CN106257487A

CN106257487A - 指纹感测系统

Info

Publication number: CN106257487A
Application number: CN201610439322.5A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·苏沃德
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: EP3109793B1; EP3109793A1; US10372965B2; US20160371527A1; CN106257487B

Abstract

本发明描述了用于指纹感测/校验的装置(560、660、760)，所述装置(560、660、760)包括：包括多个传感器电容器(101)的传感器系统(100)，每个传感器电容器包括中心电极(103)以及环状地包围所述中心电极并连接至接地电位的外围电极(105)；其中，在接近所述传感器系统放置手指(317)时，在所述多个传感器电容器的所述中心电极和所述外围电极中的每个电极之间的电场的变化用于检测所述指纹。

Description

指纹感测系统

技术领域

本发明涉及用于指纹感测的装置，确切地说涉及指纹校验或验证，涉及包括指纹校验系统的应答器以及指纹感测的方法。

确切地说，本发明涉及智能卡，具体来说涉及允许将用户校验信息登记到智能卡中的电容式指纹感测接口的集成，以及此外，涉及此类指纹校验装置的制造。

背景技术

在像非洲的发展中世界的地区，有生物识别支付校验的需求。在此些区域中的智能卡持卡人不习惯记忆PIN码。因为这些区域仍然处于发展过程中，可用于生物识别校验令牌和基础设施的预算受到限制。当前可用的智能卡基础设施是基于接触的并且读卡器并不可靠地准许在智能卡插入到读取装置中时通过智能卡的表面捕获指纹图像，因为在读取器与智能卡通信时，整个卡表面被读取器覆盖并且接近卡表面是不可行的。

因此，有提供以非接触式和无电池模式操作并与现有智能卡基础设施兼容的买得起的生物识别校验令牌的需要。

当前可用解决方案的已确定的三个主要问题是：功耗、成本和校验速度。

功耗的限制因素是指纹扫描装置自身。实际的电容式指纹传感器执行人指纹的全区域扫描，从而导致过高的整体功耗。

装置成本的另一限制因素是高速缓存供后续处理的所扫描数据需要足够大的存储器。从成本的观点来看，需要减少所扫描的数据的量以便能够减小所需的高速缓存存储器的大小。

另一限制因素是校验速度。处理完整区域扫描的数据需要可提供足够的计算能力(以MIPS表示)的计算装置。当前，大部分的处理时间浪费在并不对最终提取的指纹特征有帮助的扫描区域上。因此，需要减少所需的数据量以便能够更快运行图像处理。

已知可按惯例使用电容式传感器阵列来检测用户的指纹。由此，人皮肤按惯例充当相对电极。常规的电容式传感器阵列需要周围的或外部的金属环(带槽框)。此外，根据常规的电容式传感器系统，人皮肤充当相对电极的电极按惯例连接至接地电位。

已观察到，常规的指纹感测系统需要难以在移动装置，例如智能电话、智能卡等中实现的特定构造特征。此外，常规系统可能需要妨碍在便携式或移动装置中使用此类系统的大量能量。

因此，可能需要指纹感测装置尤其是指纹校验系统、包括此类指纹校验系统的应答器以及用于指纹感测尤其是指纹校验的方法，这些系统和方法减少前述缺点中的至少一些缺点。

为了满足上述需要，提供用于指纹感测尤其是指纹校验的装置、包括所述指纹感测装置的应答器以及用于指纹感测的方法，如独立权利要求所指定。从属权利要求限定本发明的具体实施例。

发明内容

根据本发明的实施例，提供包括传感器系统的用于指纹感测(校验/验证)的装置，该传感器系统包括多个传感器电容器(例如，在平面中布置成二维阵列)，每个传感器电容器包括中心电极和环状地包围该中心电极并连接至接地电位的外围电极；其中，在将手指接近该传感器系统放置时，在该多个传感器电容器的中心电极和外围电极中的每个电极之间的电(杂散)场的变化用于检测指纹(手指的表面形状)。

该装置可被集成到或用在移动装置，例如智能电话、膝上型计算机、平板计算机或尤其是应答器另外尤其是智能卡等中。

传感器电容器中的每个传感器电容器的中心电极(由导电材料制成)被相应的外围电极(也由导电材料制成)完全包围，尤其是包围在平面中。在操作期间或尤其是在特定操作步骤期间，电压可施加在相应的中心电极和相应的外围电极之间。由于中心电极、外围电极的几何形状以及在该中心电极和该外围电极之间的材料，每个传感器电容器可具有特定的原生电容。存储在特定传感器电容器上的电荷取决于在该中心电极和该外围电极之间的电压以及该传感器电容器的电容。该传感器电容器的电容可主要由杂散场电容构成并可能被接近该中心电极和该外围电极的手指影响和改变。确切地说，放在传感器系统上或接近该传感器系统放置的手指，尤其是手指的表面形状可影响在该相应中心电极和该相应外围电极之间的直接电场和杂散电场的总和，由此改变该电容，使得该电容不同于在没有手指接近该传感器系统放置时所观察到的该原生电容。在该传感器电容器中的每个传感器电容器的该中心电极和该外围电极之间的电场的变化可与相应传感器电容器的电容变化相关联。指纹可呈现带有升高区域(脊部)的部分和带有非升高区域(谷部)的其它部分。该电容变化可包括关于接近该传感器系统放置的手指的表面形状的信息，并因此该信息指示指纹的升高部分或非升高部分的存在，并因此完全指示手指的指纹的图像。

电容可以多种方式测量或读出。例如，该电容可转换成与该电容成比例或与相对于原生电容的电容变化成比例的电压信号。对于构建指纹感测或校验装置，可以不再需要包围传感器系统的金属环(带槽框)。可以不需要大量的能量操作传感器系统，使得该传感器系统可在移动装置，尤其是不具有内部能量供应而是由外部场例如RF场供电的装置中操作。

一般而言，外围电极可彼此隔开或可彼此电连接。由此，可简化制造指纹感测或校验系统。

根据本发明的实施例，中心电极具有矩形尤其是正方形的形状，其中，尤其是电场的变化改变相应传感器电容器的电容。

由此，中心电极可易于制造。相应外围电极可包括形状可与该中心电极的外缘的形状(尤其是矩形、正方形)类似的内边缘。例如，导电材料可选择性地应用于非导电基板或材料，由此形成将中心电极与外围电极隔开的由非导电材料制成的环。分隔环的宽度可为沿该中心电极的周长是恒定的。

