种方法的优点在于，对不同的手指，即使跃迁点出现在非常不同的频率上，曲线看起来都是类似的。

这些曲线的某些特性例如曲线的导数、长度、“质量中心”、特有的跃迁频率、或当曲线接近某一值时的频率可以通过自动计算单元随后导出，并且用以作为活体手指的识别参数。熟练的工程人员熟知，同一测量性质可以用数学上等效的多种方式表示。

还观察到，当电极间的距离增加时典型的移动频率发生变化。这是因为更大的距离一般给出手指中更深的测量深度，而手指的电性质是随深度改变的。通过把对应于短的距离的图4和图5曲线，与图6和图7的那些曲线(较长的电极距离)比较，可以清楚看到这一点。图4和图5中典型的跃迁频率比图6和图7中的低很多。

测量的跃迁频率随电极距离变化是活体手指的重要特性，能够用参数表示，而且这一参数或这些参数能够用于改进活体手指的识别模型。

从图4-7可见，实际的跃迁频率随人而变。这可能是由于湿度或角质层厚度的变化的缘故，并可以通过在更大频率区间上的测量，或通过在几个不同电极距离上的测量加以校正。从曲线可见，增加频率对于相位的作用与增加电极距离的作用几乎相同。在跃迁频率附近，频率或电极距离的增加通常会增加活体手指的相位。电极距离和相位之间的这种特有的关系能够在数学上模型化，并用作又一个识别活体手指的判据。

接受活体手指的判据最好是根据多于一个参数的测量。一组相关的参数或变数能够通过例如把获得的阻抗馈送到多变数模型(如图3所示)而被发现。根据一个优选实施例，该组参数是图8所示的阻抗数据。

通过对活体手指和假手指测量的数据进行统计分析，该模型将输出一组加权的、组合的变数(通常是两个或三个)，这些变数是对区分真和假手指优化的。因此，该模型在该数据组内包括足以区分真的、死亡的、和假的手指的选择的偏差界限。

变数最好用任何可用的方法归一化，以避免变化的传感器特性等等的影响，且变数最好是统计独立的。

用于获得需要的变数的电极配置，最好由信号处理系统根据若干电极配置的测量来确定。这种电极配置可以用若干不同电极获得，例如上面在指纹扫描器中所说的，但涉及包括许多在皮肤上进行测量的电极的其他系统。

对于上面讨论的传感器组合的变化的一种可能的替代方案是一次测量用一种配置直到测量符合给定的判据时为止，之后推断出或转换至第二种配置。还可以把不同电极配置获得的测量组合起来。

对手指的两点阻抗数据或其他的测量(如温度)可以与四点数据组合使用，以增强针对假的或死亡手指的选择性。只有所有特有的变数都落在一定界限之内的物体才认为是活体手指。其他物体将被拒绝。

图3示意画出有两个变数的模型，其中只有落在指出的椭圆区(获得的数据以三角形表示)内的物体才可以认为是活体。椭圆以外的圆圈对应于被拒绝的物体。

概而言之，本优选的方法不仅要求一个特有的值，而且要求一组在一定界限内的变数，本方法将使构造一种“假手指”材料变得极其困难。另一方面，死亡的手指由于手指死亡后发生的生物过程改变了电参数，将被拒绝。

Claims (10)

1.一种传感器组件，用于确定一种结构的条件，以便通过测量靠近该结构表面的特性值来确认所述的结构是否是由皮肤的活体组织构成的，该传感器组件包括：

一个电流源；

位于彼此相对的选定位置上的至少四个电极，所述位置在所述电极之间提供至少两种相对距离，其中所述的至少四个电极之中的至少的第一对电极耦合到所述电流源，从而构成电流供给电极，用于为所述结构提供电流，和所述的至少四个电极之中的至少第二对电极构成拾波电极，并被耦合到一个测量设备，以便测量由所述拾波电极的阻抗所表征的特性值，

存储装置，用于存储表征该结构的一种选定条件的一个预定值组；和

计算装置，用于将来自所述第二对电极的所述特性值与所述预定值组相比较，以检测所述结构是否在某种条件内，

其特征在于：

所述的传感器组件被提供有控制装置，通过将所述至少四个电极中的不同对耦合到所述的电流源和所述的测量设备和通过改变所述电极对的相对位置来至少局部地互换所述电极的作用，以用不同对的拾波电极和电流供给电极测量特性值。

2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述的供给电流是在一个选定的频率范围内振荡的。

3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，还包括：测量装置，用于测量每个拾波电极的复阻抗，并且其中所述的计算装置包括：比较装置，用于通过确定所述复阻抗作为频率函数所画成的曲线的斜率，将作为所加频率函数的复阻抗信号的虚部和实部进行比较，还将该斜率与表明活体手指的预定斜率组进行比较。

4.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，第一对所述供给电极与所述第一对拾波电极之间的距离小于1mm。

5.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述的控制装置使所述的拾波电极和所述的电流供给电极的作用相继地交换，以便改变传感器之间的相对位置，从而改变所述表面的测量特性值。

6.根据权利要求5所述的传感器组件，其特征在于，还包括：测量装置，用于测量每个拾波电极上的信号的相位，并且其中所述的计算装置包括：比较装置，用于在与该信号相位对应的选择的频率上，比较所述的拾波电极与所述的电流供给电极之间的距离，还将这些参数与表明活体手指的一个预定组相比较。

7.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述的拾波电极是由一个指纹传感器阵列中的传感器单元构成的。

8.一种使用与一个结构的表面耦合的至少四个电极并以这些电极之间至少两种不同的距离来表征紧靠该结构表面的角质层和有生命力的皮肤的电特性的方法，其中在所述的至少四个电极之中的选定的第一对电极构成电流供给电极，在所述至少四个电极之中选定的第二对电极构成拾波电极，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在所述的第一对电流供给电极之间的皮肤上施加电流或电压；

测量所述的第二对拾波电极之间的阻抗，所述第二对拾波电极之中至少一个电极不是电流供给电极，并计算与这个电极有关的电的特性；

相继地改变这些电极的作用，以在所述的第一对电流供给电极之间施加电流，并在拾波电极和/或电流供给电极之间分别以至少两种不同的距离进行测量；

将测量的阻抗值与用以表征该结构的至少一种条件的一个预定值组相比较；和

根据所述的测量阻抗值与所述预定值组的比较结果，确定该结构的条件。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在两个电极之间施加电流或电压的步骤包括：施加变化频率的信号，并在一个所述电流供给电极与离所述电流供给电极的已选择距离上所定位的至少两个拾波电极之间测量复阻抗。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，测量的阻抗的比较是通过确定所述复阻抗作为频率函数所画成的曲线的斜率将已确定的斜率与表征活体手指的一个预定值组相比较而进行的，所述曲线作为所加频率的函数以描述被测量阻抗信号的虚部和实部之间的关系。

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