CN103440474A - 半导体指纹读取传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体指纹读取传感器装置，在读取指纹凹凸的传感器的区域旁设置另一传感区域，当手指放置在指纹传感器装置上的时候，检测手指电阻值的R传感器和检测手指电容值的C传感器的两个焊垫和将它们形成一对的接地焊垫放置在单片上，通过检测电阻的电路来测量接触手指的电阻值Rx，通过检测电容的电路来测量接触手指的电容Cx，通过测量出的电阻值及电容来判断手指的真伪以及确定手指的状态。其优点是：在认证是否是本人而读取指纹时，在以高精度确定所读手指是否为活体手指的同时，再根据手指的干湿状态来自动调整采样条件，以正确读出指纹。

Description

半导体指纹读取传感器装置

技术领域

本发明涉及一种指纹读取传感器装置，具体是一种能判断被检体是否是活体，并且能根据手指湿或干的状态自动调节采集条件，从而能准确的读取指纹的传感器装置。

背景技术

手指的出汗状况，周围气温及湿度，包括被检测者的身体状况等指纹模式的读取条件，就指纹读取传感器来说都有始终被固定在一定条件下的问题。此外由于指纹模式的读取条件也被固定于一般的手指状况，从而使一部分的被检者的指纹模式不容易被读取。光学式的指纹读取传感器装置，通过控制装载于CCD摄像头的快门速度，控制棱镜表面反射进入摄像头的光量来调节对比度。

半导体传感器由于装载方便，通过对读取的指纹图像进行解析，利用图像处理技术对指纹模式进行修改的软件被广泛应用。但是，用软件对图像进行处理的方法，不光增大处理时间，还会扰乱了实际指纹模式的细部信息，妨碍认证结果。

另一方面，用指纹来做为确认本人的时候，利用模拟指纹来犯罪的情况是今后需要面对的课题。近年来日本对外国来访者实施了指纹采集和指纹认证，以确认是否犯罪史，该系统被导入后，发生过将他人指纹复制于薄膜并粘贴于自己手指上的女性，轻易地通过了该指纹认证系统而过海关的新闻，这一新闻在海外也广为传播。针对这个问题而提出了很多判断手指是否为活体的生体检测法的方案。

用热导体传感器检测活体的装置，由于是通过体温和环境温度之间的差异来检测的方法，如果假手指被调节到适度温度的话，这种活体检测法将无法识破。

也曾提出通过读取脉搏检测活体的方案，但对于继想小又薄的半导体指纹传感器来说，很难利用。

对此，利用手指带的电容来检测是否是人的手指的活体检测装置。此检测装置，从手指所带的电容值与已定的电阻值，通过一定（频率）的CR振荡器生成矩形脉冲，测定脉冲的频率，与预先设定的阀值相比较，来检测手指是否是活体。

该方法，只是将检测到的值与预先设定的阀值相比较，如果用和手指有同样电容的材料制成的假指，则无法区分。也就是说，如果能够找到和手指有同样电容的材料，用它制成假的手指而不被识破是比较容易的，这是一个严重的安全缺陷。

此外，此方法用了含有施密特反相器的发信电路，温度的变化对它影响很大，由于外加电压和电阻值的设定，不发信的情况较频繁，需要时不时地调节。也就是说，不仅仅是体温，环境温度不稳定时受到的影响也较大。因此，装载于单片的指纹读取传感器上不太现实。

用与手指相同电容的材料所做的假手指的解决方法，将不同频率的多个外加信号施加于上述被检体，根据被检手指对多个外加信号的回答信号，来判断被检手指是否是活体，为了从外加电压部给手指传送2个和更多的不同频率的电压，外加电压部内需要2个以上的振荡器，以及为了对应不同频率的输出电压，需要增加元件数量，为了计算出手指的电阻，而需要的复杂的计算处理时间大大增加，所以小型化和低成本化的可行性较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种小型低成本半导体指纹读取传感器装置，在高精度地判断被检体是否是活体的同时，根据被检体的指纹状态来自动调节指纹采集条件，在最佳条件下高速采集指纹图像。