根据本发明的实施例，中心电极和/或外围电极包括至少一个凹部和至少一个突起，该凹部和突起被布置以使得一个电极的突起延伸到相应的另一个电极的凹部中。

外围电极和中心电极可在平面中形成。可认为凹部表示相应电极的凹形部分，以及可认为突起表示相应电极的凸形部分。因此，该电极中的一个电极的凸形部分可延伸到相应的另一个电极的凹形部分中。电极的周长可定义为相应电极的边缘长度的总和，该边缘与该相应的另一个电极的相应边缘相对或毗邻。例如，中心电极的周长可定义为该中心电极的外边缘长度的总和。外围电极的周长可定义为该外围电极的内边缘长度的总和。电极的周长越大，相应原生电容可能就越大。该传感器原生电容越大，传感器灵敏度可能就越大。因此，通过该电极设有至少一个凹部和至少一个突起，该一个或多个周长可增大并因此可提高该传感器灵敏度。

根据本发明的实施例，指纹校验或感测装置另外包括读出系统，其适用于选择性地生成指示多个传感器电容器中的每个传感器电容器的电容的输出信号。

读出系统可以多种方式配置或构造。该读出系统可被配置成精确读出多个传感器电容器中的一个传感器电容器，或例如并行读出该(相邻)多个传感器电容器中的一组传感器电容器。输出信号可例如通过模/数转换器转换为数值信号。与该多个传感器电容器的电容的变化对应的多个输出信号可用于生成指纹的图像。此类图像可存储在电子存储装置中。

读出系统还可包括电容-电压转换器，其适用于将多个传感器电容器中的每个传感器电容器的电容转换为与该电容成比例的电压。电压信号可易于被后续处理设备进一步处理。在具体实施例中，该电压可能不一定与该电容成比例，但是在该电容增大时，该电压也可增大。在其它实施例中，借助于在输入电压和数字输出值之间具有非线性关系的模/数转换器，可建立在该传感器电容之间的非线性关系。

下面的表1示出了非线性变换函数的例子，其中，第一列指示输入电压，第二列指示十进制输出，以及第三列指示二进制输出。如可以从表1所观察到的，在输入电压增大一倍时，十进制输出增加1。选择稍微高于系统噪声级的第一量化步骤可能是有利的。此外，将该量化步骤增加1倍可能是有利的，因为通过包括二进制移位运算，可产生从对数表示到线性表示的快速数值变换。

表1：

输入电压	十进制输出	二进制输出
			0.000V	0	000b
0.020V	1	001b
			0.040V	2	010b
0.080V	3	011b
			0.160V	4	100b
0.320V	5	101b
			0.640V	6	110b
1.280V	7	111b

在非线性关系是对数的情况下，可产生比在线性变换关系的情况下需要更少的被存储以用于表示电压电平(电容值)的数据位的数据压缩。这种行为可节省数据存储器空间，这直接转换为成本节约。在一个实施例中，高达7的对数量化水平可用于将输入电压转换为3位数字表示，因此提供类似于8位线性量化的最低有效位的分辨率。

根据本发明的实施例，电容-电压转换器包括：运算放大器，尤其是运算跨导放大器，该运算放大器具有连接至接地电位或参考电位的非反相输入端，其中，传感器电容器中的每个传感器电容器可选择性地连接至该运算放大器的反相输入端；读出电容器，该读出电容器被连接在该运算放大器的反相输入端和该运算放大器的输出端之间；开关系统，该开关系统适用于选择性地尤其是连续性地将多个传感器电容器中的一个或多个传感器电容器的电容转换为在该运算放大器的输出端处的相应电压。

运算放大器可为常规的运算放大器。该运算放大器可具有非转换输入端、反相输入端和输出端。该读出电容器可具有与该传感器电容器的原生电容相同或不同的电容。因此，该读出电容器可以在该运算放大器的输出端和该运算放大器的反相端之间的反馈路径中连接。开关系统可包括多个开关(例如，用于传感器电容器中的每个传感器电容器的一个开关或两个开关；用于多个传感器电容器中的每行传感器电容器的一个开关；并联连接至该读出电容器的一个开关以及连接在该运算放大器的输出端和该采样电容器之间的一个开关)。根据一个实施例，连接至传感器的开关可由移位寄存器控制，该移位寄存器加载有可通过该寄存器移位的数字图案，由此，在无需提供专用列和行地址线的情况下控制所述开关。

根据本发明的实施例，为了读出特定传感器电容器，开关系统适用于在手指接近传感器系统时：对读出电容器放电，将特定传感器电容器的中心电极连接至运算放大器的反相输入端，直到在反相输入端处的电压处于存在于非反相输入端处的电位，在此情况下，在运算放大器的输出端处的输出电压指示特定传感器电容器的电容，并因此指示在接近特定传感器电容器放置的区域中的指纹表面形状。

开关系统另外尤其适用于在将特定传感器电容器的中心电极连接至运算放大器的反相输入端之前，通过将特定传感器连接至参考电压来对该特定传感器充电，或在将特定传感器电容器的中心电极连接至运算放大器的反相输入端时，对至少一个寄生电容器充电，由此发生电荷共用。

由此，提供开关系统的两种不同配置。在这些配置中的一种配置(类型A)中，待读出的相应传感器电容器首先被充电至参考电压。接着，在待读出的特定传感器电容器与至少一个寄生电容器之间的电荷共用发生。电荷共用取决于相应传感器电容器的(变化)电容，该电容变化由接近该相应传感器电容器的手指的存在而引起。

在另一配置(类型B)中，待测量的传感器电容器未被充电，但尽管如此，仍发生与事先被充电的至少一个寄生电容器之间的电荷共用。并且在此情况下，电荷共用也取决于接近待测量的相应传感器电容器的手指的表面形状。开关系统或读出系统的其它配置是可能的。

根据本发明的实施例，电容-电压转换器另外包括采样电容器，该采样电容器可连接至运算放大器的输出端以对读出电容器的输出电压采样，尤其另外包括用于将该采样电容器的电压转换为数值的模/数转换器，其中，读出电容器的参考电压和/或电容尤其是计算机可控的。

