CZ318197A3 - Způsob a zařízení k měření vzoru na částečně tepelně vodivém povrchu, zejména měření otisku prstu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu k měření vzoru na částečně tepelně vodivém povrchu, zejména měření otisku prstu a dále se týká zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Identifikování otisků prstů se v poslední době dostává do popředí zájmu, jako výsledek vzrůstajícího nebezpečí ztráty kreditních karet, a rovněž, vrůstající dostupnosti algoritmů rozeznávajících vzory. Na trhu jsou již dostupné některé systémy rozeznávání otisků prstů. K registrování otisků prstů se používají nejrůznější techniky.

Některá známá řešení jsou založena na optickém způsobu, používajícího světlo s jednou nebo více vlnových délek. Tyto způsoby jsou citlivé na špínu a znečištění, jak prstů, tak povrchu snímače, a proto je nutné čištění prstů i snímače.

Další alternativou je měření tlaku. Tento způsob má však nevýhodu, že povrch snímače je citlivý na opotřebení a na poškození, protože snímač musí mít alespoň částečně poddajný povrch.

Jelikož tento typ snímačů může být při používání dlouhodobě vystaven proměnným a někdy náročným podmínkám, musí tento snímač mít robustní povrch, který je co nejméně citlivý na znečištění otiskem prstu i na vlastní znečištění, a jeho konstrukce musí umožnit provedení elektrického

- 2 odstínění k zabránění vnější interference a k zabránění elektromagnetických výbojů, které mohou poškodit elektronické obvody snímače.

Mus í být schopen přečíst většinu otisků prs tů aniž by byl rušen skrytými otisky z dřívějšího používání. Musí být dále schopen přečíst opotřebované <}

C odřené) ot i s ky, jejichž vzor už není viditelný- V některých případech, například u krediktních karet, by bylo také výhodné, kdyby byl snímač kompaktní.

Z hlediska nákladů je také kladen požadavek na jednoduchou dostupnost a minimalizaci počtu součástí.

Zajímavou alternativou je měření vzoru otisku prstů s využitím rozdílu teploty mezi prohlubněmi a výstupky.

Takový způsob však vyžaduje velice citlivé detektory a je také citlivý na kolísání teploty způsobené různými okolnostmi. Tento druh snímače je znám z norského patentu

152, 193 a z patentu US 4,429,413.

Podstata vynálezu

Cílem uvedeného vynálezu je vytvoření snímače, který se snadno vyrábí, takže jeho výroba je levná, a který má také tak malé rozměry, že může být zabudován do identifikační karty, kreditní karty a podobně. Dalším cílem vynálezu je zhotovení snímače, který je co nejméně citlivý na znečištění otiskem prstu i na vlastní znečištění, a který se může dlouhodobě používat bez údržby.

Uvedené problémy jsou vyřešeny předloženým vynálezem pomocí způsobu podle nároku 1 a pomocí zařízení se snímači podle nároku 7.

Vynález je založen na zjišťování tepelných struktur

- 3 měřením rozdílů tepelné vodivosti na povrchu, zejména prstu, který se dotýká snímače. Měření se tak stává nezávislé na teplotě okolí. Při tomto měření pomocí snímače nejsou špína a znečištění tak kritické jako u obdobných způsobů. Když se na snímači vyskytuje relativně hladká a tenká vrstva znečištění, může to do určité míry ovlivnit kontrast obrázku, ale otisk může být stále čitelný. Větší množství špíny ovlivňující změřenou tepelnou vodivost může způsobit chyby v měření.

Tepelná vodivost se měří zahřátím snímače při dotyku měřeným předmětem, a měřením výsledné změny teploty (relativní teploty) vzhledem k vytvořené energii. Čím má měřený předmět lepší tepelnou vodivost, tím jsou menší místní změny teploty. Tepelná vodivost se může měřit jako funkce času, integrovaná do časové periody nebo do zvolené doby po začátku nebo skončení ohřevu. Množství měření nebo průběžné řízení teploty u každého měřícího prvku vytváří možnost výpočtu tepelné kapacity a rovněž provádění měření tepelné vodivosti měřeného předmětu.

