DE60107084T2 - System zur fingeroberflächenmustermessung in echtzeit - Google Patents

System zur fingeroberflächenmustermessung in echtzeit Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen von Mustern auf einer Oberfläche, insbesondere von Fingeroberflächen, wobei das System eine Anzahl von Sensorelektroden, die mit einem elektrisch isolierenden Material versehen sind, über das die Oberfläche bewegt wird, und mindestens eine Stimulationselektrode zum Vorsehen eines veränderlichen Stroms oder einer veränderlichen Spannung zwischen der Stimulationselektrode und der Anzahl von Sensoren durch die Oberfläche umfasst.
  • Biometrische Technologien umfassen Gesichtserkennung mit Hilfe von optischer oder thermischer Abbildung, Fingerabbildung mit Hilfe von optischer, thermischer, AC- und DC-kapazitiver Abtastung, Handgeometriemessung und Handflächenscannen, Iris- und Netzhautscannen, Unterschriftserkennung, und Sprachabdrücke.
  • Detektion und Vergleich von Fingeroberflächenmustern ist eine Technik, die zur Identifikation und Verifikation von Personen verwendet wird und unter allen biometrischen Technologien ist sie diejenige, die momentan aufgrund ihrer technischen Fähigkeiten und kostengünstigen Lösungen die meiste Aufmerksamkeit erhält.
  • Das US-Pat. 5,963,679 für Setlak offenbart einen Fingerabdrucksensor, der eine Anordnung von Elektroden, die ein elektrisches Feld abtasten, umfasst, welche die Kapazität des Fingerabdrucks unter Verwendung eines elektrischen AC-Feldes misst. Das Verfahren mit dem elektrischen AC-Feld schließt die Verwendung einer Anordnung von Erregerantennen an der Grundplatte ein, die elektrische Felder über eine Abtastanordnung ausbreiten, um Fingerabdruckkonturen zu detektieren. Diese Felder durchdringen die Hautoberfläche, ausgehend von der leitenden lebenden Schicht von Hautzellen unter der Hautoberfläche. Dies wird im Gegensatz zu den kugel- oder röhrenförmigen Feldgeometrien durch einfache kapazitive Sensoren erzeugt, die nur die äußerste Oberfläche der Haut umgeben. Dieses Verfahren erfordert, dass das elektrische Feld vom Sensor zum Finger abgestrahlt wird, was eine separate Abschirmung für die Elektronik nötig macht. Zudem verwendet das System nur eine einzelne Frequenz und verändert und passt die elektrischen Eigenschaften (Frequenz, Amplitude, Phase) des elektrischen Felds nicht den Eigenschaften des Fingers (trocken, nass, etc.) an. Dabei ist die Fläche, die zur Realisierung des Sensors erforderlich ist, sehr groß, was die Kosten steigert und den Bereich, in dem der Sensor verwendet werden kann, beschränkt.
  • Thomson-CSF (jetzt Atmel) verwendet eine Reihe oder eine Anordnung von Halbleitertemperatursensoren, um Fingerabdruckabbildungen zu erfassen. Die Erhöhungen des Fingers befinden sich nahe am Chip und leiten so die Wärme effektiver ab als die Vertiefungen, die durch eine Luftschicht isoliert sind. Der sogenannte FingerChip hat eine geradlinige Form, die die Erfassung eines Fingerabdruckabbilds durch das Ziehen des Fingers über die Abtastfläche erlaubt. Nach der Erfassung mehrerer Abbilder kann die Software das komplette Abbild des Fingerabdrucks rekonstruieren. Die Implementierung ist effizient bezüglich der Fläche, aber die Temperaturschwankung der Umgebung kann die Messung ungenau machen.
