CN1180998A - 指纹传感器 - Google Patents

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Abstract

测量至少部分导热的表面(10)的图形、特别是指纹的方法和设备,其特点在于将与欲检查表面的基本部分作热接触的多个传感器部件加热,测量每一传感器部件中的温度或温度的变化以得到对应于有关各传感器中所供能量的热损失的信号,和根据传感器部件的热损失中的差异配置各传感器部件的所述信号以得到分段图形。

Description

指纹传感器
本发明是关于用于测量部分导热表面中的图形、尤其是指纹的方法和设备。
近来由于伪造信用卡的危险增加以及图形识别算法的可用性的提高，利用指纹进行识别变得突出。一些指纹识别系统已进入市场供应阶段。用于登记指纹的技术各种各样。
某些早先已知的办法是以采用一种或多种波长光线的光技术为基础。这些光对指纹中的和传感器表面上的灰尘和杂质敏感，因而需要对两者进行清理。
另一种方案是压力测量。但这具有缺点：因传感器必须具有至少部分地相顺从的表面，传感器表面对机械磨损和损伤是敏感的。
由于这类的传感器可能在变化的及有时所需求的条件下在长时期应用中被暴露，传感器就必须具有坚固的表面，应尽可能对指纹中及传感器上的污染不敏感，并能进行电屏蔽以避免来自外部的干扰和有可能损坏传感器中电子电路的电磁放电。必须能读取大部分指纹而不致受早先所用的潜藏印记的干扰。还必须能读出受磨损的其纹路不再明显的指纹。在例如信用卡的某些情况下，还希望传感器能做得很紧凑。
考虑到成本，还要求结构简单和部件数量最少。
一种吸引人的方案是利用“谷线”和“脊线”间温度差来测量指纹的图形。但这要求非常灵敏的检测器，而且对于因环境不同造成的温度变化也很敏感。这类传感器可在挪威专利153193和美国专利4429413中了解到。
本发明的目的是提供一种易于制造、生产成本低、并具有能将其组装人身份卡和信用卡等的很小尺寸的传感器。再一个目的是使得传感器尽可能对指纹中和传感器上的污染不敏感，而且使其可长时期使用而无须维护。
按照本发明，上述要解决问题通过利用权利要求1中表征的方法和权利要求7中所定义的传感器装置来解决。
本发明涉及到通过测量接触传感器的表面、特别是指纹的热传导性之差来检测热结构成。这使得测量不依从于周围温度。
对于传感器的测量，在灰尘和杂质上的要求将不如其他对应方法中那样严格。如果传感器上存在有相对平滑的薄层污染物质，它将在一定程度上影响图象的反衬度，但仍然可以读出指印。较大量的影响所测得的热传导的灰尘可能产生测量误差。
热传导性的测量是通过将欲测量对象所接触的传感器加热并测量由此得到的温度(相对温度)相对于所供给能量的变化来进行的。被测对象的热传导性越好，局部温度变化将越小。热传导性可作为在开始或停止加热之后累积一段时期的时间或一定时刻的时间的函数进行测量。多次测量或各测量部件的连续的温度控制，除提供对被测对象中的热传导性的测量外还提供计算热容量的可能性。
其自身的加热可以不同方法进行。整个传感器的接合加热是一种可能的措施。为实现接合加热，可利用耦合到传感器的其他电子电路中产生的热。
本发明的一优选实施例中，各独立的温度传感器采用独立的热源，使各传感器在每一点提供受控制的及精确的测量，而使得此方法和设备对温度的局部变化较不敏感。这也是很有利的，因为所提供的能量可在各温度传感器被控制而改善了对温度的控制，并由于可将能源置于靠近要测量的表面和对象，从而因被加热物体更接近而减少能量应用而且使反应速度加快。
下面参照所列附图详细说明本发明：
图1表示传感器系统的位置的示意性断面；
图2表示指纹与传感器间接触表面的细节；
图3表示与图2同样的情况，但具有磨损的指纹；
图4所示基本与图2相同，但带有连接到传感器的电子电路的略图；和
图5表示温度传感器电路的示意图。
图1中表明传感器相对于其他电路的位置的原理性视图。传感器1与指纹直接接触。在其他各部件中，设置有系统电路4用于控制和管理由传感器1采集的数据。在传感器1的下方可设置一层隔热的、或部分隔热的材料2来限制来往其他电子系统电路4的热传导。为加强隔热作用，隔热层可带有在各传感器部件下面的孔腔。如果来自系统电路4的热在热传导的测量中被采用，可以将此层作得较薄。
在系统电路4与隔热层2之间表示一将来自不同的系统电路5的热对传感器作均匀分布的导热层3。这保证了平滑及精确的测量。
实际的传感器厚度将会改变，在应用于或被装设在识别(身份)卡上时，厚度最好尽可能小，包括系统电路5在内最好低于0.5mm。
用于传感器中的最令人感兴趣的材料是下面这些。电子电路最好为采用公知的硅或砷化镓(GaAs)技术的半导体材料制成，而电和热绝缘物则采用SiO2或其他允许直接固定半导体材料的材料来提供。电导体最好由铝、或金或其他相对于半导体的通用的材料制成。另一种选择是也可以采用基于半导体、导体和绝缘材料的聚合物，这对于信用和身份卡很有利，因为它们具有很大程度的柔韧和弹性。