确切地说，可在运算放大器的输出端和采样电容器之间提供开关。该开关可被短暂闭合以对至采样电容器的运算放大器的输出信号采样。

改变读出电容器的电容可允许改变系统的灵敏度。改变参考电压也是如此。

根据本发明的实施例，该装置另外包括适用于控制传感器系统的传感器系统控制器，以便以低分辨率检测在手指的概观区域中的指纹特征、在该概观区域中识别细节丰富子区域(确切地说，包括至少一个脊部末梢和/或脊部岛状物和/或脊部分叉和/或脊部交叉)、以高分辨率检测在该子区域中的指纹特征，确切地说，该子区域的大小的总和在概观区域的大小的20％和50％之间。

传感器系统控制器可控制开关系统，确切地说，通过向多个开关尤其是半导体开关(例如MOSFET)提供开关信号。

传感器系统控制器可例如首先以低分辨率读出被传感器电容器覆盖的整个区域，例如通过并行读出2×2邻近的传感器电容器(例如，通过并行读出在传感器电容器阵列的一行中的两个传感器电容器和在一列中的两个传感器电容器)。高分辨率可为传感器电容器在该低分辨率期间在两个维度中的每个维度中读出的分辨率的两倍或三倍或四倍。在另一个实施例中，指示该传感器电容的电压可被量化为可能低至1位的更低分辨率。在此情况下，高分辨率采样意味着利用大量的量化步骤来采样。

概观区域可覆盖整个传感器系统敏感区，即被多个传感器电容器覆盖的区域。指纹可通过脊部和谷部的形状或图案来表征。指纹的细节丰富子区域可包括比细节稀少子区域更高的频率对比度或空间频率分量，例如傅里叶分量或小波分量。细节丰富子区域可能比其它细节稀少子区域更适用于执行指纹验证或校验。对于待校验或验证的特定用户而言，该细节丰富子区域可包括更多特征。由于该概观区域以低分辨率记录，存储该低分辨率指纹表示所需的存储量可保持在可接受的限度。此外，由于只有特定细节丰富子区域以高分辨率提取和记录，而且指纹的高分辨率子区域表示的总和的大小可以不超出可用存储容量并且可以不需要大量的存储。因此，该装置很适合被集成到具有有限存储容量的装置例如移动装置，尤其是智能卡中。

根据本发明的实施例，该装置另外包括存储装置，尤其是包括于安全元件中的存储装置，该存储装置用于存储表示授权用户的指纹的参考指纹数据，尤其是使用传感器系统获得的数据，该装置另外包括比较器，尤其是包括于安全元件中的比较器，其适用于比较相对于该参考指纹数据的在至少一个子区域中的指纹特征，以及指示该比较结果的指示器。

由此，指纹感测装置可容易地适于用作指纹校验或验证系统。从未知用户记录的指纹可与存储在存储装置内的参考指纹表示比较和匹配。比较器可执行特定的图像处理功能。比较可例如包括计算相关函数、旋转待比较的图像或子区域中的一个，等等。确切地说，参考指纹数据可使用与用于采集未知用户的指纹表示的指纹感测系统完全相同的指纹感测系统来采集。通过使用同一个传感器系统来采集参考数据和实时数据，可提高校验或验证精确度。

指示器可例如包括LED或在显示屏上的文本输出。此外，比较的结果可例如在支付交易期间传送到外部装置，例如读卡器，该读卡器为接触式或非接触式读卡器。

根据本发明的实施例，识别细节丰富子区域包括将低分辨率表示转换为频率/小波域，确切地说计算Haar小波变换并分析其频率内容。

确切地说，(图像)高速缓存可具有在16kB和128kB之间的容量。在该高速缓存具有相对低容量时，其可易于被集成到移动装置，例如智能电话或智能卡中。

Haar小波变换已被证明适合于表征二维表示的信息内容，例如指纹的图像。该Haar小波变换可易于计算。

根据本发明的实施例，提供应答器，其包括根据上述实施例中的一个实施例的用于指纹校验的装置，其中，该应答器尤其是由读取器场供电，尤其是由非接触式支付终端(POS)供电。

应答器可包括用于以无线方式向读取器装置传送数据的通信接口，该通信技术尤其包括射频技术。该应答器可被配置成RFID标签或例如另外具有接触式通信接口的智能卡。

应答器可另外包括安全元件，其包括用于存储参考指纹数据和其它私人数据的存储装置。该安全元件可被该应答器的特定应用以安全的方式访问。在该安全元件内的数据可被加密。而且，该安全元件可另外包括加密密钥。该应答器的安全性可由此得以改进。

根据本发明的实施例，应答器另外包括电源管理，其适用于在传感器系统在检测指纹特征时断电安全元件。

指纹传感器系统可能需要相对大量的电力。由此，至少临时断电该安全元件可在通过操作传感器系统来采集指纹表示期间节约能量。

应当理解，单独或以任何组合公开、描述或采用的用于指纹感测/校验的装置的特征也可应用于根据本发明的实施例的指纹感测/校验的方法，且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供指纹感测(校验)的方法，其包括使用传感器系统，该传感器系统包括多个传感器电容器(例如，布置在平面中)，每个传感器电容器包括中心电极和环状地包围该中心电极并连接至接地电位的外围电极，接近该传感器系统放置手指，由此改变在该多个传感器电容器的中心电极和外围电极中的每个电极之间的电场的变化，并(至少间接)检测该电场的变化，由此感测指纹。

指纹感测方法可通过上述用于指纹感测的装置来执行。该方法可例如是电子支付方法，尤其是结合或使用读取器装置或读卡器装置执行的电子支付方法的一部分。

现将参考附图来描述本发明的实施例。本发明不受所示或所述实施例限制。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的包括在用于指纹感测/校验的装置中的传感器系统；

