CN106326813A - 一种智能变频3d指纹传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于指纹识别领域，提供了一种智能变频3D指纹传感器，其安装在便携式移动通信设备上，其包括系统级芯片和设置在系统级芯片外周的金属边框，所述系统级芯片包括：电容式指纹采集模块，模数转换模块，主控模块，I/O控制模块，电源管理模块和线性采集单元；所述智能变频3D指纹传感器为高度集成的系统级芯片。本发明的智能变频3D指纹传感器通过高度集成为系统级芯片，使其体积大为减小，可以安装在各种便携式移动通信设备上；通过结合电容式指纹采集模块和线性采集单元来采集指纹，使得指纹采集信号能够深入手指真皮层，达到识别活体指纹，辨别假指纹，采集过干或过湿指纹的目的；其内部电路结构简单、功耗低，且价格适中，易于生产和推广。

Description

一种智能变频3D指纹传感器

技术领域

本发明属于指纹识别领域，尤其涉及一种智能变频3D指纹传感器。

背景技术

指纹识别，即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别。指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、计算机视觉、数学形态学、小波分析等众多学科。由于每个人的指纹不同，就是同一人的十指之间，指纹也有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定，各种类型指纹采集设备应运而生，然而，由于每次捺印的方位不完全一样、着力点不同，采集到的指纹会有不同程度的变形，因此通常会采集到大量模糊指纹，增加指纹识别的难度。因此，如何正确提取指纹特征和实现正确指纹匹配，是指纹识别技术领域的关键。

然而，目前市面上的指纹采集器通常都体积较大，不能够识别假指纹，无法采集过干或者过湿的指纹，有些功能较全面的指纹采集器价格昂贵，内部结构复杂，不利于大批量生产，不适于推广。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种智能变频3D指纹传感器，旨在解决目前的指纹采集器体积大，无法识别假指纹或采集过干、过湿指纹，且价格昂贵，内部结构复杂，不利于大批量生产和推广的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种智能变频3D指纹传感器，其安装在便携式移动通信设备上，所述智能变频3D指纹传感器包括系统级芯片和设置在系统级芯片外周的金属边框，所述系统级芯片包括：

发出指纹采集信号以采集指纹，并生成3D指纹模拟信号的指纹采集模块；

与所述指纹采集模块连接，将所述3D指纹模拟信号转换成数字信号的模数转换模块；

与所述模数转换模块连接对其进行控制，并对所述数字信号进行处理和识别，生成处理和识别结果的主控模块；

与所述主控模块连接，控制所述主控模块和所述便携式移动通信设备之间进行信息交互的I/O控制模块；

与所述指纹采集模块、模数转换模块、主控模块和I/O控制模块均连接，并提供电能的电源管理模块；

所述指纹采集模块为集成了N个硅电容传感器的电容式指纹采集模块；

所述主控模块包括通过发射射频脉冲信号来采集指纹、并对该射频信号进行变频处理以提取合格的3D指纹射频信号的线性采集单元，所述线性采集单元通过所述金属边框发送射频脉冲信号至手指，以采集指纹。