  • Eine andere Impedanzmessvorrichtung, die eine Abtastvorrichtung mit Widerständen für die Erhöhungen verwendet, wird in US 6,052,475 offenbart.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Echtzeitfingeroberflächenmustermessung, wobei das System mit einer Vielzahl von Elektroden versehen ist, die auf der oberen Metallschicht eines Mehrfach- Metallschicht-Silizium- oder Gehäusesystems platziert sind, und zwar zwei Eingangselektroden zur Stimulation des Fingers mit einem elektrisch veränderlichen Frequenzsignal an einem Teil des Fingers und einer Vielzahl von Messelektroden zum Messen der Spannung an den Elektroden der Messelektroden, und einen Strom- oder einen Spannungsgenerator, der das elektrisch veränderliche Frequenzsignal zum Messen vorsieht, einen Wandler für die Transformation des Messsignals in ein elektrisches Signal, das ein Maß für die Impedanz des Teils der Fingeroberfläche ist, und ein Mittel zum Erzeugen von Signalen umfasst, die ein Maß für weitere Variablen bilden, mit deren Hilfe die besagten Parameter unter Verwendung eines Rechenmodells bestimmt werden können, wobei die Signale ein Signal umfassen, das ein Maß für das Impedanzsignal bildet.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist das Anwenden der Messergebnisse, die verfügbar werden, wenn dieses System in solch einer Weise verwendet wird, dass die Fingeroberflächenmuster präziser bestimmt werden können.
  • Dazu ist das System der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Strom- oder Spannungsgenerator getrennt von den Abtastelektroden und der Messelektronik angebracht ist, und geeignet ist zum Erzeugen eines Messsignals veränderlicher Frequenz, das eine Amplitude aufweist, die für die verschiedenen erzeugten Frequenzen in einem Frequenzbereich von bis zu etwa 1000 kHz verändert werden kann. Dies stellt unabhängige Messungen für Finger bereit, die verschiedene Eigenschaften (trocken, nass, etc.) haben. Die Parameter, die mit Hilfe des Systems gemäß der Erfindung bestimmt werden können, umfassen vorzugsweise das Messen des Fingeroberflächenmusters, die Eigenschaften des Fingers (trocken, nass), den Moment, wenn sich der Finger dem Sensor nähert und mit ihm in Kontakt gelangt und die Tatsache, dass der Finger lebt (Detektion eines lebenden Fingers, Detektion eines toten Fingers).
  • Die Sensoren auf der Eingangsseite zum Messen des Fingeroberflächenmusters sind durch eine Vielzahl von Elektroden gebildet, die zum Beispiel durch eine Metall- oder Polysiliziumschicht gebildet sind. Die Sensoren sind in einer Reihe orthogonal zur Bewegungsrichtung des Fingers (horizontal oder vertikal) platziert, wobei eine Anzahl von Sensorelementen für Geschwindigkeitsmessungen in der Bewegungsrichtung des Fingers platziert ist. Der Finger steht nicht in direktem Kontakt mit den Metall- oder Polysiliziumelektroden, sondern über ein elektrisch isolierendes Material, welches die Elektroden bedeckt. Das Material hat im Messprinzip elektrische Funktionen, ist undurchlässig, hat mechanische Festigkeit und schützt den Sensor vor mechanischer Beanspruchung, elektrischer Entladung, chemischen Stoffen und anderen externen Faktoren. Ein elektrisches Signal stimuliert den Finger und das System bestimmt und misst in Echtzeit das Fingeroberflächenmuster.
  • Es wurde festgestellt, dass die Anwendung verschiedener Frequenzen zur Bestimmung des Fingeroberflächenmusters für Finger mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften verwendet werden kann. Es werden Signale mit verschiedenen Frequenzen für die Messung und Bestimmung des Fingeroberflächenmusters verwendet. Die maximale Frequenz muss jedoch, aufgrund von Strahlungsproblemen, auf 500 kHz beschränkt werden.
