CN1172308A - 指纹读取系统 - Google Patents
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Abstract
一种指纹读取系统包括带有对手指的压力和温度敏感的活性表面的指纹传感器。该传感器的表面积远小于要读的指纹的表面积。当传感器和手指相接触并且传感器和手指相间相对滑动时进行读取。该系统可根据在这种运动中由传感器给出的局部图象重建指纹的完整图象的装置。尤其是应用于鉴别个人的装置中。
Description
本发明涉及特别是在鉴别个人的设备中使用的用来读取指纹的系统。
许多基于指纹分析、用来鉴别个人的系统至少包括一个用来得到被辨认个人的指纹图象的传感器。在该系统中手指放在传感器之上，该传感器的读表面必须具有大约为手指大小的尺寸。此传感器与一分析系统相联接，该分析系统将传感器给出的指纹图象与适当的媒介例如芯片卡中存储的参照指纹图象相比较。
在大多数情况下，传感器给出模拟型信息元素，而分析系统使用的是对指纹图象进行数字化处理的操作，因而必须利用模数转换器在传感器输出处将指纹图象数字化。在某些实施例中，传感器直接传送数字化图象。
指纹读取系统通常建立在使用摄取指纹图象的诸如摄像机的光学设备基础之上，但使用同样手指的简单像片就能在摄像机的输出端获得相同图象，由此骗过该系统。为克服这一缺点，有些系统为了判明放在传感器前的确实是真正的手指而不是像片而使用棱镜或微棱镜，只有在指纹的轮廓线没有接触棱镜的地方光线才被反射。因而像片变得无法操作。然而，光学系统不能用来判明放在传感器前的手指确实是活生生的手指而不是例如模子。这种光学系统还有其它缺点，例如很大的体积和高的生产成本。
通过利用半导体工业的批处理可能性，已提出另外一些方法来制造通过指纹鉴别个人的设备，因此它可能会降低成本，并具有集成传感器以及鉴别设备的全部或部分数据处理工序，特别是传感器的输出端的图象数字化的操作、参照图象的存储以及鉴别的优点。指纹读取传感器具有按行和列组织的敏感元件矩阵，根据指纹轮廓线的边沿接触或没有接触传感器的敏感元件来给出相异的一电信号。
关于读取指纹的各种方式已申请了一些专利：
-美国专利4353056描述了基于传感器的敏感元件容量的读原理。
其它系统包括的传感器带有压敏、对温度敏感或对压力和温度都敏感的元件，这些元件将压力和/或热温度的空间信息转换为电信号，此电信号然后由可能例如CCD矩阵的基于半导体的多路复用器收集。美国专利4394773描述了这种原理。
基于压电和/或热电效应的传感器由于它们对作用在其敏感元件上的压力和/或热量敏感而最有价值。这一特点就可能在指纹的读取过程中通过手指释放的内在热量判明手指确定是活生生个人的一部分。也可能探测到手指中由于血流产生的变化，从而引起热量和/或压力的变化，由此在指纹的鉴别中提供更大的可靠性。
这些类型的传感器可直接集成到半导体衬底中，但具有妨碍它们进入市场的缺点。当希望得到手指的整个第一指纹集(phalanx)时，在这种情况下手指不得不在传感器上滚动以便在传感器上得到整个指纹，这种传感器的表面积必须具有大约手指的大小，也就是大约几个平方厘米到大约十平方厘米。这减少了能够通过硅晶片而被鉴别的人数。硅晶片的制造效率与它的表面积成比例地减小，因而大量增加了制造成本。
对于在传感器上通过物理效应(温度、压力等)的变化而感应起电荷，集成到半导体衬底中的传感器给出的电信号是短暂的，而需要有一特定系统来及时维持它。结果，当物理效应达到平衡时，输出端的信号趋于消逝。在大多数情况下信号消逝的时间常数在几微秒到几秒之间。