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的包括在用于指纹感测/校验的装置中的传感器系统；

图3示意性地示出了如在根据本发明的实施例中所使用的用于感测指纹的传感器系统的原理的横截面侧视图；

图4示意性地示出了用于处理如由根据本发明的实施例的传感器系统生成的传感器信号的平均方法；

图5示意性地示出了用于指纹感测/校验的装置的电路图，该装置包括根据本发明的实施例的读出系统；

图6示意性地示出了根据本发明的实施例的包括在指纹感测/校验的装置中的读出系统的电路图；

图7示出了根据本发明的实施例的用于指纹感测/校验的装置的示意框图；

图8、9和10示出了根据本发明的实施例的在用于指纹感测/校验的方法期间所采集的指纹表示的例子；

图11示意性地示出了根据本发明的实施例的用在指纹感测/校验的方法中的存储装置；

图12示意性地示出了根据本发明的实施例的不同指纹处理方法的方法步骤；

图13和14示意性地示出了包括误差分析的当前技术发展水平指纹校验系统；

图15示出了根据本发明的实施例的在不同指纹处理方法期间的方法步骤；

图16以示意图方式示出了根据本发明的实施例的生物识别指纹系统；

图17以示意图方式示出了根据本发明的实施例的系统集成原理；以及

图18以示意图方式示出了根据本发明的实施例的卡集成原理。

具体实施方式

本发明的实施例可实现使用以下特征的优点：

·组合的指纹扫描和特征提取速度更快和更少的存储器需求

·带有随机像素寻址的快速开关电容器指纹传感器

·通过二维加权平均来提高空间分辨率

·在登记模式和校验模式之间共享资源

本发明的实施例可包括以下特征：

应用令牌上指纹校验(一对一)而非持卡人识别(一对多)；

提供可具有智能卡格式的集成指纹校验令牌；

该校验令牌可包括：

·运算跨导放大器(OTA)，其带有用于实现快速电容-电压转换器的电容反馈网络，该快速电容-电压转换器带有指示所测量的传感器电容的电压读数，

·该指纹传感器装置被组织成带有行和列的矩阵配置，并被布置成通过选择个别的行和列，允许随机接入至少一个个别传感器，

·图像扫描和特征提取不再是单独的处理步骤，并且图像扫描已与细节点的预提取和脊部流动特征组合，

·通过以两个步骤扫描该指纹来执行早期的数据简化：

·步骤1为降低分辨率的第一原始扫描，其获得潜在的细节点区域的位置和包含脊部流动信息的区域，

·步骤2为一系列全分辨率精密扫描，其应用于通过步骤1识别的潜在的细节点和脊部流动区域，

·通过应用在登记期间收集的信息，最终细节点和脊部流动提取过程得以简化；该步骤向匹配过程提供所提取的细节点和脊部流动信息，

·该细节点和脊部流动匹配在安全元件的安全处理环境内部执行，

·该扫描装置被具体设计成通用MCU的I/O扩展，例如其经由标准SPI接口通信。

图1示出了根据本发明的实施例的包括多个电容器101的传感器系统100。传感器电容器101中的每个传感器电容器包括中心电极103以及环状地包围中心电极103并连接至接地电位的外围电极105。中心电极103可具有正方形形状并可在平面中跨两个不同方向延伸。中心电极103被外围电极105以空隙107(包围中心电极103)电隔开，其中直线段具有恒定宽度。

在操作传感器系统100期间，电压被施加在中心电极103和外围电极105之间，由此在该两个电极之间形成电场，该电场包括直接场分量和杂散场分量。所述电场被接近传感器系统100放置的手指干扰并改变，对该电场的干扰及其变化尤其取决于手指的表面形状，尤其是指纹特征。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的也包括多个传感器电容器201的传感器系统200，每个传感器电容器包括中心电极203和外围电极205。不同于图1所示的传感器系统100的实施例，如图2所示的传感器系统200包括多个中心电极203，该多个中心电极203包括至少一个凹部209以及突起211。外围电极205包括延伸到中心电极203的凹部209中的突起213。继而，中心电极203的突起211延伸到该外围电极的凹部215中并由此与其交错。由此，在该中心电极和外围电极205之间形成交错布置。通过中心电极203和外围电极205的包括凸形的和凹形的截面或部分的特定形状，传感器电容器201的原生电容可以相对于如图1所示的传感器系统100的传感器电容器101的原生电容增大。由此，可提高传感器灵敏度。

在图1和2中示出带有2行和2列的示例性(简化)电容式传感器阵列。在切实可行的实施例中，该传感器矩阵可具有覆盖10mmx10mm的面积的192x192个传感器的尺寸。在两个维度中的两个传感器节点之间的间距可为例如52um。

如图1所示的传感器尚未针对最大传感器电容进行优化。由于传感器电容转换为传感器灵敏度，可能需要放大传感器电容。

通过利用如图2所指示的提供更好的面积利用率的交错结构，可改进该传感器节点电容器。

图3示出了根据本发明的实施例的传感器系统的实施例的横截面侧视图。

由此，具有限制边界或表面形状319的手指317被放置接近包括多个传感器电容器301的传感器系统300。

具有指示在x方向的位置的横坐标322和具有表示该电容器的纵坐标324的曲线320示出了多个传感器电容器301的电容326如何取决于手指317的限制边界319的表面形状而变化。

附着的手指317可能影响在传感器节点Cs1…Cs6和所包围的接地电极之间形成的杂散电场，因此改变了传感器电容。沿x-维度测量的电容在图3的曲线320中示出。在中心电极和所包围的接地电极之间的空隙的宽度确定传感器的垂直分辨率。通过图3所指示的传感器布局只是示意性的，并且最终尺寸如宽度和空隙必须遵循垂直分辨率要求。

图4示意性地示出了根据本发明的实施例的可被包括在用于指纹感测/校验的装置内的加权平均。加权平均方案428接收表示根据本发明的实施例的传感器系统的不同传感器电容器的电容量的电容值C_sn-1、C_sn和C_sn+1。传感器信号429可使用乘法元件431乘以因数-1、0和1并可使用求和元件433求和。接着通过元件435获得CW/CS之间的比率。输出被添加到该传感器电容器的位置x_n以便导出量x_peak。

在一个实施例中，脊部的峰值可从如图4所指示的过滤运算获得。从具有已知x位置的三个相邻样本，可通过加权平均运算获得该脊部峰值的x位置。可应用这种加权平均过滤器，以在无需提高传感器阵列的空间分辨率或无需提高一个传感器电容器的数字分辨率的情况下获得更精确的峰值位置。