  • Es ist zusätzlich wünschenswert, dass Mittel zur Bestimmung der maximalen Phasenverschiebung zwischen dem Messstrom und der Messspannung als Funktion der Frequenz bereitgestellt sind. Dies erlaubt die Bestimmung der elektrischen Übertragungsfunktion des bestimmten Teils der Fingeroberfläche, wobei die Kreisfrequenz die unabhängige Variable ist. Dies erlaubt gleichzeitig die Bestimmung des Verhältnisses zwischen innerer und äußerer Zellflüssigkeiten und ob der Finger lebt oder nicht. Dieses Verhältnis steht direkt mit der Frequenz in Beziehung, bei der der Phasenwinkel maximal ist. Bei Personen mit normalem Finger ist dieser maximale Phasenwinkel bei 100 kHz etwa 10°. Zusätzlich kann ein Temperatursensor im System platziert werden, der die Temperatur des Fingers bestimmt, und eine Korrelation mit Informationen bezüglich der elektrischen Eigenschaften des Fingers kann bestimmen, ob der Finger lebt, tot oder künstlich ist.
  • Das System ist vorzugsweise versehen mit einem Verbindungsmittel zum Verbinden des Strom- oder Spannungsgenerators des Stimulationssignals mit dem Finger und zum Realisieren eines guten elektrischen Kontakts mit einer Elektrode, die durch gute elektrische Eigenschaften gekennzeichnet ist und gegen Korrosion und Verschleiß resistent ist. Dies ist ein Faktor, der sicherstellen wird, dass reproduzierbare Messungen erhalten werden. Die Stimulationselektrode zum Injizieren der veränderlichen Frequenz in den Finger wird in naher Entfernung um die Sensoren herum platziert und hat eine spezielle Geometrie (Finger, etc.) und verschiedene Funktionen.
  • Eine andere Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Strom- oder Spannungsgenerator umfasst, der für die Erzeugung von Signalen verschiedener Frequenzen, Amplituden und Phasen geeignet ist. Diese Frequenzen können von etwa 10 bis 500 kHz reichen.
  • Eine andere Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Struktur mit intrinsischem ESD-(electro static discharge-)Schutz umfasst.
  • Der ESD-Schutz kann bis zur Grenze von 2 kV gehalten werden, wenn eine Reihe von Sachverhalten betrachtet wird:
  • Der ESD-Schutz ist durch die Verwendung eines Fingerentladeverfahrens (Finger-Erde-Verbindung über einen Anschluss der Aktivierungszelle) realisiert, das in Verbindung mit dem Energiesteuerungsmechanismus und der Aktivierungszelle verwendet wird, auf solche Weise, dass die aktivierten elektronischen Blöcke des Fingerabdrucksensors geerdet bleiben, bis die Ladung auf dem Finger abgeführt ist, und erst dann aktiviert werden.
  • Das Verfahren, das zur Messung der Kapazität des Fingers verwendet wird, berücksichtigt, dass die Spannung am Sensoranschluss über den Spannungsteiler reduziert wird, der durch die Kondensatoren CEI und CIN durch einen Faktor der Größenordnung 1000 realisiert ist. Typische Werte für die Kapazitäten der Kondensatoren liegen für CEI im Bereich von mehreren 10 fF und sind für CIN einige pF. Die maximalen Spannungsbeschränkungen für die dielektrische CEI ist durch die Fläche, Dicke und Permeabilität des elektrisch isolierenden Materials bestimmt. Die Struktur hat intrinsisch erhöhte ESD auf zwei Ebenen. Vom Finger zur Masse über die Isolationsschicht und von den Sensoranschlüssen vom Eingang der Elektronik.
  • Der Ausgang des Generators der veränderlichen Frequenzen sollte über eine ESD-Schutzschaltung, die 20 kV ESD aufnehmen kann, gekoppelt werden, bevor er an die Stimulationselektrode und den Finger angeschlossen wird.