优选的，所述主控模块和电源管理模块之间连接有上电复位电路。

优选的，所述上电复位电路包括一个电阻和一个电容，其中，所述电阻的一端连所述电源管理模块、另一端与所述电容的一端共接于所述主控模块，所述电容的另一端接地。

优选的，所述主控模块为单片机，其还包括可生成时钟脉冲的低功耗振荡电路。

优选的，所述电源管理模块包括低电压差稳压电路，所述低电压差稳压电路通过一个电容量为1uF的滤波电容与所述便携式移动通信设备的电源电路连接。

优选的，所述电源管理模块还包括与所述电压差稳压电路连接的电流限制电路。

优选的，所述智能变频3D指纹传感器还包括集成在所述系统级芯片外表面的、作为所述系统级芯片中各模块与所述便携式移动通信设备间的连接端口的SPI接口。

优选的，所述智能变频3D指纹传感器为方状体，其长度为8mm～15mm、宽度为8mm～15mm、高度为0.3mm～0.8mm。

优选的，所述N≥128×128。

优选的，所述便携式移动通信设备为手机、笔记本电脑或平板电脑。

本发明实施例提供的智能变频3D指纹传感器，通过高度集成为系统级芯片，使其体积大为减小，可以安装在各种便携式移动通信设备上；通过电容式指纹采集模块来采集指纹，使得指纹采集信号能够深入手指真皮层，达到识别活体指纹，辨别假指纹的目的；通过线性采集单元发射射频信号来采集指纹，使手指处于过干或者过湿状态时，均能采集到清晰完整的指纹；通过内部集成上电复位电路，保证了所述智能变频3D指纹传感器的正常开启；通过内部集成低电压差稳压电路，保障所述智能变频3D指纹传感器的输入电压较低且平稳，时期能够稳定的工作，同时也使得所述智能变频3D指纹传感器接入不同的便携式移动通信设备时，只需再额外接入一个滤波电容就能达到优质的滤波效果，保证接入时电压的平滑和稳定；通过内部集成低功耗振荡电路，使得所述智能变频3D指纹传感器休眠时的功耗更低，且无需再额外连接外部晶振器或脉冲时钟；通过内部集成电流限制电路，保证所述智能变频3D指纹传感器在电流过高时的安全性；通过采用SPI接口，使得所述智能变频3D指纹传感器能够方便的接入各种外围器件；通过内部集成通过使各功能性部件模块化，简化了内部电路结构，且价格适中，易于生产和推广。

附图说明

图1是本发明实施里提供的智能变频3D指纹传感器安装于便携式移动通信设备时的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的智能变频3D指纹传感器的基本结构框图；

图3是本发明实施例提供的智能变频3D指纹传感器的具体结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的智能变频3D指纹传感器100，其安装在便携式移动通信设备200上，所述智能变频3D指纹传感器包括系统级芯片101和设置在该系统级芯片101外周的金属边框102。

如图2和图3所示，所述系统级芯片101包括：

发出指纹采集信号以采集指纹，并生成3D指纹模拟信号的指纹采集模块10；与所述指纹采集模块10连接，将所述3D指纹模拟信号转换成数字信号的模数转换模块20；与所述模数转换模块20连接对其进行控制，并对所述数字信号进行处理和识别，生成处理和识别结果的主控模块30；与所述主控模块30和所述便携式移动通信设备200连接，控制所述主控模块30和所述便携式移动通信设备200之间进行信息交互的I/O控制模块40；与所述指纹采集模块10、模数转换模块20、主控模块30和I/O控制模块40均连接，并提供电能的电源管理模块50；所述指纹采集模块10为内部高度集成了N个硅电容传感器的电容式指纹采集模块；所述主控模块30包括通过发射射频脉冲信号来采集指纹，并对该射频信号进行变频处理以提取合格的3D指纹射频信号的线性采集单元31；所述线性采集单元31通过所述金属边框发送射频脉冲信号至手指，以采集指纹；其中，N≥128×128。

在具体应用中，所述系统级芯片的输入电压为1.8V～3.3V；所述智能变频3D指纹传感器的上表面涂覆有特殊的耐磨抗划伤涂层，该图层的硬度高达7H，能历经3千万次以上的按压。

所述指纹采集模块10为内部高度集成了至少128×128(按128×128阵列排布)个硅电容传感器的电容式指纹采集模块，即所述指纹采集模块10采集到的指纹图像的像素≥128×128pixels。在具体应用中，所述智能变频3D指纹传感器100的扫描面积≥7.04×7.04mm²。电容式指纹采集模块10发出的指纹采集信号可穿过手指的表面和死性皮肤层，到达手指皮肤的真皮层，因而可以识别非活体的假指纹，并且其采集的指纹图像质量较好、成像精度高，尺寸较小、易集成于各种设备，成本低，而且耗电量很小、结构简单,价格便宜、灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好，对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强，可广泛推广。

模数转换器20，即A/D转换器，或简称ADC(Analog-to-Digital Converte)，其将指纹模拟信号转变为数字信号。在具体的应用中，所述模数转换器20具有精准的参考基准，且其内部集成有模拟量预处理电路，保障了ADC的转换精度，本实施例中，所述模数转换器20的模数转换速率可达ns(纳秒)级。

所述主控模块30包括通过发射射频脉冲信号来采集指纹的线性采集单元31，线性采集单元31是基于射频传感器技术的指纹采集单元，其通过发射出微量射频脉冲信号，可穿透手指的表皮层去控测手指里层的纹路，然后通过变频，滤波，放大等处理提取合格的射频信息，来获得最佳的指纹图像。因此对过干、过湿手指、脏手指等难以识别的手指指纹的识别率在99.9％以上，防伪指纹能力强，并且其只对手指的真皮层有反应，从根本上杜绝了假指纹的问题。