Samotný ohřev se může provádět různými způsoby. Jedna možnost je spojený ohřev celého snímače. K dosažení spojeného ohřevu se může použít teplo vyvozené v ostatních elektronických obvodech spojené do snímače.

V přednostním provedení vynálezu se používá samostatný tepelný zdroj u každého samostatného tepelného snímače, který vytváří řízené a přesné měření v každém bodě, takže způsob a zařízení jsou méně citlivé k místním odchylkám teploty. To je také výhodné, protože vytvořená energie se musí řídit u každého teplotního snímače, který poskytuje zdokonalené řízení teploty a protože zdroje energie se mohou umístit těsně k povrchu měřeného předmětu, a tudíž to přináší menší použití energie a rychlejší odezvu, protože ohřívaná hmota je kompaktnější.

Seznam obrázků na výkrese

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, kde na obr.l je v řezu schematicky znázorněna poloha snímačového systému, na obr.2 je v detailu znázorněn kontaktní povrch mezi otiskem prstu a snímačem, na obr.3 je znázorněna stejná situace jako na obr.2, ale s opotřebovaným (odřenným) otiskem prstu, na obr.4 je v podstatě znázorněna stejná situace jako na obr.2, ale s nákresem elektronických obvodů spojených se snímačem a na obr.5 je znázorněn schéma zapojení snímače teploty.

Příklady provedení vynálezu

Na obr.l je schematicky znázorněna poloha snímače vzhledem k dalším obvodům. Snímač 1 je v přímém kontaktu s otiskem prstu. Dále jsou zde systémové okruhy 4, mezi jiným ke kontrole a řízení sběru dat ze snímače 1- Pod snímačem 1 může být uspořádána izolační vrstva 2 z tepelně izolačního nebo částečně izolačního materiálu, k omezení vedení tepla k elektronickým a od elektronických systémových okruhů 4. Ke zvýšení izolačních vlastností může být Izolační vrstva 2 opatřena dutinou pod každým snímačovým prvkem. Když se má používat teplo ze systémových okruhů 4 při měření tepelné vodivosti, může být tato vrstva tenčí. Mezi systémovými okruhy 4 a izolační vrstvou 2 je umístěna tepelně vodivá vrstva 3, která vytváří rovnoměrné rozdělování tepla od různých systémových okruhů 5 na snímači 1. Tímto zůsobem je

zajištěno hladké a přesné měření.

Fyzická tloušťka snímače se mění, ale při použití pro identifikační karty nebo při instalování na identifikační karty, bude tloušťka co nejmenší, zejména méně než 0,5 mm, včetně systémových okruhů 5.

Následující materiály jsou nejzajímavější k použití při výrobě snímače. Elektronické obvody jsou vyrobeny z polovodičů, zejména z křemíku nebo arsenidu gália (GaAs), dobře známou technologií a elektrická a tepelná izolace se vytvoří z oxidu křemičitého CS1O2) nebo z jiných materiálů, umožňujících přímé instalování polovodičových materiálů. Elektrické vodiče jsou vyrobeny zejména z hliníku nebo ze zlata nebo jiných materiálů, které jsou běžné u polovodičů. Alternativně se mohou použít polovodiče, vodiče a izolační materiály na bázi polymerů nebo identifikační karty, které by byly výhodné na kreditní protože zajišťují vysoký stupeň poddajnosti a pružnosti.

Na obr.2 je v detailu znázorněn kontaktní povrch mezi snímačem a otiskem prstu, kde je snímač ohříván pomocí rovnoměrného přívodu tepla označeného šipkami ve snímači.