  • Eine andere Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Aktivierungszelle umfasst, die zu einer Erfassung geeignet ist, wenn sich der Finger dem Sensor nähert und ihn berührt. Die Kontakt- oder Aktivierungszelle erfasst, wenn der Finger mit der Oberfläche der Zelle in Kontakt gelangt und eine Änderung der elektrischen Eigenschaften, vorzugsweise der Impedanz, wird zwischen den Elektroden bestimmt und diese Änderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das das ganze System startet und einschaltet. Die Aktivierungszelle kann ein bestimmter Sensor in der Sensoranordnung oder ein separater Sensor sein. Ein separater Sensor kann von jedem zur Verfügung stehenden Typ sein, zum Beispiel einer, der Änderungen der Kapazität, der Temperatur oder optischer Detektoren nahe bei dem Sensor misst.
  • Eine andere Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Struktur umfasst, die für Navigations-/Mauszwecke geeignet ist, zum Beispiel im Bezug auf ein Display, indem der Finger entlang der Sensorebene bewegt wird.
  • Eine andere Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Elektrode mit einer Vielzahl von Funktionen (Aktivierungszelle, Messung elektrischer Eigenschaften des Fingers, Stimulationselektrode) umfasst. Die Elektrode hat verschiedene Funktionen, die von der Betriebsart des Systems abhängen:
  • Im Mess- oder Erfassungsmodus hat sie die Funktion einer Stimulationselektrode, die mit dem Ausgang des Generators für die veränderlichen Frequenzen verbunden ist, die in den Finger das veränderliche Signal für die elektrische Stimulation einführt. Die Verbindung zum Finger kann AC oder DC sein.
  • Im Wartemodus hat sie die Funktion eines Kontaktsensors, der erfasst, wenn sich ein Finger dem System nähert und wenn er den Sensor berührt. In diesem Modus ist die Struktur der Elektrode aufgeteilt in zwei voneinander entfernte Elektroden. Dies kann zum ESD-Schutz verwendet werden, wenn eine der Elektroden der Struktur mit der Erde gekoppelt ist.
  • Der Sensor kann auch dazu angepasst werden, zu erfassen, ob der Finger tot ist oder lebt, indem die elektrischen Eigenschaften des Fingers, vorzugsweise die Impedanz, gemessen werden und zum Erfassen und Messen der elektrischen Eigenschaften des Fingers, vorzugsweise der Impedanz, und um zu bestimmen, ob der Finger trocken oder nass ist, um die angemessene Frequenz mit der richtigen Amplitude und Phase zum Erhalten eines maximalen Signals zu erzeugen.
  • Die Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber der bekannten Technologie, dadurch, dass eine sehr kleine Fläche benötigt wird, wie sie wahrscheinlich von keinem anderen heutzutage verfügbaren Verfahren benötigt wird. Das System ist fünfmal kleiner als das Gerät, das im US-Patent 5,963,679 beschrieben ist. Zusätzlich sind die Erfindung und die damit verbundenen Schaltkreise kompakt und können mit kommerziellen Technologien wie zum Beispiel in einem Siliziumprozess mit mehreren Metallschichten hergestellt werden.
  • Die Erfindung wird nun weiter, im Bezug auf die Figuren, die die Erfindung beispielhaft erläutern, beschrieben.
  • 1 stellt schematisch eine erste Messanordnung des Systems gemäß der Erfindung dar;
  • 2 stellt schematisch eine zweite Messanordnung des Systems gemäß der Erfindung dar und erläutert die inhärenten Navigations-/Maus-(X, Y)-Eigenschaften des Systems;
  • 3 stellt schematisch den elektrostatischen Entladungs-(ESD)-Schutz über den elektrisch isolierten Kondensator CEI dar;
  • 4 zeigt einen Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik;
  • 5 zeigt einen typischen Verlauf eines Impedanzsignals.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Systems zur Durchführung simultaner Messungen an einem Finger. Mittels einer Stimulationselektrode 3 wird einem Finger 1 ein Strom oder eine Spannung von einem Generator 7 zugeführt. Der Spannungs- oder Stromgenerator ist dazu angepasst, für die Elektrode 3 ein Signal mit veränderlicher Amplitude, Frequenz und/oder Phase bereitzustellen. Das Signal, das aus dem Durchströmen des Stroms durch das Fingergewebe, die Fingeroberfläche und ein elektrisch isolierendes Material 4, welches die Fingeroberfläche von einer Sensorelektrode 5 trennt, resultiert, wird mittels der Elektrode 5 gemessen, die mit einer analogen Front-End-Leseschaltung 8, die einen rauscharmen Verstärker umfasst, verbunden ist.