这样的实际结果就是从手指放在传感器上的时间开始产生一图象序列。这些图象的对比度(quality of contrast)不稳定，并且它们趋于消逝。由于随后需要分析所有由传感器不断产生的图象，以便找到一个用于鉴别的最合适的图象，这使得识别系统的任务复杂化。
已提出对传感器的外表激励的系统，例如以微波的形式发送能量束，但它们使得该系统复杂化，并增加了它的体积和成本。
使用电子存储器克服指纹图象的消逝效应是可能的。然而，由于它要求使存储器能够存储的技术，因而这使得传感器的设计复杂化，并增加了它的制造成本。建造一个足够精确、可靠和廉价，并能够在由传感器产生的图象中判明最好的图象的系统是很困难的。
本发明通过提出一种指纹读取系统拟用来克服先有技术的缺陷，该指纹读取系统包括用来在手指和属于该读取系统的传感器相接触并且传感器和手指相互间相对滑动时读取指纹的装置，和根据在这种运动中得到的局部图象重建指纹图象的装置。
手指在固定于支架上的传感器上面滑动或活动的传感器在保持静止的手指上滑动或更一般地手指和传感器相互之间的滑动使由传感器给出的图象质量保持稳定。确实，当手指在传感器上滑动时，对于指纹线以与传感器的敏感层的时间常数特性相同范围的速度或比它快的速度连续地接触传感器，传感器的每个敏感元件处的物理变化是永久的。在这种条件下，传感器提供对比度不变的图象序列。
本发明的另一方面在于下列事实：由于在进行手指在传感器上相对滑动时，有可能将传感器的大小减少到小于手指大小的尺寸。例如，假设手指在传感器上以其长度方向移动，传感器的长度会减少并且其覆盖的面积不再多于指纹的小表面积。在这种情况下，在手指在传感器上相对滑动之中由传感器给出的电信号对应于一个序列的指纹局部图象，并且由于手指相对于传感器上的相对移动速度不超过某一最大值，因而在某一给定时刻由传感器给出的图象将至少与下一图象部分重叠。利用特定的处理系统就能重建指纹的完整图象。
减小了传感器的大小，因而也就减小了它的表面积，这将会导致其制造成本的大量减少。
本发明提出一种属于指纹读取装置的传感器，其中该传感器的表面积小于指纹的表面积，并仅传送完整指纹的局部图象。由在传感器对于手指相对移动中传感器给出的连续图象的重叠就可得到指纹完整图象的重建。
通过对下面实施例的详细说明，本发明的其它特点将很清楚，这些说明参照附图进行，其中：
-图1表示指纹传感器的总体图；
-图2表示指纹传感器的使用；
-图3表示传感器结构的截面示意图；
-图4表示按照本发明的指纹读取系统示例性实施例的方框图；
-图5表示在读取指纹时手指在传感器上的五个相对位置；
-图6和7表示在传感器输出端的两个连续图象；
-图8、9和10表示在传感器输出端两个连续图象的叠合测试；
-图11和12表示重建指纹的完整图象的两个步骤。
图1表示按照本发明的指纹传感器的示例性实施例的总体图。指纹传感器10是一个集成电路，带有宽度大体等于手指11的宽度的小条形。例如其宽度是1或2厘米。然而其长度远小于其宽度。例如它的长度为几个毫米。指纹传感器10部分覆盖要读的指纹。传感器包含在包括外部连接引线13的支架12之中。
在一个实施例中，集成电路包括一个放置在上电极和下电极的矩阵阵列之间的热电/压电材料活性层。下电极位于半导体衬底之上，在衬底中构成有一集成电子电路，能够处理阵列的每个电极上的热电/压电层所产生的电荷。这一集成电子电路与能传送电信号的外部连接引线相连接，所有电信号都表示施加在活性层上的压力图型的图象。即使热电/压电层是连续的，以矩阵阵列形式的下电极结构也能制造一个各个热电/压电敏感元件的阵列。敏感元件的矩阵阵列按行和列来组织。