图2表示传感器与指纹间接触表面的细节，其中传感器被以传感器中箭头所指均匀供热进行加热。指纹由其间夹有谷线14的脊线13构成。皮肤包括有外层皮肤10(外表皮)，在其下面为具有血液循环(以圆形箭头表示)的区域11。在脊线13下面具有乳头突起12，其中也具有血液循环。脊线13与传感器接触并被加热，而指纹中的血液循环将热送走。在谷线中传感器表面主要由两种机制冷却：谷线14中所包括的空气中的幅射和热传导。这些冷却机制不如脊线13中的热传导那样有效，这就带来在脊线13中测得的相对温度TSR与不在脊线13中测得的相对温度TSV间的差值。这些温度可利用温度传感器15而被测量。收集所有温度传感器15所测的测量值和利用有关所供给能量的信息，作成表示指纹的一图形。
温度传感器15处的温度可在一或多个时刻，或者连续地被测量。利用多点或连续测量，可得到除热传导性外还表示不同测量点的有效热容量的图形。由于在指纹的脊线中包括有因高含量的水分而具有高热容量的汗孔8和周围的皮肤细胞9(汗浸润)，热容量中的差异将增强传感器鉴别脊线和谷线的能力。
因为传感器测量温度，传感器输出的信号基本上与指纹中测量点的热传导成反比。因此这些信号的排列将提供表明热传导分布的一图形、因而得指纹。
进行温度测量的传感器15将是一通常的电子部件，但很清楚，其他的测量技术例如光学或声学的也可加以应用。
增加所供给的热量可提高所测得的指纹的反衬(对比)度。因为热传导中的差别，没有热被传送走的区域其温度将较其他区域增加得快。这提供了一种用于增加信号中的反衬度的直接的方法，而无需采用图形磨损或其他扩大计算。
图3表示一指纹中的脊线被磨损的对应情况，因而指纹实际上不明显。这里热传导中的差别是因外层皮肤10的厚度而产生的。在先前的脊线13处仍然可测量到与先前的谷线14相比较热传导中的增加。这是因为由传感器至带有血液循环的区域的距离因乳头突起而小于谷线区域14中的距离dv。这样，脊线区域中所供给的热就比谷线区域中所供给的热被更有效地传送走。因此这类的指纹除有效热容量中的差别外，也可通过热传导中的差别来进行登记。
图4表示传感器的电子电路可能布局的示意图。紧靠着指纹设置有导电的接地层20，由铝或其他导体或半导体材料制成，用于免除来自周围的电气干扰和防止放电伤害传感器。这一层20还包括由机械性能强的材料例如SiO2，Si3N4或α-Al2O3制成的层25，用于保护传感器不受机械应力和化学腐蚀。这些层20、25最好足够薄以不致阻碍热传送到指纹而影响测量。
传感器部件15之间具有限制部件间的热传导的隔热区23。实践中传感器部件15将由隔热区包围以便将它们相互间作热隔离。但是在本发明范畴内有一有意义的实施例中，允许传感器部件15之间有一定程度的热传导。这可提供一滤除效果，其中，可以抑制温度的所不希望的局部变化的效应，亦即降低图形中的干扰，而无需应用扩大的计算。
选择部件间的热传导可有许多方法，例如依靠在选择材料中的实际尺寸和隔热区的形状，或者依靠调整电导层20的厚度使热被传入其中。
依靠将所供给的热量的增加与允许的受控制的传感器部件间的热传导相组合，能在平滑信号的同时维持反衬度。
隔热区可以例如由SiO2或类似材料构成。从生产角度出发的优选实施方案将是，隔热材料与图1中的隔热层2相同、或相兼容，并且与之相连接。选取能进行电子电路集成生产的材料也有益于加工处理。
所示例中的各传感器部件15具有产生已知热量的对应加热部件21。在此示例中，加热部件21集中由Vk和利用电子接触开关24进行控制。但有可能对电路作各加热部件的分开的控制以得到对供热的局部控制。为做到这一点的可行的技术如下述。利用电子接触开关22，例如一双选通MosFET晶体管，来寻址和控制自温度传感器得到的信号。
图5中表示温度传感器的电路示意图。所示例中，传感器由对应于前述的分段图形中一个象素的512×512传感器单元30组成，它们能以通常的方式被分别地或成组地同时读出。传感器的实际大小可按照欲测量的指纹而改变，但最初接近于13×13mm2。象素大小必须足够小以能得到指纹的结构图形。利用上述尺寸，这些象素将具有约25.4×25.4μm的大小。传感器以普通的半导体技术、或者可能以聚合技术而被集成制造。
可设置行和列寄存器31、32作为传感器的一部分或作为系统电路的一部分，并可被用于收集来自独立的象素的数据并寻址这些象素。
这些行和列寄存器33、34可由传感器或由系统电路所组成，并用于寻址和控制每一加热部件。
为实现对各传感器部件的受控制的局部加热，可重复地，有可能以调整访问时间地寻址有关的象素。这样，通过传感器部件的电子电路可重复地发送电流。这将导致传感器部件的累积加热，其可被用于部分地控制所选择象素中的供热。
上面就指纹测量说明了传感器。但很显见，它也可被用于其他具有改变的热传导、热容量和/或表面中的热结构的表面上。作为举例例如可以是测量纸币或类似结构表面中的结构。传感器也可被用于检查接近表面的不一致性，例如材料中的裂纹和不对称性，只要它们影响被测目标的热传导。