按照本发明提供的技术方案，所述半导体指纹读取传感器装置，包括读取指纹凹凸的传感器，在所述读取指纹凹凸的传感器的区域旁设置另一传感区域，所述传感区域包括：检测手指电阻值的电阻传感器和检测手指电容值的电容传感器，所述电阻传感器包括设置在所述传感区域表面的第一焊垫以及与第一焊垫相连的检测电阻的电路，所述电容传感器包括设置在所述传感区域表面的第二焊垫以及与第二焊垫相连的检测电容的电路，将所述第一焊垫和第二焊垫和将它们形成一对的接地焊垫放置在单片上；通过所述检测电阻的电路测量手指接触第一焊垫的的电阻值Rx，通过所述检测电容的电路测量手指接触第二焊垫的的电容Cx，通过测量出来的电阻值Rx和电容Cx来判断被检体是否为活体手指和/或手指的干湿状态。所述传感区域设有多个所述电阻传感器和电容传感器的列阵。

当所述电阻值Rx及电容Cx：在人体固有的电阻值及电容范围内，且，两个值之间没有电阻值大电容也大或者电阻值小电容也小的现象，且，检测时电阻值Rx和电容Cx有变化，则，被检体被判断为活体。

根据所述电阻值Rx和电容Cx的大小判断手指表面的干湿程度，电阻值Rx越小，电容Cx越大，表示越湿，干则相反。

进一步的，所述检测电阻的电路包括相对于被检体电阻值Rx而设定的已知电阻值的标准电阻Rs的分压电路，电阻Rs和第一焊垫均连接到第一AD转换器的输入端，对电阻Rs施加既定频率的外加电压，测量被检体的电阻值Rx和电阻Rs的分压电压，通过输入基准电压值Vref1的第一AD转换器数字化，作为数字信号输出。

进一步的，所述检测电容的电路包括相对于被检体的电容Cx而设置的已知容量的标准电容器Cs的分压电路，具体为：电容器Cs的一端和第二焊垫一起连接第二AD转换器的输入端，电容器Cs的一端还通过弹簧开关元件SW3接地，电容器Cs的另一端通过电容器Cc接地、通过弹簧开关元件SW1接既定频率的外加电压、通过弹簧开关元件SW2接地；第一步，打开弹簧开关元件SW1，关闭弹簧开关元件SW2和SW3，清除电路上所有的电容器的容量，第二步，关闭弹簧开关元件SW1，打开弹簧开关元件SW2和SW3，给电容器Cc充电，第三步，打开弹簧开关元件SW1、SW2和SW3，将充电后电容器Cc的电荷移动到电容Cs和Cx，通过测量手指的电容Cx和标准电容器Cs的分压电压，由输入标准电压Vref2的第二AD转换器数字化，作为数字信号输出，第四步，放电重置各电容器的电荷。

进一步的，监视输出的检测数据，当确认了手指放置在所述电阻传感器上而引起检测数据的变化后，启动整个传感器装置。

判断被检手指为“干”或“湿”时，根据所读取的电阻值Rx和电容Cx来调整所述读取指纹凹凸的传感器的感度，以调整所读取指纹的浓淡程度。

本发明的优点是：通过指纹进行人身份确认的时候，能够确认放在指纹读取传感器上的被检体是活体，或者判断是活体手指后再高精度地判别手指干湿状态的同时，结合手指的状态自动调节指纹图像读取条件以保证始终能在最佳的条件下采样。

附图说明

图1手指放在半导体指纹读取传感器上时的指纹采集示意图。

图2是图1的区域1中的C传感器和R传感器的组成元件的放大图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是检测电阻的电路图。

图5是检测电容的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，当手指放置在指纹传感器装置上的时候，检测手指电阻值的电阻传感器（以下称为R传感器）和，检测手指电容值的电容传感器（下文简称为C传感器），这两个焊垫和将它们形成一对的接地焊垫放置在单片上，通过附属于R传感器的检测电阻的电路，测量接触R传感器焊垫的手指的电阻值Rx，通过附属于C传感器的检测电容的电路，测量接触C传感器焊垫的手指的电容Cx，通过测量出来的电阻值Rx和电容Cx来判断被检体的真伪，或手指的干湿状态等，具备上述功能的传感区域1被设置在读取指纹凹凸传感器的区域2旁，共同构成整个半导体指纹读取传感器装置3。此传感区域1设有多个R传感器和C传感器的列阵。图1还包括半导体指纹读取传感器装置3的控制电路部分4和传感器装置与外部的信号连接端子列5。