如图2所示，所述主控模块30和电源管理模块50之间连接有上电复位电路60，所述上电复位电路60包括一个电阻和一个电容，其中，所述电阻的一端连所述电源管理模块50、另一端与所述电容的一端共接于所述主控模块30，所述电容的另一端接地。

所述智能变频3D指纹传感器通电的瞬间，通过所述上电复位电路60即可自行完成整个系统级芯片的复位。上电瞬间，所述电容的充电电流最大，电容相当于短路，此时所述电容与所述电阻的共接端为低电平，系统自动复位，此时电容两端的电压达到所述电源管理模块50所提供的电源电压时，所述电容充电电流为零，电容相当于开路，此时所述电容与所述电阻的共接端为高电平，所述智能变频3D指纹传感器开始正常运行。

所述主控模块30为单片机，其还包括可生成时钟脉冲的低功耗振荡电路31。所述主控模块30及其低功耗振荡电路31在每次上电的过程中，由于电路回路中通常存在一些容量大小不等的滤波电容，使得所属单片机芯片在其电源引脚之间所感受到的电源电压值，是从低到高逐渐上升的，该过程所持续的时间一般为1～100ms。在单片机的电压上升到适合其低功耗振荡电路31运行的范围并且稳定下来之后，其低功耗振荡电路31开始启动，具体包括偏置、起振、锁定和稳定几个过程，该过程所持续的时间为1～50ms。

所述电源管理模块50包括低电压差稳压电路51，所述低电压差稳压电路51通过一个电容量为1uF的滤波电容与所述便携式移动通信设备200的电源电路连接。在具体应用中，该低电压差稳压电路51的输入电压为3.3V。

所述低电压差稳压电路51为，通过串联调整管、两个取样电阻和比较放大器组成的基本的低电压差稳压电路。取样电压加在比较放大器的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压相比较，两者的差值经比较放大器放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压；当输出电压降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高；相反的，若输出电压超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。该电路可以保障所述智能变频3D指纹传感器的输入电压可以尽量的低，使得所述智能变频3D指纹传感器100可以在更宽的电压输入范围内稳定工作。因此，需要通过一个电容量为1uF的滤波电容与所述便携式移动通信设备200的电源电路连接，就能实现优质的滤波效果，大大简化了电路的设计难度，同时降低了成本。引入滤波电容的原因是要获得平滑稳定的电压，因为电容两端的电压不能突变，所以它能抑制电压的波动，使电压变得平稳光滑。滤波电容的主要作用有两个：一是，去除器件之间的交流射频耦合；二是，并将器件的电源端上瞬间的尖峰、毛刺对地短路掉。

所述电源管理模块50还包括与所述低电压差稳压电路51连接的电流限制电路52。所述电流限制电路52为，通过一个比较放大器和一个限流电阻组成的基本的电流限制电路。其能够对所述智能变频3D指纹传感器起到过流保护电路作用。当低电压差稳压电路51输出的电流超过额定值时，所述电流限制电路52限制其调整管发射极电流固定在某一数值或迅速减小，从而保护其调整管不会因电流过大而烧坏。

所述智能变频3D指纹传感器100还包括集成在所述系统级芯片101外表面的、作为所述系统级芯片101中各模块与所述便携式移动通信设备200间的连接端口的SPI接口70。所述SPI(Serial Peripheral Interface)接口70，是一种同步串行外设接口，它可以使所述系统级芯片100与所述便携式移动通信设备200以串行方式进行通信以交换信息。

如图1所示，所述智能变频3D指纹传感器100为方状体，其长度为8mm～15mm、宽度为8mm～15mm、高度为0.3mm～0.8mm。

在一优选实施例中，所述智能变频3D指纹传感器100的长、宽、高分别为10mm、10mm、0.6mm。由于其体积较小，因而可以适用于大多数对尺寸有要求的小型设备上。在具体应用中，所述便携式移动通信设备200可以为手机、笔记本电脑或平板电脑等。

利用所述智能变频3D指纹传感器100来采集指纹的具体原理为：当手指放在所述智能变频3D指纹传感器100上之后，所述智能变频3D指纹传感器100会通过其线性采集单元31和指纹采集模块10分别检测所述金属边框和手指皮肤上的电场强度，并将该电场强度转换为载有电压信号的指纹采集信号，然后将所述线性采集单元31和指纹采集模块10内的每个指纹采集单元所产生的电压信号按顺序输出到所述线性采集单元31和指纹采集模块10内部的电压放大器使所述电压信号的强度增加，然后通过所述模数转换器20将所述电压信号转换为8位数字信号。

