DE69833337T2

DE69833337T2 - Verfahren zum Messen der Strukturen eines Fingerabrucks mittels eines linearen Sensors

Info

Publication number: DE69833337T2
Application number: DE69833337T
Authority: DE
Inventors: Jon Tschudi
Original assignee: Sintef AS
Current assignee: Sintef AS
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2018-06-13
Also published as: US7333639B2; DE69833337T3; JP2002505778A; EP1304646B1; WO1998058342A1; DE69826274T2; NO972759L; DE69833337D1; NO304766B1; NO972759D0; US7110577B1; EP1304646A3; ATE317144T1; US7054471B2; PT1304646E; DE69826274D1; DK1304646T4; AU8041498A; ES2258129T5; ATE276547T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Strukturen in einem Fingerabdruck oder dergleichen, umfassend das Messen gewählter Eigenschaften der Fläche des Fingerabdrucks, d. h. von Kapazität oder spezifischem Widerstand, mit Hilfe einer eine Mehrzahl von Sensoren umfassenden Sensoranordnung, die in Berührung mit oder nahe an der Fläche positioniert ist.
Eine Identifizierung durch die Verwendung von Fingerabdrücken ist in letzter Zeit auf Grund des zunehmenden Bedarfes an Sicherheit in Bezug auf z. B. Kreditkarten oder Computersysteme sowie die stark gestiegene Verfügbarkeit von Mustererkennungsalgorithmen in den Vordergrund getreten. Einige Systeme zur Erkennung von Fingerabdrücken sind am Markt bereits erhältlich. Die verwendeten Verfahren zur Aufzeichnung des Fingerabdrucks variieren.
Einige der bisher bekannten Lösungen basieren auf Lichttechnik, die Licht mit einer oder mehreren Wellenlängen verwendet. Diese sind empfindlich gegenüber Schmutz und Verschmutzung, sowohl in der Fingerabdruck- als auch auf der Sensorfläche, und somit ist für beide eine Reinigung erforderlich.
Eine weitere Alternative ist die Druckmessung, wie sie in der US 5 559 504 , der US 5 503 029 und der US 4 394 773 beschrieben ist. Diese weist jedoch den Nachteil auf, dass die Sensorfläche gegenüber mechanischem/r Verschleiß und Beschädigung empfindlich wird, da der Sensor eine zumindest teilweise nachgiebige Fläche aufweisen muss.
Es wurden auch Temperatursensoren vorgeschlagen, z. B. in dem US Patent 4 429 413 und in der internationalen Patentanmeldung PCT/NO96/00082.
Da Fingerabdrucksensoren einer langfristigen Verwendung unter variierenden und manchmal anspruchsvollen Bedingungen ausgesetzt sind, muss der Sensor eine robuste Fläche aufweisen und so unempfindlich wie möglich gegenüber einer Verschmutzung im Fingerabdruck und auf dem Sensor sein. Er muss in der Lage sein, die meisten Fingerabdrücke zu lesen, ohne von latenten Abdrücken aus einer vorangegangenen Verwendung gestört zu werden. In einigen Fällen, z. B. bei Kreditkarten oder Computertastaturen, wäre es auch vorteilhaft, wenn der Sensor kompakt gefertigt sein könnte.
Im Hinblick auf die Kosten besteht auch ein Bedarf an einer Einfachheit und Minimierung der Anzahl der Teile.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der einfach zu fertigen ist, was ihn kostengünstig in der Fertigung macht, und der auch relativ klein ist.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Lösungen wurde das Messen der Kapazität als ein Verfahren zum Messen von Fingerabdrücken versucht. Beispiele sind in der US 4 353 056 und der US 5 325 442 gezeigt. Während die Erhöhungen des Fingerabdrucks die Sensorfläche berühren, weisen die Vertiefungen einen geringen Abstand zur Sensorfläche auf, was in einer Differenz der an den verschiedenen Sensoren gemessenen Kapazität und/oder Leitung resultiert. Feuchtigkeit kann die Messungen beeinflussen, wenn diese jedoch gleichmäßig über den gesamten Fingerabdruck ist, kann eine Analyse des Kontrasts zwischen den Messungen ein Bild davon ergeben.
Alle oben erwähnten Lösungen beruhen auf der Grundlage zweidimensionaler Sensoranordnungen mit Abmessungen, die mit der Größe des Fingerabdrucks vergleichbar sind. Diese sind kostspielig und schwierig zu fertigen, da sie eine große Anzahl von Sensoren umfassen, die gleichzeitig die Fläche messen.