在另一实施例中，加权平均的原理同样可应用于X维度和Y维度。

图5示意性地示出了根据本发明的实施例的包括读出系统537的电路图的指纹传感器装置560。如图1和2中的传感器系统100和200所示，读出系统537适用于捕获被标记为C₁₁、C₁₂、C₂₁和C₂₂的示例性形式传感器电容器501的电容值。电压源538生成参考电压V_REF以及另一电压源539生成另一参考电压V_REF0。

读出系统537包括具有反相输入端541和非反相输入端542的运算放大器(OTA)540。电容器501的中心电极503可通过相应开关S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂连接至运算放大器540的反相输入端541。读出系统537另外包括读出电容器543，其在运算放大器540的输出端544和运算放大器540的反相输入端541之间的反馈路径中连接。电容-电压转换器545将传感器电容器501中的一个或多个传感器电容器501的电容转换为在运算放大器540的输出端544的电压。开关系统546适用于选择性地尤其是连续地将多个传感器电容器501中的一个或多个传感器电容器501的电容转换为运算放大器540的输出端544的相应电压。

在一个实施例中，传感器电容器的电容可通过如图5所示的开关电容器电容-电压转换器来确定。在此实施例中，该传感器装置包括带有电容器C11…C22的开关电容器传感器矩阵和被配置成反相放大器的OTA。在附着的手指影响的情况下(参看图3)，感测电容器C11…C22的杂散电容偏离其标称(或原生)电容值。为测量例如传感器电容器C11的电容，通过简单闭合开关S11和S100同时保持S101断开，将传感器电容器C11充电至参考电压Vref。在C11充满电时，开关S100和S11被再次断开。

读出相位通过闭合开关S3和对电容器C4放电的行开关S101以及将跨C3和C100的电压设置为Vref0电位(经由电压跟随器模式的OTA)来准备。

开关S3现在为断开以及开关S11为闭合。由于在该OTA的反相输入端处在C11、C100和C3之间的电荷共用所产生的所得电压造成通过电容器C4的输出沉降电流，直到在该OTA的反相输入端的电压回到Vref0电位，其中，电容器C4与并联的电容器C3、C100和C11串联连接。因此，如果C4的电容等于C11的电容，则该OTA的输出电压为(Vref0-Vref)。C11的任何电容偏差产生该OTA的输出电压的对应变化。因此，该OTA的输出电压指示C11的电容。在该OTA的输出电压已固定时，开关S4被简单闭合以对在电容器C6上的该OTA的输出电压采样。电容器C100和C200指示与行读出线相关联的寄生电容，电容器C3指示与该OTA的负输入节点相关联的寄生电容，以及电容器C5指示与该OTA的输出线路相关联的寄生电容。

开关S100、S200、S11...S22、S101、S201、S3和S4可通过计算机程序或通过状态机以个别传感器电容器或一组传感器电容器可被一次评估的方式来控制。跨电容器C6的电压可由合适的装置转换为数值以供进一步处理。

在一个实施例中，跨电容器C6的电压的数值处理可包括减去电压Vref0、放大所得电压差和所放大电压差的模数转换。

在一个实施例中，未连接至当前被读出的行的所有传感器电容器保持连接至电压Vref。行开关保持闭合。读取传感器电容器包括闭合开关S3，直到行电压被复位为Vref0电位，接着断开S3。接着通过闭合相关开关例如S11，该传感器电容器连接至读出轨。施加于反相OTA输入端的电压变化将致使OTA将在该反相OTA输入端的输入电压返回至Vref0电位。对于在行中的所有感测电容器，该序列被重复。

在一个实施例中，除传感器电容器C11…C22外的所有部件被包括在单块集成电路中。传感器电容器C11…C22通过添加在单块集成电路顶部上的再分布层来实现。

在另一实施例中，包括传感器电容器C11...C22的所有部件被包括在单块集成电路中。

在一个实施例中，出于设置系统增益的目的，参考电压Vref是计算机可控的。对于传感器电容的相同电容值而言，更高的Vref值将产生更低的电压，更低的Vref值将产生更高的输出电压。

在一个实施例中，受控的参考电压由应用控制器提供给传感器装置。

在一个实施例中，出于设置系统增益的目的，电容器C4是计算机可控的。对于传感器电容的相同电容值而言，更高的C4电容值将产生更低的负输出电压，而更低的C4电容值将产生更高的负输出电压。

在一个实施例中，设定在一行中的电容器的数量为192并且也设置行的数量为192。在每行中的所有第一电容器由相同控制信号控制，在每行中的所有第二电容器由相同控制信号控制，等等。

传感器读出系统(如图5所示的读出系统类型A)具有以下工作原理：

1.全部开关断开

2.闭合例如S100和例如S11，传感器Cap C11将被充电至Vref

3.断开例如S11和例如S100，将行从Vref断开

4.闭合例如S101、闭合S3、闭合S4，传感器行寄生电容C100和C3以及C5和C6将被充电至Vref0电位

5.断开S3以准备读出

6.闭合例如S11，将呈现在例如C11和C100和C3之间的电荷共用，从而产生在负OTA输入端上的电压变化。OTA将驱动通过C4的电流，直到OTA输入电压为零。

7.断开S4以对在C6上的输出电压采样并保持在C6上的输出电压，断开例如S101

8.借助于例如4位管线ADC，将Vout-Vref0转换为数值表示

类型A读出系统的缺点为需要向传感器行的寄生电容施加不同电压(Vref和Vref0)。由于寄生电容器的恒定充电/放电，这种行为可能产生不必要的供应电流。紧接着需要提供两个独立的参考电压。而且，去除开关Sx00以便实现与速度提高相结合的较不复杂的读出操作可能是所期望的。这种行为可通过图6所示的类型B读出系统来校正。

图6示意性地示出了包括在指纹感测装置660中的根据本发明的实施例的另一读出系统637。在图5和6中的结构和/或函数中类似的特征用相同的附图标号来标记。读出系统637具有与图5所示的读出系统537共同的多个特征。不同于图5所示的读出系统537，图6所示的读出系统637包括用于传感器电容器601中的每个传感器电容器601的相应开关647，其允许对相应电容器601放电。对于两个系统共同的是运算跨导放大器640、读出电容器643和被连接在读出电容器643的电极之间的相应开关548、648。通过闭合开关550、650，采样电容器549、649可被连接至运算放大器540、640的输出端544、644，以便对与所测量的电容器的电容对应的电压值采样。电容器C100、C3和C5表示由电线生成的寄生电容器和例如在半导体元件中的非线性寄生电容器。