本发明的智能变频3D指纹传感器100通过同时采用基于射频指纹识别技术的线性采集单元31和电容式指纹采集模块10的方式，来采集指纹，使得所述智能变频3D指纹传感器100在任何环境条件下都能准确地检测和获取人体的指纹和手指动作，通过该方式可以使所述智能变频3D指纹传感器100具有最佳的手指指纹识别性能和手指的运动轨迹获取性能。

本发明的智能变频3D指纹传感器100还遵循IEC61000-4-2级防静电标准，能够经历超过3千万次按压而不损坏，其还可适用于特别寒冷或特别酷热的地区，运行温度范围为-20℃～70℃，体积降到很小的情况下依然可以保证图像质量，并且成本低廉，可广泛应用于各种小尺寸或小体积的设备中。

本发明实施例提供的智能变频3D指纹传感器，通过高度集成为系统级芯片，使其体积大为减小，可以安装在各种便携式移动通信设备上；通过电容式指纹采集模块来采集指纹，使得指纹采集信号能够深入手指真皮层，达到识别活体指纹，辨别假指纹的目的；通过线性采集单元发射射频信号来采集指纹，使手指处于过干或者过湿状态时，均能采集到清晰完整的指纹；通过内部集成上电复位电路，保证了所述智能变频3D指纹传感器的正常开启；通过内部集成低电压差稳压电路保障所述智能变频3D指纹传感器的输入电压较低且平稳，时期能够稳定的工作，同时也使得所述智能变频3D指纹传感器接入不同的便携式移动通信设备时，只需再额外接入一个滤波电容就能达到优质的滤波效果，保证接入时电压的平滑和稳定；通过内部集成低功耗振荡电路，使得所述智能变频3D指纹传感器休眠时的功耗更低，且无需再额外连接外部晶振器或脉冲时钟；通过内部集成电流限制电路，保证所述智能变频3D指纹传感器在电流过高时的安全性；通过采用SPI接口，使得所述智能变频3D指纹传感器能够方便的接入各种外围器件；通过内部集成通过使各功能性部件模块化，简化了内部电路结构，且价格适中，易于生产和推广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能变频3D指纹传感器，其安装在便携式移动通信设备上，其特征在于，所述智能变频3D指纹传感器包括系统级芯片和设置在系统级芯片外周的金属边框，所述系统级芯片包括：

发出指纹采集信号以采集指纹，并生成3D指纹模拟信号的指纹采集模块；

与所述指纹采集模块连接，将所述3D指纹模拟信号转换成数字信号的模数转换模块；

与所述模数转换模块连接对其进行控制，并对所述数字信号进行处理和识别，生成处理和识别结果的主控模块；

与所述主控模块连接，控制所述主控模块和所述便携式移动通信设备之间进行信息交互的I/O控制模块；

与所述指纹采集模块、模数转换模块、主控模块和I/O控制模块均连接，并提供电能的电源管理模块；

所述指纹采集模块为集成了N个硅电容传感器的电容式指纹采集模块；

所述主控模块包括通过发射射频脉冲信号来采集指纹、并对该射频信号进行变频处理以提取合格的3D指纹射频信号的线性采集单元，所述线性采集单元通过所述金属边框发送射频脉冲信号至手指，以采集指纹。

2.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述主控模块和电源管理模块之间连接有上电复位电路。

3.如权利要求2所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述上电复位电路包括一个电阻和一个电容，其中，所述电阻的一端连所述电源管理模块、另一端与所述电容的一端共接于所述主控模块，所述电容的另一端接地。

4.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述主控模块为单片机，其还包括可生成时钟脉冲的低功耗振荡电路。

5.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述电源管理模块包括低电压差稳压电路，所述低电压差稳压电路通过一个电容量为1uF的滤波电容与所述便携式移动通信设备的电源电路连接。

6.如权利要求5所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述电源管理模块还包括与所述电压差稳压电路连接的电流限制电路。

7.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，智能变频3D指纹传感器还包括集成在所述系统级芯片外表面的、作为所述系统级芯片中各模块与所述便携式移动通信设备间的连接端口的SPI接口。

8.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述智能变频3D指纹传感器为方状体，其长度为8mm～15mm、宽度为8mm～15mm、高度为0.3mm～0.8mm。

9.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述N≥128×128。

10.如权利要求1所述的智能变频3D指纹传感器，其特征在于，所述便携式移动通信设备为手机、笔记本电脑或平板电脑。