传感器的敏感元件通常是方形的。敏感元件的敏感度与它们的表面积成正比。可以通过增加它们的表面积来提高敏感元件的敏感度。例如，保持敏感元件的相同宽度，通过增加手指相对于传感器的相对移动的方向上的其长度来做到这一点。例如，当手指相对于传感器以敏感元件矩阵的列的方向作相对移动时，可以通过制造矩形敏感元件，该敏感元件矩阵在列的方向上的长度是其在行的方向上的宽度的两倍，由此使其敏感度翻倍。这样具有提高由传感器给出的图象的清晰度和对比度的优点。
图2表示当手指在传感器10上相对移动期间在给定的时间点上手指压在集成电路的活性表面时的手指11。在热电和压电层中产生压力图，并且这一图由矩阵阵列探测。通过测量阵列中不同热电/压电元件产生的电荷变化就能进行这种探测。在阵列的下电极上得到这些电荷变化。由传感器给出的电信号对应于在给定时刻施加到传感器的活性表面的压力和温度图型的图象。如果这些信号用来在给定时刻显示该图象，则可观察到一图象，它表示手指在传感器上相对移动期间在给定时间点上手指压在传感器上的指印的一部分。
在本发明的另一实施例中，传感器矩阵的敏感元件由电容性元件构成，它用来接收在传感器表面滑动的手指的指纹脊和沟所产生的电容矩阵图型。电容矩阵图型由传感器转换为电信号，同上面的实施例情形一样，这些电信号对应于手指在传感器上相对移动中在给定时间点上手指的一部分。
为了减少该系统的成本，可以使用仅包括一行的敏感元件的传感器，并在与该行敏感元件大体垂直的方向上进行手指的相对移动。然而，在这种情况下，为了得到不变形的指纹完整图象的重建，需要有在移动中的所有时间上手指相对传感器相对移动速度的精确确认。重建不变形图象的一种方法是给出传感器相对于手指移动的相对速度，例如通过让手指保持稳定，用一伺服控制马达拉动传感器来给出相对速度。
在按本发明的很低成本指纹鉴定系统中，可以使用仅带一行敏感元件的传感器，并且不需要系统对任何有关手指在传感器上相对移动的速度的确认和强加。确实，尽管指纹不能按其准确形状被重建，但可能利用合适的图象处理算法来被鉴定。
为了克服这些限制，传感器必须有几行敏感元件，用来通过该读取系统重建指纹的完整图象。最好是，为了得到很小表面积以及因而具有低成本的传感器，传感器的行数应尽可能地少。
传感器所需要的最少行数由下列因素决定：
-传感器敏感元件(象素)的尺寸；
-手指对于传感器的相对速度，
-每秒能由传感器传送的图象数目，因为在两个连续图象之间有足够的叠合是绝对必要的，
-用来处理来自传感器的局部图象，能够完全重建指纹图象的算法效率。
在由传感器给出的两个连续图象之间至少应当重叠一行，但实际上如果指纹的两个连续轮廓线间的平均距离是大约120微米，为了克服传感器的某些缺陷并使系统更能容忍图象质量的降低，重叠大约5到6行是必要的。传感器必须有足够能没有过多困难地重建指纹的完整图象的行数。行数可以如下确定：
可假设两个连续敏感元件间的距离是大约50微米，并且传感器活性区的宽度是2.5厘米。每行传感器有500个敏感元件。让传感器有40行(即传感器长度为2毫米)，被读的敏感元件总数将是20,000。读取速度应当限制为每秒1百万个敏感元件，传感器将每秒给出50个图象。如果我们让图象的长度上重叠值等于10个敏感元件，即10行，则两个连续图象间的手指最大移动距离不应超过两个图象间的30个敏感元件，在20微秒内给出1500微米，或是每秒给出7.5厘米。这是手指对于传感器相对移动的合理速度。
传感器行数的减少对于一个手指每秒会给出更多的图象并且每秒具有读取敏感元件的相同速度，但手指在传感器上能穿过的最大距离成比例地减小。增加读敏感元件的频率以便能够接收手指在传感器上相对移动的更大速度是相当必要的。