图6所示的读出系统637只需要一个参考电压源639，由此简化系统。

每个传感器电容器601现在具有的可将初始条件设定为零电压的所附接的个别放电开关。OTA的接地电位被连接至Vref。只需要单个Vref电源。

工作原理如下：

1.全部开关断开以设定所定义的初始条件

2.闭合例如S101、闭合S3、闭合S4，并且传感器行寄生电容C100和C3以及OTA输出电容C5与采样和保持电容C6将被充电至Vref电位，反馈电容器C4将被放电。同时闭合例如S11b，其对例如C11放电

3.断开例如S11b以结束例如C11的放电

4.断开S3以准备读出，这将该OTA配置为电荷放大器

5.闭合例如S11a，将呈现在例如C11和C100和C3之间的电荷共用，从而产生在负OTA输入端上的电压降。OTA将驱动电流通过C4直到OTA输入电压为零(＝直到例如C11被充电至Vref)

6.断开S4以对在C6上的输出电压采样&保持在C6上的输出电压，断开例如S101

7.借助于例如4位管线ADC，将(Vout-Vref0)转换为数值表示

实际上，在这种方法中，例如C100+C3的相对大电容始终保持在Vref，在每像素循环，可能只需要对单个传感器充电。这种新行为改进了读出电路的阶跃响应，同时减小供应电流，这是传感器的要求。现在对传感器电容器放电和复位读出系统可并行进行，这将提高整体速度。步骤2和3以及步骤4、5和6可被组合为一个步骤，从而产生更快的转换时间。只是出于清晰的目的，该步骤保持分开。

图7示意性地示出了根据本发明的实施例的用于指纹感测/校验的装置760的块设计。用于指纹感测/校验的装置760包括具有多个传感器电容器701的传感器系统700。用于指纹感测/校验的装置760包括行控制模块761和列控制模块762以及参考电压控制元件763。数据调节元件764接收指示多个传感器电容器701的所测电容值(或尤其是所测电容值的对数或与所测电容值成比例)的电压值。装置控制器和通信接口765连接至APDU命令和响应。

借助于逻辑组合命令/数据接口(APDU)，指纹传感器可被应用控制器控制。装置控制器可将所接收到的命令指令与附接数据分开，可配置该装置并可开始所请求的图像扫描任务。SPI接口可能很适合作为物理接口，因为其可合并寻址能力和高带宽通信能力。

为实现该任务，装置控制器可生成控制信号并向列控制块、行控制和读出块、Vref控制块(在应用类型A读出系统的情况下)以及数据调节块提供该控制信号。在可应用类型B读出系统的情况下，可省略该Vref控制块。从读出操作产生的电压电平可被该数据调节块转换为计算机可读数据。使用非线性的电压-数字转换关系，例如对数关系可能是有利的，因为这种方法可提供有助于节约存储器的数据压缩，该存储器用于存储所调节的数据。所调节的数据可被传回到通信控制器，以借助于APDU响应将所调节的数据传回到应用控制器。

这种装置设置支持极少量的接口信号。此外，这种装置设置支持在无需特定模拟工艺选项的情况下在低成本的两层金属工艺中实施。

根据本公开的指纹扫描过程在下面更详细描述。

图8、9和10示出了在根据本发明的实施例的方法步骤中捕获和处理的指纹的表示。在图8中，包括指纹信息的指尖被放在传感器上并开始扫描过程。在指尖被放在该传感器上之后，开始该扫描过程。该传感器能够对在传感器矩阵的边界内的图像采样。在第一步骤中，以降低的分辨率扫描该图像，这可通过评估在标称量化的每个其它行的每个其它传感器电容器或通过评估在降低量化的每个传感器电容器来实现，其中，降低量化意味着至少1位。图像866表示指纹在概观区域中的低分辨率表示。

图9示出了细节丰富子区域867如何在概观指纹表示866内被识别。

出于识别没有有意义指纹信息例如在指纹顶部的区域的目的，原始扫描866可被评估。由于指尖的形状，约20％的所扫描区域可被省略，该指尖与底部相比通常更窄。可针对包括含细节点构造或脊部流动信息的潜在区域进行其余区域评估。潜在细节点区域可包括如由图9中的方框867所指示的末梢、岛状物、分叉和交叉。潜在的脊部流动信息区域可包括漩涡、拱形和环形图案信息。

在一个实施例中，应用利用Haar小波的小波变换，以将所扫描的图像转换为小波/频域。如图所示，细节点867可具有比正常脊部/谷部信号内容更高频率的信号内容。

在图10中，概观表示866再次示出了指纹的28个脊部。

如图10所示的指纹样本在水平方向具有28的脊部计数，这产生每脊部-谷部组合的超过6个样本。以最大采样频率的一半频率采样仍可能提供每脊部-谷部组合3个样本并由此也可满足采样定理。通过设计可保障待识别的细节点仍满足采样定理。

接着子区域867以高分辨率再次捕获。

图11示出了用于子区域867的存储装置。如上所示的细节点区域可包括少到全部可用扫描区域的35％，从而得到大为减小的样本高速缓存存储器大小并且也极大提高扫描速度，这也可能意味着大为减小的电力需求。

区域1188表示捕获指纹表示的整个概观区域866的存储装置。如从图11可以得知，在只有子区域867被进一步处理和高速缓存时，只需利用存储装置1188的35％来存储整个概观区域。

图12示出根据本发明的实施例的不同指纹处理方法的方法步骤。

在方法步骤1289中，执行全区域扫描以便获得概观指纹表示，例如在图8、9和10中所示的表示866。在方法步骤1290中，细节丰富子区域被识别和提取。在方法步骤1291中，从正以高分辨率进行捕获的子区域中的一个或多个子区域形成参考模板。在相同或对应的方法步骤1292、1293和1294中，应用相同的方法对未知的用户进行验证或校验。接着，在方法步骤1294中形成的实时模板与在方法步骤1291中形成的参考模板进行匹配。