  • Der Ausgang der analogen Front-End-Leseschaltung 8 wird einem Rechenelement 9 zugeführt, das ein elektrisches Impedanzsignal bereitstellt, welches direkt in Beziehung steht mit der Impedanz eines lokal gemessenen Teils des Fingers 1 als eine Funktion der Zeit und eines Phasensignals, welches direkt in Beziehung steht mit dem Phasenunterschied zwischen dem Strom oder der Spannung, der/die dem Teil des Fingers 1 zugeführt wird, und der resultierenden Spannung über dem Teil des Fingers, wie sie mittels der Elektrode 5 gemessen wird.
  • Um einen Parameter zu bestimmen, der die elektrischen Eigenschaften des Fingers (trocken, nass) und ob der Finger tot ist oder lebt feststellt, wird das elektrische Signal über eine Schnittstelle 11, die einen Analog-Digital-Wandler umfasst, in eine digitalen Signalverarbeitungseinheit 12 eingespeist. Der Prozessor 12 steuert vorzugsweise die Frequenz, Phase und Amplitude des Strom- oder Spannungsgenerators und passt diese Parameter adaptiv auf der Grundlage der elektrischen Eigenschaften des Fingers an.
  • Die digitale Verarbeitungseinheit 12 empfängt auch Informationen von all den Sensoren, die mit dem Fingerabdruckscanner in Beziehung stehen, und berechnet eine Darstellung der Fingeroberfläche, die für Identifikationszwecke verwendbar ist.
  • 4 zeigt einen Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik, wie er in US-Pat. 5,963,679 beschrieben ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Konzepten liegt in der Art, wie die intrinsische, parasitäre Kapazität CIN mit dem Verstärker gekoppelt ist.
  • Im US-Pat. 5,963,679 ist die Kapazität CIN parallel zu der Kapazität der zu messenden Erhöhungen und Vertiefungen geschaltet, während eine Erre gerelektrode über einen festen Kondensator ein elektrisches Feld erzeugt. Dieses Konzept stellt einen sehr hohen Anspruch an die Eigenschaften der Eingangsimpedanz des Verstärkers, die im Vergleich mit dem Wert der Kapazität der Erhöhungen und Vertiefungen, der gewöhnlich viel kleiner als 100 fF ist, nicht zu groß sein darf.
  • Dieses Problem wird durch die Verwendung des Konzepts gemäß dieser Erfindung, das in 1 dargestellt ist, vermieden. Hier wird das Stimulationssignal direkt auf dem Finger aufgebracht und die Kapazität CFS der Erhöhungen und Vertiefungen wird in Reihe mit der Kapazität des elektrisch isolierenden Materials CEI geschaltet. Der Wert von CIN kann von der Größenordnung von einigen pF sein, ohne das Messprinzip zu verschlechtern. Somit ist das Konzept, das in dieser Anwendung beschrieben wird, gegenüber der Verstärkerleistung viel weniger empfindlich und kann Signale mit Amplituden von einem mV oder weniger messen. Der im US-Pat. 5,963,679 beschriebene Stand der Technik erfordert wünschenswerte 5 bis 10 mV von den Abtastelementen.