Claims (10)

1、测量至少部分热传导表面中的图形，特别是指纹的方法，其中许多传感器部件与受检表面(10)的基本部分作热接触，并测量各传感器部件的温度，其特征是：
传感器部件(15)由一热源加热；
一或多次地、或者连续地测量各传感器部件处的温度；
将测得的温度或各传感器元件(15)中的温度变化与所供给的热量进行比较，以得到从传感器部件(15)至表面(10)的热损耗的量度；和
根据从传感器部件至表面(10)的热损耗中的变化排列每一单个传感器部件(15)处的热损耗以得到此表面的分段图形。
2、按照权利要求1的方法，其特征是：
各单个传感器部件(15)处的测量被分别控制和读取。
3、按照权利要求1或2的方法，其特征是：
各单个传感器部件(15)的加热被分别加以控制，例如通过寻址所关心部件中的局部温度传感器，以便使其起到热源作用。
4、按照权利要求1-3中任一个的方法，其特征是：
传感器部件(15)利用隔热材料(23)被部分地作热绝缘，而隔热材料(23)的热传导在使传感器部件(15)之间的温度差异平滑中起到作用以提供分段图形中的过滤效果。
5、按照权利要求1-4中任一个的方法，其特征是：
分段图形中的反衬度通过增加总体提供给传感器的热量或个别地提供给每一传感器部件(15)的热量而被增强。
6、按照权利要求5的方法，其中传感器部件被个别地加热，其特征是：
被加给各部件的热量按照部件的温度或温度的变化而被调节。
7、用于测量至少部分热传导表面中的图形、特别是指纹的设备，包括多个适应于与所述表面(10)的基本部分作热接触的传感部件(15)和适用于测量每一传感器的温度的温度传感器(15)，其特征是包括：
适用于加热所述传感器部件的一或多个装置(21)和用于根据已知的被提供的热量及所测得温度或温度变化生成对应于每一传感器部件的热传导的信号，以便根据在传感器部件处的热损耗中的差异建立完整的该表面的分段图象的装置。
8、按照权利要求7的设备，其特征是：
在传感器部件之间包括有部分地隔热的材料(23)。
9、按照前述权利要求7、8之一的设备，其特征是：
各传感器部件(15)均设置有独立的热源(21)。
10、前述权利要求7-9之一的设备，其特征是
各传感器部件适应于至少部分地控制供热。
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