Otisk prstu obsahuje výstupky 13, mezi nimž jsou uspořádány prohlubně 14 - Pokožka je tvořena vnější vrstvou 10 (epidermis) se spodní oblastí 11. kde cirkuluje krev (znázorněná kruhovými šipkami). Pod výstupky 13 jsou papily 12, v nichž mezi jiným probíhá krevní oběh. Výstupky 13 přicházejí do styku se snímačem a ohřívají se a vzniklé teplo se odvádí krevním oběhem v prstech- V oblastí prohlubní 14 se snímač ochlazuje, v podstatě dvěma mechanismy, zářením a vedením tepla ve vzduchu obsaženém v prohlubních 14. Tento mechanismus ochlazování není tak účinný jako vedení tepla ve výstupcích 131, jehož výsledkem je rozdíl mezi relativní teplotou Ts.r změřenou na výstupcích a relativní teplotou Ts.v, která není. Tyto teploty se mohou měřit pomocí tepelných snímačů 15. Naměřené hodnoty ze všech tepelných snímačů 15 se shromažďují a s využitím informací týkajících se dodávané energie, se vytváří vzor, znázorňující otisk prstu. Teplota se mflže měřit tepelnými snímači 15 v jednom nebo několika časových úsecích nebo průběžně. S použitím většího množství nebo průběžného měření můžeme získat obrazec znázorňující účinnou tepelnou kapacitu v různých měřících bodech, kromě tepelné vodivostí. Jelikož potní kanálky 8 a okolní kožní buňky 9 (difúze potu), které vlivem vysokého obsahu vody mají vysokou tepelnou kapacitu, jsou obsaženy ve výstupcích 13, rozdíl tepelné kapacity zvyšuje schopnost snímače rozeznávat výstupky 13 od prohlubní 14. Protože snímač měří teplotu, je výstupní signál z jednoho snímače v podstatě nepřímo úměrný tepelné vodivosti v měřícím bodě otisku prstu. Uspořádání těchto signálů proto vytváří obrazec označující rozdělení tepelné vodivosti, a tedy obrazec otisku prstu. Na začátku tepelného snímače 15 je běžná elektronická součástka, ale je zřejmé, že se mohou použít i jiné techniky měření, například optické nebo akustické- Kontrast změřeného otisku prstu se může podpořit zvýšením dodávaného teplaVlivem rozdílu tepelné vodivosti, oblasti, které neodvádějí teplo, zvyšují svoji teplotu rychleji než ostatní oblasti. To vytváří přímý způsob ke zvýšení kontrastu signálu bez nutnosti použití manipulace s obrázkem nebo jiných rozsáhlých výpočtů.

Na obr.3 je znázorněna obdobná situace, kde výstupky na otisku prstu jsou opotřebované Codřené) a tudíž otisk prstu • ·· ·

- 7 není skutečně viditelný. Rozdíl tepelné vodivostí je zde dán tloušťkou vnější vrstvy 10 pokožky. U předchozích výstupků 13 se může stále měřit zvýšení tepelné vodivosti v porovnání s předchozími prohlubněmi 14. Je to proto, že vzdálenost ór od snímače k oblasti s krevním oběhem, způsobeným papilou, je menší než vzdálenost dv v oblasti prohlubní 14 (ór < dv>Dodávané teplo v oblast-ech výstupků 13 se tedy účinněji odvádí než dodávané teplo v oblasti prohlubní 14 - Proto se tento druh otisků prstů může také zaznamenávat rozdílem tepelné vodivosti, kromě rozdílu účinné tepelné kapacity.

Na obr.4 je schematicky znázorněno elektronické zapojení snímače- V nejtěsnější blízkosti otisku prstu je znázorněna elektricky vodivá uzemněná vrstva z hliníku nebo jiného vodivého nebo k zabránění elektrického okolního výbojů, které mohou poškodit snímač.