图2是构成传感区域1中的传感器元件14的放大图。在半导体指纹读取传感器装置3的手指侧，由检测电阻值的R传感器的焊垫11和检测电容的C传感器的焊垫12和并列于中间的接地焊垫13构成。

手指同时触摸到焊垫11（PAD/R）和焊垫13时的电阻值Rx，手指同时触摸到焊垫12（PAD/C）和焊垫13时的电容Cx，这就是想要测定的值。

下面，根据电阻值Rx和电容Cx来判断被检体手指的真伪或手指状态等的原理，来进行说明。

（1）电阻值Rx及电容Cx，在人体固有的电阻（几兆欧）及电容（几皮法）允许范围内，（2）两个值之间没有电阻值大电容也大或者电阻值小电容也小的不合理现象，（3）电阻值Rx和电容Cx有缓慢变化。（1）、（2）、（3）得到确认的话，被检体被判断为活体。

相反，得出与（1）、（2）、（3）矛盾的结果，例如电阻值大电容也大或者电阻值小电容也小的情况，表明被检体是人工材料制成的。

本发明的传感器装置，当被检体手指放在上面时，读取从R传感器和C传感器输出的值，检测手指的电阻和电容是否在人体固有值的范围内，或者从这两传感器输出的两个测定值看手指表面是湿或者干的状态应有的值，判断互相之间有无矛盾，还有手指的电阻值和电容值是否变动，以上所述理由判断被检体是否为活体。

考虑到成人指纹的脊线和谷线的间距是600微米、设定各焊垫的长度L为几mm(可放一个脊线以上)，焊垫的宽度H和焊垫间的宽度为200微米。然而，这个尺寸是考虑到让寄生电容最小化的制约而选择的。图2所示元件14在传感区域1中被多数排列。

构成传感区域1的元件14的剖视图如图3所示。图2和图3中，为了简单说明，请注意手指的尺寸比实际夸大。

如图3所示，在检测电阻值的PAD/R焊垫11的下部连接着检测电阻的电路21，检测电容的PAD/C焊垫12的下部连接着检测电容的电路22。事实上，在PAD/R焊垫11和检测电阻的电路之间存在杂散电阻，在PAD/C焊垫12和检测电容的电路22之间存在寄生电容Cp。另外，图3中，各个焊垫看上去像是配置在芯片钝化层20的表面，实际上，也可以配置于钝化层20表面下几微米之处。

检测电阻的电路21和检测电容的电路22具体的电路图分别如图4和图5所示。如图4，检测电阻的电路21由相对于被检体电阻值Rx而设定的已知电阻值的标准电阻Rs的分压电路构成，电阻Rs和PAD/R焊垫(第一焊垫)11均连接到第一AD转换器23的输入端，将手指放在PAD/R焊垫11上，对电阻Rs施加既定频率的外加电压，测量被检体的电阻值Rx和电阻Rs的分压电压，通过输入基准电压值Vref1的第一AD转换器23数字化，作为数字信号输出。

下面根据图5就检测电容的电路22的原理进行说明。

检测电容的电路22，由相对于被检体电容Cx而设定的标准电容Cs的分压电路构成。此外，这个实施例里，在电路22上设置了初始充电用的电容器Cc，及三个弹簧开关元件SW1，SW2，SW3。电容器Cs的一端和PAD/C焊垫（第二焊垫）12一起连接第二AD转换器24的输入端，电容器Cs的一端还通过弹簧开关元件SW3接地，电容器Cs的另一端通过电容器Cc接地、通过弹簧开关元件SW1接既定频率的外加电压、通过弹簧开关元件SW2接地。

表1是检测电容的电路22的一个实施例，切换三个弹簧开关元件SW1，SW2，SW3开关的步骤顺序时电路22的变化。

表1

根据表1，第一步，断开（OFF）外加电压的弹簧开关元件SW1，通过合上（ON）剩下的两个弹簧开关元件SW2和SW3，复位清除（放电）检测电容的电路22上的所有电容器电荷，然后第二步合上（ON）SW1，驱动电荷的同时，通过断开（OFF）SW2和SW3，电容器Cc得到充电。第三步，通过断开（OFF）三个弹簧开关元件，Cc内电荷移动到Cs和Cx，根据他们的电容器容量而蓄电。此时加在两个电容器上的电压Vs和Vx，也根据其容量被分压，测定出电压值、由输入标准电压Vref2的AD转换器24数字化，作为数字信号输出。充电后的电荷，在第四步中被复位（放电）。