传感器的活性表面的尺寸最好是宽度的范围从1厘米到2.5厘米，而长度少于5毫米。
尽管这将使得电子处理过程更复杂，仍可以使用宽度远小于手指宽度的传感器，只要使手指穿过传感器几次(或使传感器穿过手指几次)来覆盖要读的手指的整个所要求的表面。这就使以小体积的传感器，因此低制造成本的传感器成为可能。
通过其指纹来鉴别个人的系统为了鉴别个人实际上总包括一数字图象处理系统。最简单的实施例就是将图象重建算法并入包括鉴别算法的系统中。
一个可能的方法就是在相同衬底上集成模-数转换器的传感器，该模-数转换器将图象数字化并将最终数据发送给微处理器，此微处理器包括含有重建算法的只读存储器和含有在处理结束时重建的图象的随机存取存储器。该图象然后将在进行鉴别的系统设备中处理。
提出的这些各种方法并没有穷尽，根据由半导体技术提供的可能性，还可以有其它集成方法。
图3给出了按照本发明构成指纹传感器的示例性集成电路的示意图。
集成电路由主要是硅衬底的半导体衬底20构成。在该衬底中形成电路22，用来读和处理电荷。这些电路例如是CCD(通过电荷转换工作的电荷耦合器件)电路或C-MOD电路。对于制造由硅构成的集成电路，可按标准技术制造这些电路。在随后将形成的随压电元件的矩阵图型而变化的阵列中形成这些电路。
所有读和处理信号的电路上都主要覆盖一平面层24，该平面层例如是几微米厚、通过旋涂覆而沉积成的聚酰亚胺层。
间歇性地蚀刻随将要形成的压电元件图型而变化的平面层24，以制造孔26，通过该孔各个压电元件能与硅衬底上相应的电荷读取电路相连。
在平面层上形成下电极阵列28。每个电极通过各自的孔26与硅衬底上的电荷读取电路连接起来。
在衬底上沉积活性压电层30，因而覆盖有一电极阵列。这一层最好是热电聚合物材料层，并可以是连续的。该层相对柔软(由塑料聚合物制造)。其上覆盖一连续的上电极32。因而，确定了一个压电元件阵列，每个压电元件由下电极28、仅位于其上的压电层30的部分和覆盖它的上电极32的部分构成。局部地施加在该元件上的压力产生的电荷由相应读电路读取，该电路径孔26与相应的下电极电连接。
在上电极32上沉积一保护层34，例如大约10微米厚的聚酰亚胺。此保护层必须有足够的刚性和足够的柔性，以便垂直和没有变化地传送施加在其上的压力图型(手指直接压在此层上)。
衬底20的电路利用位于电路表面的接触垫片(未示出)与外界相连。
热电/压电层的材料例如可以是聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-乙酸乙烯树脂(PVDCN-VAC)或氰化聚乙二烯-乙烯叉氟(PVDCN-VDF)。其它敏感层也可以，特别是那些产生随物理参数而变化的电荷的材料。
在上述聚合物的情形下，所利用的主要效应就是由聚合物的温度和/或压力的变化而引起电荷的产生。这种温度和/或压力上的变化由指纹轮廓线的纹脊与传感器的表面接触而引起，通常传感器的表面由一个十微米厚的薄保护层组成，防止侧向热量过多地耗散，此保护层沉积在与多路复用电路相连的电极阵列之上。
下面，将说明按照本发明的系统的示例性实施例。此系统包括一表面积远小于要读指纹的表面积并且具有远小于其宽度(传感器的行的长度)的长度(传感器矩阵行的数目)的传感器，本例中此传感器的宽度至少等于要读取其相应指纹的手指之宽度。
图4表示包括传感器50的系统的方框图。传感器50在半导体衬底之上，带有集成在同一衬底中的模/数转换器51，并在手指53在传感器50上相对移动期间在连续时间点处给出例如手指53的指纹52的数字化局部图象。数字化局部图象提供给微处理器60的处理输入部分55，微处理器60包括有随机存取存储器61和只读存储器63，只读存储器63中包含有能够重建手指53的指纹52的完整图象和鉴别该指纹的处理算法。