  • 5 zeigt einen typischen Verlauf eines Impedanzsignals mit einer Amplitude A, wie er mit dem rauscharmen phasensensitiven Verstärker auf der Grundlage einer Stimulation durch eine Strom- oder Spannungsquelle gemessen wird. Der Verlauf dieses Signals ist aufgrund der Bewegungsaktivität des Fingers abhängig von der Zeit T. Die Daten werden in Echtzeit von einem lokalen oder externen Prozessor gespeichert und verarbeitet.
  • Gemäß der Erfindung, wieder bezogen auf 1, werden Messfehler aufgrund von Offset, Gleichstrompegel, Verstärkung, Verschleiß des elektrisch isolierenden Materials auf der Oberseite der Sensoren und der Stimulationselektrode des Systems oder aufgrund von Durchführen von Messungen unter Bedingungen, bei denen das normale Feuchtigkeits gleichgewicht der Fingeroberfläche erhöht ist (trockene, nasse Finger), aufgrund der Tatsache verhindert, dass der Strom- oder Spannungsstimulationsgenerator 7 ein elektrisches Signal mit veränderlichen Amplituden und Frequenzen erzeugen kann. Gemäß der Erfindung wird für diese Parameter eine Reihe von Kalibrierungsdaten bereitgestellt. Die Kalibrierungsdaten werden in der erläuterten Ausführungsform in einem Kalibrierungsspeicherblock 10 gespeichert, der mit dem analogen Prozessor 9 sowie mit der digitalen Verarbeitungseinheit 12 gekoppelt ist.
  • Durch das Verarbeiten der Daten des Strom- oder Spannungsgenerators 7 in einem analogen Element 9 werden die Messergebnisse, die von der analogen Front-End-Leseschaltung 8 verfügbar werden, in ein Signal umgewandelt, das proportional zur Impedanz ist. Der Strom-Spannungs-Generator 7 ist angepasst, um Ströme oder Spannungen verschiedener Frequenzen mit verschiedenen Amplituden und Phasen zu erzeugen. Der analoge Prozessor 9 ist mit dem Generator 7 verbunden und umfasst ein Mittel zum Erfassen der Phasenunterschiede zwischen den generierten und den gemessenen Signalen.
  • In einer bestimmten Ausführungsform ist der Strom-Spannungs-Generator zum Erzeugen eines elektrischen Stimulationssignals mit einem Frequenzausschlag von etwa 10 kHz bis 500 kHz geeignet, während das Rechenelement 9 auch für die Bestimmung des maximalen Phasenwinkels in Abhängigkeit der Frequenz geeignet ist. Der Generator 7 kann auch mit der Verarbeitungseinheit 12 verbunden sein, um das generierte Signal bezüglich der gemessenen Werte zu steuern.
  • Ähnlich kann eine lokale Impedanzmessung mittels des Elektrodenpaars durchgeführt werden. Die Messergebnisse, die über die analoge Front-End-Lesemessschaltung 8 verfügbar werden, werden zusammen mit den Daten des Strom-Spannungs-Generators in einen Prozessor 9 eingespeist, und es wird aus ihnen ein lokaler Impedanzwert und der Phasenwinkel zwischen dem Strom des Generators und der Spannung des Verstärkers bestimmt.
  • Der Prozessor 9 erzeugt Signale zur Steuerung der analogen Front-Endschaltung 8. Die Prozessoreinheit 12 erzeugt vorzugsweise die Amplituden-, Phasen- und Frequenzsteuersignale.
  • 2a und 2b erläutern den Fingerabdruckscanner gemäß der Erfindung. Der Fingerabdruckscanner umfasst hier eine Anzahl von Elektroden, die eine lineare Anordnung von Elektroden 20 bilden, die orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Fingers platziert sind, um den Fingerabdruck zu scannen, indem jede die Kapazität von Teilen des Fingerabdrucks misst, sowie eine Anzahl von Sensoren parallel zur Bewegungsrichtung 21, die Geschwindigkeitsmessungen dienen.