图5所示的通过开关检测电容的电路22的切换步骤来测定电容Cx的方法，使用电容器Cc这点上，要注意与类似的电容测定方法的不同之处。也就是说，为了测定指纹的凹凸而产生的微小的容量变化，像直接外加周期电压的方法，明显缺乏测定的精度，本专利实例中，通过在检测电容的电路22上设置初始充电用的电容器Cc，来提高测定精度。另外，在本专利内，电容器Cc也承担了过滤作用。

图5的检测电容的电路22内，为了简单说明，省略了弹簧开关元件的控制电路。

通过电路的图4和图5可以了解，此电路是仅由无源元件构成的简单结构，容易实施，而且由于使用和标准电压的相对值而不受温度变化的影响，保证稳定运行和输出。

从电阻值Rx和电容Cx得到的模拟信号电压值，将它数字化后进行判断并比较，为此本发明能够具有，从外部给设置于传感器装置内的寄存器输入既定的命令信号，激活上述电阻传感器和电容传感器，并将从它们输出的值进行模拟-数字转换后存储在存储器内，根据外部的输出要求读取检测值的功能。

本发明的传感器装置，即使在低功耗模式的待机状态下、也能保持R传感器在激活状态，根据外部的输出要求监视输出的检测数据，当确认了手指放置在电阻传感器上而引起检测数据的变动后，启动传感器装置使之处于激活状态的功能。

同时，判断被检体是活体之后，还能从电阻值Rx和电容Cx的结果来判断手指的湿或干的程度。也就是说，电阻值Rx小，电容Cx大的话就是湿的，相反可以判断为干的。

根据输出值Rx和Cx来判断是否是活体，按如下方式进行。

为了简单说明，假设从两个检测电路的AD转换器23和24输出的为4bit，即0—15的离散值，这个值的范围如下分为3种类型：0-2是“非常低的值”，13-15是“非常高的值”，3-12是“正常值”。这个“正常值”的范围根据环境条件可能有的变化通过调整参数使之符合一般所知活体的特性值。

在此范围内的输出值Rx和Cx，在一定时间内，比如在几百μ秒间有所变动：“Rx的值增加的话，Cx的值就减少”或相反“Rx的值减少的话，Cx的值就增加”诸如此类的发生相反变化的时候，可以判断被检体是活体。

被检体被确认是活体之后，进一步细分这三个输出值的范围，根据手指的状态自动调节指纹采样条件。

在得出被检体是活体的结论之后，将测定值Rx和Cx的值的“正常值范围”分[3-5]，[6-10]，[10-12]三阶段的话，Rx是[3-5]，Cx是[10-12]的范围手指是“湿”的状态，Rx是[10-12]Cx是[3-5]的范围手指是“干”的状态。

由手指的光源反射、透过和散射的所谓光学式指纹读取传感器或者手指的电容以及电界检测式的指纹读取传感器来采集的指纹图像，依据其图像的浓淡信息，手指是“湿”的状态的话，指纹图像会发暗，手指是“干”的状态的话指纹图像会会变淡的倾向。可以根据电阻值Rx和电容Cx来调节采样指纹图像的浓淡条件。调节的时候，可取采样指纹的一部分或全部，结合图像的浓淡信息综合判断。

具有指纹图像感知功能的检测指纹凹凸的传感器，通过调节其感度，可以调整指纹图像的浓淡程度。具体地说，光学式指纹读取传感器，通过调整受光部的开闭或快门的速度，而电容检测式指纹读取传感器，是通过调整放大电路的增益及电容的偏移量来调节传感器感度。

表2显示了Rx在[3-5]，Cx在[10-12]，以及Rx在[10-12]，Cx在[3-5]时指纹图像的浓淡程度，和此时电容检测式指纹读取传感器的对应方法。

表2

换言之，如果测量结果如表2中第一行，判断为“湿的手指”。在这种情况下，所收集的实际指纹的图像的浓淡程度变“暗”。为了以提高图像的质量，调小设置在构成读取指纹凹凸传感器的各像素内的信号放大电路的增益，扩大控制模拟-数字变换电路的偏移控制电路的极限值，可以提高整体图像质量。