本公开的一个关键特征可利用不同的传感器操作来精确地实现。根据此方法，指纹校验装置自身用于扫描生成该参考特征模板所需的参考样本。此方法可简化整个系统能并可降低采样要求。图12指示误差和系统开销，在该参考模板利用嵌入到指纹校验装置中的传感器直接获取时，该误差和系统开销可被省略。

用于登记和校验的所得处理序列通过图15指示并在下面描述。

图13和14示出了根据当前技术发展水平的方法。

在如图13所指示的常规指纹应用中，登记不在该装置传感器上完成，而是在就设计、线性和图像分辨率而言可能与该装置传感器偏离的独立传感器上完成。需要通过另外图像处理来补偿以实现适当的匹配。此外，对于不同的应用，可能存在难以控制数据安全的不同指纹数据库，不需要建立和保持中心指纹数据库。

根据图13的当前技术发展水平指纹系统的误差分析在图14中示出。由于上面给出的误差分析，因此在登记期间以及在生命样本捕获期间需要较高的采样精确度。在数据库中存储参考样本导致巨大的数据转换、再取样和过滤开销，这也限定了生命样本采集的严格要求。这些要求使得指纹校验系统更加复杂、需求更多电力和更加昂贵。当前，将此类系统集成到低成本非接触式智能卡中是不可行的。

图15示出了根据本发明的实施例的在不同的指纹处理方法期间的方法步骤。

该指纹感测/校验的方法包括在形成参考模板和形成实时模板期间的类似或甚至相同的方法步骤。即，在方法步骤1589和1592期间，概观扫描以250dpi的低分辨率来捕获。在另外的方法步骤1590和1593中，关于细节丰富区域的定位来识别并提取该细节丰富区域。在方法步骤1595中，子区域例如在图9中示出的子区域867以更高的分辨率例如500dpi来重新捕获。在该子区域的特征在方法步骤1596中提取，由此执行例如小波变换。最后，该参考模板在方法步骤1291中形成以及该实时模板在方法步骤1294中形成。该参考模板和该实时模板在方法步骤1597中最终匹配。

根据图15的方法的好处为用于参考样本生成和生命样本生成的处理部件可以是相同的，因此减小了所需软件占用区域，这对装置成本具有正面影响。

在一个实施例中，出于为生命样本提取过程给出引导的目的，提取提示被链接到细节点参考模板。这些提示可包括例如在潜在细节点区域内部的方向域的主方向或预期的脊部计数，这可支持在不损害安全性或细节点熵的情况下更快地提取细节点。

此类指纹校验令牌的实施例在图16中示出。图16示出了例如被配置成应答器或包括在应答器中的用于指纹感测/校验的装置1660。该装置1660包括传感器系统1600，例如分别在图、6和5中示出的传感器系统700、600、500。此外，该装置1660包括应用处理器1602、安全元件1604、环形天线1606和能量采集器1608。此外，该装置1660包括用户反馈，例如LED 1610。

根据图16的图示描绘非接触式令牌，其完全通过读取器场经由涉及环路天线和能量采集器的磁耦合来供电。一旦该系统进入到读取器场中并且该系统被供电，该安全元件可请求该应用处理器来执行指纹校验。该应用处理器可借助于用户反馈1610装置向持卡人发出请求的信号，该用户反馈1610装置可为发光二极管。持卡人接着可将他的指尖放在传感器区域1600上。在应用处理器1602的控制下，包括细节点区域和脊部流动信息区域的相关区域被识别和精密扫描，并且向该应用处理器提供所捕获的数据。在连续提取步骤中，该应用处理器可提取包括细节点和脊部流动信息的特征并它们传回以用于和安全元件1604所包括的匹配内容1612匹配。该匹配结果可被正由该安全元件执行的计算机程序利用。所述计算机程序可包括支付应用、验证应用和识别应用。正由该安全元件执行的该计算机程序可通过非接触式通信接口以加密的方式向主机系统传送该校验状态，该主机系统可为非接触式支付终端(POS)。

图17以示意性集成简图示出了用于指纹感测/校验的装置1760。应用处理器可向安全元件提供所提取的特征信息。指纹接口驱动器充当在特征匹配装置(匹配器)和该应用处理器之间的接口。该匹配器将生命指纹特征与被安全存储在该匹配器内部的参考指纹特征匹配。在一个实施例中，匹配内容可被配置成就正指纹校验而言至支付应用的预定义PIN号和就负校验而言的错误码。此方法可允许标准支付应用与不同验证装置交互操作，指纹识别在该不同验证装置中的一个验证装置进行。这意味着如果该验证装置中的一个验证装置可能相对另一个验证装置改变，则可在无需重新设计或再认证的情况下开发、测试、限定和认证支付应用。如果例如该验证方法中的一种验证方法可能失效，则并行运行不同的验证方法也是可行的。安全的回退方法可为如由EP2575084(A1)公开的直接在卡上的简单PIN登记。

图18示意性地示出了用于指纹感测/校验的装置1860，其被配置为在应答器中，尤其是在智能卡1820中。智能卡1820包括用于指纹感测/校验的装置1860、ISO接触式模块1822和环形天线1806并且另外包括用户反馈1810。

如果根据图18所示的一个实施例，指纹传感器、应用控制器和安全元件被集成在具有最少量的外部接口的一个模块部件中，并可因此易于利用自动置放设施将其组装到智能卡嵌体上，则这是优点。第二无源模块只提供用于与ATM机器兼容所需的电气ISO接触。该实施例提供双重接口能力，即，该实施例可利用接触式读取器(用于提供向后兼容性)工作并且也可利用非接触式读取器(其可为非接触式支付终端)工作。因为该系统可以通过能量捕获功能以非接触式模式由RF读取器场供电，所以可以不需要电池。如本文公开的模块方法是此类指纹校验令牌的非常有成本效益的实现方式。

如本文公开的指纹校验系统可很适合不得配备电池的低成本的非接触式银行业务和识别卡。

可提供以下特征或优点：

·集成式感测和提取

·用于检测细节点和脊部流动区域的预扫描以及所得数据简化

·检测到的细节点和脊部流动区域的精细扫描

·开关电容器的读出传感器系统

·利用卡传感器登记(＝不同的系统)