下面将说明由图4的方框图表示的系统。
让我们考虑如图5中所示的手指53和其指纹52。手指53以方向V与传感器的敏感元件矩阵的行相垂直地在传感器上滑动。在相对于手指53的相对移动中传感器的活性窗口在时刻t0、t1、t2、…tn的不同位置见虚线所示。传感器在相应时刻t0、t1、t2、…tn产生连续图象I0、I1、I2、…，并且手指在传感器上的相对移动速度是至少一幅图象部分地与下一幅图象重叠的速度。例如，I0与I1部分重叠，I1与I2部分重叠，依此类推。
为了在图5中更清楚地图示手指53相对传感器50的相对运动，手指53表示为静止不动而传感器50表示为相对手指移动。在手指运动而传感器静止或更一般地运动的手指在运动的传感器上滑动的情形下此系统将同样工作。所要考虑的参数是手指和传感器相互之间以大致与传感器的宽度垂直的方向的相对运动。
将初始时刻t0作为读取指纹52的第一幅局部图象I0的时刻。图6表示在时刻t0由传感器给出的指纹52的第一幅局部图象I0，而图7表示在随后时刻t1由传感器给出的该指纹52的第二幅局部图象I1。
图象I0、I1、I2、…、In传送给微处理器60的处理输入部分53并存储在随机存取存储器61中。位于只读存储器63中的算法对随机存取存储器61中存储的图象进行处理运算。这些运算就是连续检验两个图象I0和I1间叠合的所有可能情形，并将相关系数赋给每次检验。最佳相关系数将告知系统两个图象I0和I1叠合的最优位置，并且对由传感器50传给微处理器60的下一个图象I2重新进行这种运算，依此类推直到完全重建指纹。
为了根据同一指纹的连续局部图象重建该指纹的完整图象可使用各种关联方法。例如，一种关联方法包括对两个图象叠合的每一种可能情形比较开始两个连续图象I0和I1每一个的所有敏感元件的电平(level)。
图8表示在两个图象的公共区20上两个图象I0和I1的第一个重叠位置P1处由系统的处理算法进行的第一次检验。处理系统比较位于公共区20上相同点处每个图象I0和I1的敏感元件的电平。如果具有大致相同电平的敏感元件数目少于预定值，系统将两个图象的重叠位置修改为与图象I0和I1的新重叠区Z1相对应的下一位置P2(如图9所示)。系统在区Z1处进行两个图象I0和I1的敏感元件电平的新的比较。对这两个图象的随后的位置P3、…、Pn(如图10所示)以这种方式继续运算，直到在两个图象I0和I1的公共叠合区Zn上位于相同点的具有大致相同电平的敏感元件的数目大于与位置Pn处各自图象I0和I1的可能完全相同的区Zn相对应的预定值。
图10中所示两个图象I0和I1的最终图象Ir1可能是在它们的最佳叠合位置Pn处两个图象I0和I1间加权而得到的图象，这能够提高从重叠得到的图象质量。将图象Tr1保存在微处理器的随机存取存储器中以用于剩下的处理运算。
在时刻t2在传感器50输出端的如图11所示的下一个图象I2传送给微处理器60。该图象I2反过来以与上面相同的方法同最终图象Ir1相比较，便能够得到由I0、I1和I2在它们的最佳叠合位置导致的图象Ir2，如图11所示。以同样方法重复此过程，直到得到指纹52的完整图象Irn，如图12所示。
本系统的处理算法通过根据手指相对于传感器的相对移动将非常可能地大体保持不变这一事实，能注意到这一结果优于在两个连续图象间进行对最佳重叠位置一新的搜索来预测下一图象最可能的叠合位置。这通过避免不必要的计算而极大地提高了处理和重建指纹的完整图象Irn的速度。
没有穷尽重建完整图象的例子，并可以设想重建完整指纹的其它方法。