  • Das elektrische System ist anfällig für die Entwicklung elektromagnetischer Streufelder. Das Bereitstellen der Stimulationselektrode 3, die im direkten Kontakt mit dem Finger steht, reduziert diese Streufelder, da der Finger die Energie des Signals absorbiert und es gleichzeitig eine geerdete Schicht an dem Sensor gibt. Alle Sensorelektroden 20 sind von einer geerdeten Abschirmung 24 umgeben.
  • Die Rolle des geerdeten Rings 24 ist:
    Eine elektrische Linse, die das elektrische Signal vom Finger auf die Sensorelektrode konzentriert.
  • Das Bereitstellen einer elektrischen Schutzschicht für den Sensor gegen die Strahlung des Signals, die durch die Frequenzstimulationselektrode erzeugt wird.
  • Das Bereitstellen eines Schutzes und einer Trennung zwischen den benachbarten Sensorelektroden.
  • Der geerdete Ring kann mit zwei Metallschichten angefertigt sein. Eine Metallschicht, die die Sensoren trennt und eine daraufliegende Metallschicht.
  • 3 erläutert eine Ausführungsform der Erfindung, die mit Schutzmitteln 31, 32 gegen elektrostatische Entladung (ESD) zum Schutz über den isolierten Kondensator CEI, der zwischen der Oberfläche und dem Sensoranschluss 5 positioniert ist, versehen ist. Zusätzlich sind ESD-Schutzmittel 30, 32 zwischen dem Generator 7 und der Stimulationselektrode sowie zwischen dem Sensoranschluss 5, dem Schaltkreis, Masse und einer Energiequelle 34 positioniert.
  • Zusammenfassend bezieht sich die Erfindung auf ein System zur Echtzeit-Fingeroberflächenmustermessung, wobei das System eine Vielzahl von Elektroden 5 und eine elektrisch isolierende Schicht 4 auf den Elektroden 5, auf denen der Finger 1 aufgelegt und bewegt wird, eine Eingangselektrode 3 zum Stimulieren des Fingers mit einem veränderlichen Strom oder einer veränderlichen Spannung an dem Teil des Fingers, und eine Vielzahl von Messelektroden 5, 20 zum Messen des Signals an den Sensorelektroden bereitstellt, und einen Strom- oder Spannungsgenerator 7, der das Stimulationssignal bereitstellt, und einen Wandler für die Transformation des Messsignals in ein Signal, das ein Maß für die Impedanz des Teils des Fingers ist, umfasst.
  • Der Strom- oder Spannungsgenerator 7 weist eine Konfiguration für eine minimale Abstrahlung auf und ist zum Erzeugen eines Messstroms oder einer Messspannung mit einer veränderlichen Amplitude und Phase bei verschiedenen Frequenzen geeignet.
  • Der gemessene Parameter ist ein Merkmal der Fingeroberflächenmusterkonfiguration, z.B. die Impedanz von verschiedenen Punkten der Fingeroberfläche.
  • Der Strom- oder Spannungsgenerator 7 antwortet adaptiv auf die Steuersignale des Systems und passt durch eine veränderliche Amplitude, Frequenz und Phase den erzeugten Strom oder die erzeugte Spannung an die gemessenen Eigenschaften der Oberfläche an.
  • Das System ist vorzugsweise mit einer Vielzahl von Elektroden 20 zum Messen der Impedanz der Teile des Fingers und mit transversal verlaufenden Elektroden 21 zum Messen der Geschwindigkeit der Fingerbewegung über die Elektroden des Sensors versehen und weist somit inhärente Navigations-/Mauseigenschaften auf.