Die EP 735 502 beschreibt die Verwendung einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung von Sensoren, die in Bezug auf den Fingerabdruck bewegt wird. Die beschriebene Lösung basiert auf der Messung des Widerstandes und weist eine beschränkte Auflösung auf, die durch die Mindestabmessungen des Sensors und den Abstand zwischen den Sensoren definiert ist.
EP 0 813 164 bezieht sich auf eine im Wesentlichen eindimensionale Fingerabdruck-Sensoranordnung, wobei ein Finger lotrecht zu dieser gezogen wird. Es ist ein Verfahren beschrieben, das aus Teilbildern, die längliche Abschnitte des Fingerabdrucks repräsentieren, ein Fingerabdruckbild wiederherstellt. Dies erfolgt durch Verarbeiten der Teilbilder, um zu bestimmen, wo sich die Bilder überlappen.
JP 08 154921 bezieht sich auf eine im Wesentlichen eindimensionale Fingerabdruck-Sensoranordnung, wobei ein Finger lotrecht zu dieser gezogen wird. Es ist ein Verfahren beschrieben, das die Bewegung des Fingers misst, indem dieser eine Codiereinrichtung betätig, wenn er sich über photosensitive Sensoren bewegt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Strukturen in einem Fingerabdruck oder dergleichen bereit, zum Beispiel mit Hilfe eines der vorstehend beschriebenen Verfahren, die wie in den offen gelegten Ansprüchen gekennzeichnet sind.
Da die Fläche der Sensoranordnung klein ist und im Vergleich zu den bekannten Lösungen wenige Sensoren enthält, ist sie kostengünstig und relativ einfach zu fertigen. Da der zu messende Fingerabdruck an der Sensoranordnung vorbei bewegt wird, gibt es keinen latenten Fingerabdruck, der von dem vorhergehenden Benutzer zurückgeblieben ist, was einen weiteren Vorteil in Bezug auf die bekannten Fingerabdrucksensoren darstellt.
Da die Einzelheiten in den Fingerabdrücken klein sind, ist es auch schwierig, die Sensoren des Detektors klein genug auszubilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung zwei oder mehrere parallele Reihen von Messpunkten, wobei jede Reihe von Messpunkten in der Längsrichtung mit einem geringeren Abstand als dem Abstand zwischen den Messpunkten verschoben ist, wobei die Sensoranordnung zwei oder mehrere parallele Reihen von mit gleichem Zwischenraum zueinander angeordneten Sensoren umfasst, die vorzugsweise in der Längsrichtung der Sensoranordnung verschoben sind. Dies stellt eine Möglichkeit zum Messen von Strukturen in dem Fingerabdruck, die kleiner sind als der Zwischenraum zwischen den Sensoren, bereit. Dies ist mit keinem der bisher bekannten Detektorsysteme möglich.
Somit ist einzusehen, dass der Begriff „im Wesentlichen eindimensionale Anordnung" sich hier auf eine Anordnung mit einer Länge bezieht, die viel länger ist als ihre Breite, und die mehr als eine Reihe von Sensoren umfassen kann.
Die Erfindung wird unten stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die eine mögliche Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
1a und 1b zeigen eine schematische Ansicht von zwei Versionen des Sensors.
2a veranschaulicht von oben gesehen den Sensor in 1b in Verwendung.
2b zeigt einen Querschnitt der Situation von 2a.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
4 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
In 1a ist eine einzelne lineare Anordnung von Sensoren 1 gezeigt. Die Sensoren können von unterschiedlicher Art sein, wie z. B. Drucksensoren oder Temperatursensoren, vorzugsweise sind sie aber elektrische Leiter, die eine Möglichkeit zum Messen der Leitung, Impedanz oder Kapazität der unterschiedlichen Teile des Fingerabdrucks bereitstellen. Die zu messende Fläche wird in einer lotrechten Richtung in Bezug auf die Reihe der Sensoren bewegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren 1 elektrische Leiter, die durch ein Isoliermaterial 3 wie z. B. Epoxid getrennt sind. Bei der gezeigten Ausführungsform umgibt ein elektrisch leitendes Material 2 die Sensoren, die verwendet werden können, um ein Bezugspotenzial bereitzustellen. Somit kann die Leitung, Impedanz oder Kapazität durch den Fingerabdruck zwischen jedem der Sensoren 1 und dem umgebenden Bezugsniveau gemessen werden.