20, vyrobená například polovodivého materiálu, rušení a k zabránění

Tato vrstva 20 může také obsahovat ochrannou vrstvu 25 vyrobenou z mechanicky odolného materiálu, například S1O2 . S13N4 nebo ΛΙ2Ο3 k ochraně snímače před mechanickým stlačením a chemickou korozí. Tyto vrstvy 20 a 25 by měly být zejména dostatečně tenké, aby nebránily převodu tepla k otisku prstu a neovlivňovaly měření. Mezi tepelnými snímači 15 je umístěna izolační oblast 23 omezující vedení tepla mezi těmito snímači. V praxi jsou kolem snímačů 15 uspořádány izolační oblasti za účelem vzájemné tepelné izolace jednotlivých snímačů 15 - Existuje však zajímavé provedení v rámci rozsahu vynálezu, umožňující určitou míru vedení tepla mezi jednotlivými snímači 15.. Může vytvořit filtrační účinek, který mezí jiným potlačí účinek nechtěného místního kolísání teploty, t.j. potlačující poruchy v obrazci bez použití rozsáhlých výpočtů.

··♦·

Tepelná vodivost mezi jednotlivými snímači 15 se může vybírat různými způsoby. například fyzickým dimenzováním a tvarem izolační oblasti, volbou materiálů nebo regulováním tlouštky elektricky vodivé vrstvy 20, když se dovolí, aby do ní přecházelo teplo.

Kombinací zvyšování dodávaného tepla a povoleného a řízeného vedení tepla mezi snímači se může udržet kontrast při vyrovnaném signálu.

Izolační vrstva se může vyrobit například ze S1O2 nebo podobných nmateriálů. Přednostní provedení z hlediska výroby je takové, kde je Izolační materiál týž, nebo je kompatibilní s tepelné izolační vrstvou 2 nebo je k ní připojen, podle obr.l. Volba materiálu umožňující integrovanou výrobu elektronických obvodů bude také výhodná ve výrobním procesu.

Každý snímač 15 ve znázorněném příkladu má příslušný ohřívací prvek 21, vytvářející známé množství tepla. Ve znázorněném příkladu jsou ohřívací prvky 21 řízeny centrálně pomocí Vk a pomocí elektronického kontaktního spínače 24. Je však možné vytvořit obvod se samostatným řízením každého ohřívacího prvku pomocí místního řízení dodávky tepla. Dále bude popsána možná technika k dosažení tohoto cíle. Signál z tepelného snímače je směrován a řízen pomocí elektronického kontaktního spínače 22, například tranzistoru s dvojitým hradlem MosFET.

Na obr.5 je znázorněno schéma zapojení tepelných snímačů. Ve znázorněném příkladu je snímač tvořen snímačovou jednotkou 521x512, označenou vztahovou značkou 30 a odpovídající jednomu obrazovému prvku dříve uvedeného segmentovaného obrázku, který se může číst samostatně nebo současně ve skupině obvyklým způsobem. Fyzický rozměr snímače • · se může měnit podle měřeného otisku prstu, ale může začínat rozměrem 13 x 13 mm². Velikost obrazového prvku musí být dostatečně malá pro vytvoření obrázku struktury otisku prstu. Při použití uvedených rozměrů bude mít obrazový prvek velikost přibližně 25,4 x 25,4 um². Snímač se integrálně vyrábí známou technologií pro běžné polovodiče nebo se může vyrábět technologií pro polymery.

Součástí snímače nebo systémových obvodů mohou být řádkové a sloupcové registry 31, 32, které se mohou použít ke shromažďování dat z jednotlivých obrazových prvků a jejich adresování. Snímač nebo systémové obvody mohou obsahovat řádkové a sloupcové registry 33, 34, které se mohou použít k adresování a řízení každého ohřívacího prvku.

K dosažení řízeného, místního ohřevu každého snímače se mohou příslušné obrazové prvky adresovat opakovaně s možností regulace vybavovací doby. Proud se tedy opakovaně vede elektronickým obvodem snímače. Výsledkem je akumulovaný ohřev snímače, který se může použít v částečném řízení dodávky tepla do vybraného obrazového prvku.