  • Das System ist mit Mitteln zur Erfassung 23, zum Beispiel bezüglich der Stimulationselektrode des Strom- oder Spannungsgenerators versehen, um zu bestimmen, wann der Finger sich der Sensoraktivierungszelle nähert und diese berührt. Diese Mittel können auch die lokale Impedanzmessung des Fingers durchführen und seine biologischen Eigenschaften (trocken, nass, etc.) bestimmen, um die Frequenz, Amplitude und Phase des Stimulationssignals zu ändern, oder eine lokale Impedanz- und Temperaturmessung des Fingers, um zu bestimmen, ob der Finger tot ist, lebt oder künstlich ist.
  • Das System kann auch mit Mitteln zum Bestimmen der maximalen Phasenverschiebung zwischen dem Messstrom oder der Messspannung und der Messspannung als Funktion der Frequenz versehen sein.
  • Für gewöhnlich wird das System gemäß der Erfindung mit einer einzigen Stimulationselektrode versehen sein. In manchen Fällen kann jedoch eine Anzahl von Stimulationselektroden verwendet werden.

Claims (9)

  1. System zum Messen von Mustern auf einer Oberfläche, insbesondere von Fingeroberflächen, wobei das System eine Anzahl von Sensorelektroden aufweist, die mit einem elektrisch isolierenden Material versehen sind, über die die Oberfläche bewegt wird, und mindestens eine Stimulationselektrode zum Vorsehen eines veränderlichen Stroms oder einer veränderlichen Spannung zwischen der Stimulationselektrode und der Anzahl von Sensoren durch die Oberfläche, worin: die Sensorelektroden eine im Wesentlichen lineare Anordnung bilden; die Stimulationselektrode separat von der Anordnung von Sensorelektroden positioniert ist, das System einen mit der Stimulationselektrode gekoppelten Generator umfasst, um einen Strom oder eine Spannung mit einer veränderlichen Amplitude oder Phase auf die Oberfläche aufzubringen, und das System eine mit den Sensorelektroden gekoppelte Messeinheit umfasst, um während des Aufbringens des Stroms oder der Spannung die Impedanz an den Sensorelektroden in einer Zeitsequenz zu messen und Werte bestimmter Merkmale der Oberfläche zu berechnen und die berechneten Werte für die Sensorelektroden über die Zeitsequenz zum Erzeugen einer Darstellung des Oberflächenmusters zu kombinieren.
  2. System nach Anspruch 1, worin es auch mindestens eine mit der Messvorrichtung gekoppelte Elektrode umfasst und die außerhalb der linearen Anordnung zum Messen der Oberflächenbewegungen relativ zur Sensoranordnung positioniert ist.
  3. System nach Anspruch 1, worin die Veränderung in Strom oder Spannung im Bereich von 10–500 kHz liegt.
  4. System nach Anspruch 1, worin die Veränderung in Strom oder Spannung Frequenzausschläge über einen gewählten Frequenzbereich, z. B. 10–500 kHz umfasst.
  5. System nach Anspruch 1, worin die Sensorelektroden mit einem Messinstrument zum Erfassen der Amplitude der Signal- und Phasendifferenzen zwischen dem Signal von jeder Sensorelektrode und dem. aufgebrachten veränderlichen Strom oder der veränderlichen Spannung gekoppelt sind und davon eine Darstellung der Veränderung der Impedanz entlang der Sensoranordnung erzeugen.
  6. System nach Anspruch 1, worin jede Sensorelektrode von einem elektrisch geerdeten Ring aus einem leitfähigen Material umgeben ist.
  7. System nach Anspruch 1, worin die Stimulationselektrode zum elektrischen Koppeln mit der Oberfläche geeignet ist.
  8. System nach Anspruch 1, worin der veränderliche Strom oder die veränderliche Spannung in einer bestimmten Zeitsequenz auf die Stimulationselektrode aufgebracht wird.
  9. System nach Anspruch 1, auch umfassend einen Aktivierungssensor zum Aktivieren des Systems bei Annäherung einer Oberfläche.
DE60107084T 2000-06-09 2001-06-08 System zur fingeroberflächenmustermessung in echtzeit Expired - Lifetime DE60107084T2 (de)

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