特别地，为了简单起见，上述方法已假设从也是逐点得到的局部图象来逐点重建指纹的图象。然而，这些图象必须随后用来进行鉴别，并且这种鉴别通常是由可使用提取轮廓的处理运算、将这些轮廓矢量化的运算等形状识别算法来进行的，考虑到这些事实，也可以设想以代表这些轮廓的轮廓线集或矢量集的形式直接进行图象重建的情形。指纹的有用图象实际上就是对应于该指纹线的纹脊的轮廓集。为了鉴别，检测的轮廓集与对应于要被鉴别身份的各个人的预先记录的轮廓集相比较。然后此轮廓集以表示这些轮廓的矢量表形式被存储。
然后，可能直接在局部图象上进行轮廓提取处理运算和/或矢量化处理运算，并且然后在局部图象的连续矢量轮廓上进行相关性计算，以便将局部图象集中在一起并直接以轮廓集或矢量集的形式建立起完整图象。
当该图象无论如何不得不转换为轮廓集时这一解决方法就可能避免逐点重建图象。
在其它实施例中，传感器的宽度可小于手指的宽度，因而进一步减小它的表面积。然后用这一系统来进行完整图象的重建，以适当速度对整个手指进行扫描将是充分的。
Claims (16)
1、一种指纹读取系统，包括用来在手指和属于该读取系统的传感器相接触并且传感器和手指相互间相对滑动时读取指纹的装置，和根据在这种运动中得到的局部图象重建指纹图象的装置。
2、按照权利要求1的指纹读取系统，其中传感器固定到支架上，手指对于传感器的相对运动是通过手指在传感器上滑动来进行的。
3、按照权利要求1的指纹读取系统，其中提供一些装置来相对于手指放置的表面移动传感器，从传感器相对于手指的滑动来得到手指对于传感器的相对运动。
4、按照任一权利要求1到3的指纹读取系统，其中传感器是包括集成到半导体衬底中的敏感元件矩阵的集成电路，在半导体衬底中集成有多路复用器，它能够实现对在手指和传感器相互间相对移动期间在传感器的活性层产生的信号的单个测量。
5、按照任一权利要求1到4的指纹读取系统，其中传感器有一对压力和/或温度敏感的活性层。
6、按照权利要求5的指纹读取系统，其中集成电路的活性层是一热电/压电层，它能够感知由指纹产生的压力和/或温度矩阵图型。
7、按照任一权利要求1到4的指纹读取系统，其中传感器的敏感元件由电容性元件组成，该电容性元件能够感知由指纹线产生的电容矩阵图型。
8、按照任一权利要求4到7的指纹读取系统，其中传感器的敏感元件是长方形的。
9、按照任一权利要求1到8的指纹读取系统，其中传感器的表面积小于指纹的表面积，并仅传送完整指纹的局部图象。
10、按照任一权利要求1到9的指纹读取系统，其中传感器采用长度远小于其宽度的小条形。
11、按照权利要求10的指纹读取系统，其中该小条的宽度大体等于手指的宽度。
12、按照权利要求10和11之一的指纹读取系统，其中传感器有一其宽度范围从大约1厘米到2.5厘米而其长度小于5毫米的活性表面。
13、按照任一权利要求1到12的指纹读取系统，其中传感器仅包括一行敏感元件。
14、按照任一权利要求1到13的指纹读取系统，为了重建指纹图象，包括一电路，此电路带有一微处理器、一用能够重建指纹的完整图象和鉴别个人的算法被编程的只读存计器，以及一随机存取存储器。
15、按照任一权利要求1到14的指纹读取系统，包括由传感器提供的局部图象处理装置，使其特别能够提供指纹脊线的轮廓；和图象重建装置，用来在这些轮廓的基础上以轮廓形式建立全部指纹图象。
16、按照权利要求15的指纹读取系统，其中局部图象处理装置通过根据手指对于传感器的相对移动将很可能地大体保持不变这一事实，注意到该结果优于对在两个连续图象间的最佳重叠位置进行新一搜索来预测下一图象最可能的叠合位置。
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