Snímač je popsán vzhledem k měření otisků prstů- Je však jasné, že se může také použít u jiných povrchů s proměnlivou tepelnou vodivostí, tepelnou kapacitou a/nebo tepelnými strukturami povrchu. Jedním příkladem může být například měření struktury bankovek nebo podobných strukturovaných povrchů. Snímač se také může použít při kontrole nehomogenit. těsně u povrchu, jako jsou trhliny a nepravidelnosti materiálu. pokud mohou ovlivnit vedení tepla měřeného předmětu.

>V

9 ·	9·	•	9 99 ·>··
♦	9 9	9 9	• 9 9 9 9
	9 999	9	9 9 9 *
9	9 9 9	9	9 9 ě
•	9 9	9	• 9 9
···	9 9 9	9 9 9	999 99 9

Claims (10)

1. Způsob měření vzoru alespoň na částečně tepelně vodivém povrchu, zejména měření otisku prstu, při němž se umístí několik snímačů do tepelného kontaktu s podstatnou částí zkoušeného povrchu (10), a při němž se měří teplota každého snímače, vyznačující se tím, že snímač (15) se ohřívá zdrojem tepla, přičemž teplota každého snímače se měří jednou nebo několikrát nebo průběžně, přičemž změřená teplota (změřené teploty) nebo změny teploty v každém snímači (15) se porovnávají s přiváděným teplem ke změření úbytku tepla od snímače (15) k povrchu (10), a přičemž úbytek tepla každého jednotlivého snímače (15) se spojí k vytvoření segmentovaného obrazce povrchu založeného na změnách úbytku tepla od snímačů (15) k povrchu (10).

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že měření každého jednotlivého snímače (15) se řídí a odečítá samostatně.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2,vyznačující se tím, že ohřev každého jednotlivého snímače (15) se řídí samostatně, například adresováním senzoru pro snímání místní teploty do příslušného prvku, tak, že se chová jako zdroj tepla.

4. Způsob podle nároků 1 až 3 , v y z n a č u j í c í se tím, že snímače (15) se částečně tepelně izolují pomocí Izolačního materiálu (23) , přičemž tepelná vodivost izolačního materiálu (23) přispívá k vyrovnán í rozd í1ů

teploty mezi snímači (15) pro vytvoření filtračního účinku v segmentovaném obrázku -

5. Způsob podle nároků 1 až 4, v y z n a č u j í c í se tím, že kontrast segmentovaného obrázku se zvýší vzrůstem dodávaného tepla do snímače všeobecně nebo jednotlivě ke každému snímači (15).

6. Způsob podle nároku 5, při němž se snímače ohřívají jednotlivě, vyznačující se tím, že teplo dodávané ke každému snímači se nastavuje podle teploty nebo změny teploty snímače.

7. Zařízení k měření vzoru alespoň na částečně tepelně vodivém povrchu, zejména k měření otisku prstu, obsahující několik snímačů (15) upravených do tepelného kontaktu s podstatnou částí zkoušeného povrchu (10) a tepelné snímače (15) upravené k měření teploty každého snímače, vyznačující se tím, že obsahuje jedno nebo několik zařízení (21) upravených pro ohřívání uvedených snínačů (15) a prostředek pro generování signálu odpovídajícího tepelné vodivosti každého snímače, založeného na známém dodávaném teple a naměřené teplotě (naměřených teplotách) nebo změně (změnách) teploty, pro stanovení celkového segmentového obrázku povrchu založeného na rozdílu úbytku tepla ve snímačích.

8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že obsahuje částečně izolační materiál (23) mezi snímači.

9. Zařízení podle nároku 7a8, vyznačující se tím, že každý snímač (15) je opatřen samostatným zdrojem (21) tepla.

10. Zařízení podle nárokfl 7 až 9, vyznačující se tím, že každý snímač je upraven alespoň k částečnému řízení dodávky tepla.