·在登记模式和校验模式之间共享资源

·通过二维加权平均来提高空间分辨率

·通过划分为一个复杂模块和一个无源模块并且在该两个模块之间具有最少量接口信号来制造指纹卡

·在反馈路径中的固定电容器

·用于全部传感器元件的一个增益级

·通过不同增益级改进的PSRR

·通过预充电补偿节点电容

·充电放大器方法。

Claims

1.一种用于指纹感测/校验的装置(560、660、760)，其特征在于，包括：

包括多个传感器电容器(101)的传感器系统(100)，每个传感器电容器包括：

中心电极(103)，以及

环状地包围所述中心电极并连接至接地电位的外围电极(105)；

其中，在将手指(317)接近所述传感器系统放置时，在所述多个传感器电容器的所述中心电极和所述外围电极中的每个电极之间的电场的变化用于检测指纹表面形状。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心电极(103)具有矩形尤其是正方形的形状，其中，尤其是所述电场的变化改变相应的传感器电容器(101)的电容。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心电极(203)和/或所述外围电极(205)包括至少一个凹部(209)和至少一个突起(213)，所述至少一个凹部(209)和所述至少一个突起(213)被装置成使得一个电极的所述突起延伸到相应的另一个电极的所述凹部中。

4.根据在前的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，另外包括：

读出系统(537、637)，所述读出系统(537、637)适用于选择性地生成指示所述多个传感器电容器(501、601)中的每个传感器电容器的电容的输出信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述读出系统另外包括：

电容-电压转换器(545)，所述电容-电压转换器(545)适用于将所述多个传感器电容器中的每个传感器电容器的电容转换为与所述电容成比例的电压。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电容-电压转换器包括：

运算放大器(540)，尤其是运算跨导放大器，所述运算放大器(540)具有连接至接地电位或参考电位的非反相输入端(542)，其中，所述传感器电容器(501)中的每个传感器电容器可选择性地连接至所述运算放大器(540)的反相输入端(541)；

读出电容器(C4)，所述读出电容器(C4)连接在所述运算放大器(540)的所述反相输入端(541)和所述运算放大器的输出端(544)之间；以及

开关系统(546)，所述开关系统(546)适用于选择性地尤其是连续地将所述多个传感器电容器(501)中的一个或多个传感器电容器的所述电容转换为在所述运算放大器的所述输出端处的相应电压。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

其中为了读出特定传感器电容器，所述开关系统(546、646)适用于在所述手指接近所述传感器系统时：

对所述读出电容器(C4)放电，

将所述特定传感器电容器(501、601)的所述中心电极(503、603)连接至所述运算放大器的所述反相输入端(541)，直到在所述反相输入端处的电压为接地电位或参考电位，在此情况下，在所述运算放大器的所述输出端处的输出电压指示所述特定传感器电容器(501、601)的所述电容，并因此指示在接近所述特定传感器电容器放置的区域中的所述指纹，

其中，所述开关系统另外尤其适用于，

在将所述特定传感器电容器(501)的所述中心电极(503)连接至所述运算放大器的所述反相输入端(541)之前，通过将所述特定传感器电容器(501)连接至参考电压来对所述特定传感器电容器(501)充电；

或者在将所述特定传感器电容器(601)的所述中心电极(603)连接至所述运算放大器的所述反相输入端(641)时，对至少一个寄生电容器(C100、C3)充电，利用其发生电荷共用。

8.根据权利要求5至7中的任一项所述的装置，其特征在于，

所述电容-电压转换器另外包括：

采样电容器(C6)，所述采样电容器(C6)可连接至所述运算放大器(540、640)的所述输出端(544、644)以对所述读出电容器(C4)的输出电压采样，

尤其另外包括用于将所述采样电容器(C6)的电压转换为数值的模/数转换器，

其中，所述模/数转换器尤其具有非线性的转换特性；

其中，所述参考电压和/或所述读出电容器(C4)的所述电容尤其是计算机可控的。

9.根据在前的权利要求所述的装置，其特征在于，另外包括：

传感器系统控制器(765)，其适用于控制所述传感器系统，以便：

以低分辨率检测(1589、1592)在所述手指的概观区域(866)中的指纹特征；

识别(1590、1593)在所述概观区域中的细节丰富子区域(867)，尤其包括至少一个脊部末梢和/或脊部岛状物和/或脊部分叉和/或脊部交叉和/或脊部流动特征；

以高分辨率检测(1595)在所述子区域(866)中的指纹特征，确切地说，所述子区域的大小的总和在所述概观区域的大小的20％和50％之间。

10.根据在前的权利要求所述的装置，其特征在于，另外包括：

存储装置(1604)，尤其是包括在安全元件中的存储装置，所述存储装置(1604)用于存储表示授权用户的指纹的参考指纹数据，尤其是使用所述传感器系统获得的授权用户的指纹的参考指纹数据；以及

比较器，尤其是包括在安全元件中的比较器，所述比较器适用于：

比较在至少一个子区域中的所述指纹特征与所述参考指纹数据；以及

支持所述捕获过程的指示器(1610)。

11.根据在前的权利要求所述的装置，其特征在于，所述识别所述细节丰富子区域包括将所述低分辨率表示转换为频率/小波域，确切地说计算Haar小波变换并分析其频率内容，

尤其另外包括容量在16kB和128kB之间的(图像)高速缓存。

12.一种应答器(1660、1820)，其特征在于，包括：

根据在前的任一项权利要求所述的用于指纹校验的装置(1660、1860)；

其中，所述应答器尤其由读取器场供电，尤其是由非接触式支付终端(POS)供电。

13.根据在前的权利要求所述的应答器，其特征在于，另外包括：

安全元件(1804)，所述安全元件(1804)包括用于存储所述参考指纹数据和其它私人数据的存储装置。

14.根据在前的任一项权利要求所述的应答器，其特征在于，另外包括：

电源管理，所述电源管理适用于：

在所述传感器系统在检测指纹特征时，将所述安全元件断电。

15.一种指纹感测/校验的方法，其特征在于，包括：

使用包括多个传感器电容器(101)的传感器系统(100)，每个传感器电容器包括：

中心电极(103)，以及

接近所述传感器系统放置手指，由此

改变在所述多个传感器电容器的所述中心电极和所述外围电极中的每个电极之间的电场；以及

检测所述电场的变化，由此感测所述指纹。