此时，为了准确核实自动调节过程，使用实际采集的指纹图像数据的全部或一部分，以及图像的浓淡程度、数据平均值及标准偏差值一起来自动调节。自动调节的具体方法的实例，为了将指纹图像浓淡程度的标准偏差值最小化，可以通过线性规划法（线性规划）将增益和偏移值优化、使指纹图像处于最佳状态。

正如上所述，本发明具有，当被检体手指放在传感器上被判断为活体后，读取从R传感器和C传感器输出的值的大小来判断手指表面的干湿状态，并反馈结果，根据采取的指纹图像的浓淡情况，明显太深(手指湿的时候）或太淡（手指干）的时候，将设置在构成读取指纹凹凸传感器的像素内的指纹凹凸信息放大电路增益和模拟-数字转换电路的上限、下限（偏移）控制电路的特性值自动调整到一个最佳值的功能。本发明是，进行指纹认证时，能高精度的判别放于指纹读取传感器上的被检体是否为活体的同时，根据被检体的手指的状态，自动调节指纹图像读取条件来保证始终能在最佳条件下采集指纹图像的小型、低成本的指纹读取传感器。

Claims (8)

1.半导体指纹读取传感器装置，包括读取指纹凹凸的传感器，其特征是：在所述读取指纹凹凸的传感器的区域旁设置另一传感区域，所述传感区域包括：检测手指电阻值的电阻传感器和检测手指电容值的电容传感器，所述电阻传感器包括设置在所述传感区域表面的第一焊垫以及与第一焊垫相连的检测电阻的电路，所述电容传感器包括设置在所述传感区域表面的第二焊垫以及与第二焊垫相连的检测电容的电路，将所述第一焊垫和第二焊垫和将它们形成一对的接地焊垫放置在单片上；

通过所述检测电阻的电路测量手指接触第一焊垫的的电阻值Rx，通过所述检测电容的电路测量手指接触第二焊垫的的电容Cx，通过测量出来的电阻值Rx和电容Cx来判断被检体是否为活体手指和/或手指的干湿状态。

2.如权利要求1所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，当所述电阻值Rx及电容Cx：在人体固有的电阻值及电容范围内，且，两个值之间没有电阻值大电容也大或者电阻值小电容也小的现象，且，检测时电阻值Rx和电容Cx有变化，则，被检体被判断为活体。

3.如权利要求1或2所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，根据所述电阻值Rx和电容Cx的大小判断手指表面的干湿程度，电阻值Rx越小，电容Cx越大，表示越湿，干则相反。

4.如权利要求1所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，所述传感区域设有多个所述电阻传感器和电容传感器的列阵。

5.如权利要求1所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，所述检测电阻的电路包括相对于被检体电阻值Rx而设定的已知电阻值的标准电阻Rs的分压电路，电阻Rs和第一焊垫均连接到第一AD转换器的输入端，对电阻Rs施加既定频率的外加电压，测量被检体的电阻值Rx和电阻Rs的分压电压，通过输入基准电压值Vref1的第一AD转换器数字化，作为数字信号输出。

6.如权利要求1所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，所述检测电容的电路包括相对于被检体的电容Cx而设置的已知容量的标准电容器Cs的分压电路，具体为：电容器Cs的一端和第二焊垫一起连接第二AD转换器的输入端，电容器Cs的一端还通过弹簧开关元件SW3接地，电容器Cs的另一端通过电容器Cc接地、通过弹簧开关元件SW1接既定频率的外加电压、通过弹簧开关元件SW2接地；第一步，打开弹簧开关元件SW1，关闭弹簧开关元件SW2和SW3，清除电路上所有的电容器的容量，第二步，关闭弹簧开关元件SW1，打开弹簧开关元件SW2和SW3，给电容器Cc充电，第三步，打开弹簧开关元件SW1、SW2和SW3，将充电后电容器Cc的电荷移动到电容Cs和Cx，通过测量手指的电容Cx和标准电容器Cs的分压电压，由输入标准电压Vref2的第二AD转换器数字化，作为数字信号输出，第四步，放电重置各电容器的电荷。

7.如权利要求1所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，监视输出的检测数据，当确认了手指放置在所述电阻传感器上而引起检测数据的变化后，启动整个传感器装置。

8.如权利要求1所述半导体指纹读取传感器装置，其特征是，判断被检手指为“干”或“湿”时，根据所读取的电阻值Rx和电容Cx来调整所述读取指纹凹凸的传感器的感度，以调整所读取指纹的浓淡程度。

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