Die gezeigte Ausführungsform mit Sensoren, die mit gleichem Zwischenraum zueinander angeordnet sind, ist bevorzugt, aber andere Lösungen, die z. B. Gruppen von Sensoren zum Messen bestimmter Teile des Fingerabdrucks umfassen, sind auch möglich.
Die Verwendung eines oder mehrerer Sensors/en, der/die in einem oder mehreren gewählten Abstand/Abständen von der Sensorreihe angeordnet ist/sind, wird für eine Möglichkeit sorgen, durch Vergleichen der Signale von der Sensorreihe und des Zeitverlaufes oder der räumlichen Verschiebung zwischen den Messungen entsprechender Strukturen in der Fläche die Geschwindigkeit des Fingerabdrucks in Bezug auf den Sensor zu messen. 1b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Sensoranordnung zwei Reihen von Sensoren 1 umfasst.
Um die Strukturen in einem Fingerabdruck messen zu können, wird die Anordnung typischerweise 10–15 mm lang sein, mit einer Auflösung von 50 μm. Dies ist bei Verwendung einer einzelnen Reihe von Sensoren schwierig oder kostspielig zu erreichen. In 1b sind die Reihen leicht im Verhältnis zueinander verschoben. Wenn eine Fläche über die Sensoranordnung bewegt wird, werden die Messungen jedes der Sensoren in der zweiten Reihe zwischen die gemessenen Punkte der ersten Reihe fallen und für die erforderliche Auflösung bei einem größeren Abstand zwischen den Sensoren sorgen. Es sind drei oder mehr Reihen möglich, um die Auflösung weiter zu verbessern, aber mehr als fünf wären auf Grund des Abstandes zwischen den Reihen und des resultierenden Zeitverlaufes zwischen den Messungen der ersten und der letzten Reihe unpraktisch. Auch wäre eine Vorrichtung, die viele Reihen verwendet, empfindlich gegenüber der Richtung, in der sich der Finger bewegt.
Obwohl die in den Zeichnungen gezeigten Reihen mit gleichem Zwischenraum zueinander angeordnete Sensoren umfassen, können die verschobenen zweiten, dritten etc. Reihen einzelne oder Gruppen von Sensoren umfassen, die die Auflösung in bestimmten Teilen des Fingerabdrucks erhöhen und/oder Unterschiede der Geschwindigkeit unterschiedlicher Teile des Fingerabdrucks messen, sofern die Bewegungen ungleichmäßig sind. Auch können die zweite, dritte etc. Reihe einen Winkel in Bezug auf die erste Reihe von Sensoren aufweisen.
Wenn eine Sensoranordnung verwendet wird, die zwei oder mehr Sensorreihen umfasst wie in 1b gezeigt, müssen die Messungen der unterschiedlichen Reihen kombiniert werden, um ein Signal bereitzustellen, das einer einzelnen Reihe von Sensoren entspricht. Dazu müssen die Signale von den Sensoren auf die Zeitverzögerung zwischen den Signalen von den Sensoren in unterschiedlichen Reihen eingestellt sein, und somit muss die Bewegung des Fingers im Verhältnis zur Sensoranordnung bekannt sein, entweder durch Bewegen des Fingers oder der Sensoranordnung mit einer gewählten Geschwindigkeit, oder durch Messen der Bewegung des Fingers.
2a veranschaulicht, wie der Finger 4 über einer Sensoranordnung in der zur Anordnung lotrechten Richtung bewegt wird. Um genaue Messungen zu erhalten, muss die Bewegung des Fingers gemessen werden. Zu sätzlich zu dem oben erwähnten Verfahren, das die Korrelation von Messungen von unterschiedlichen Sensoren umfasst, kann dies auf viele Arten erfolgen, wie z. B. durch Vorsehen eines Drehzylinders in Berührung mit dem Finger, so dass die Drehung des Zylinders gemessen werden kann. Ein weiteres Beispiel kann die Verwendung einer dünnen Scheibe sein, an der der Finger positioniert werden kann, die zusammen mit dem Finger bewegt wird und mit der Vorrichtung verbunden ist, so dass die Geschwindigkeit der Scheibe gemessen werden kann. Die Bewegung kann jedoch durch Korrelation oder Vergleichen der Signale von den verschiedenen Sensorreihen gemessen werden, und der Zeitverlauf oder die räumliche Verschiebung zwischen den Messungen entsprechender Strukturen in der Fläche wird ermittelt. Auf diese Weise können detailliertere Bilder von den einzelnen Bildern jeder Reihe von Sensoren gebildet werden.
Das vorliegende Verfahren zum Einstellen der Bewegung des Fingers besteht darin, die Abtastfrequenz an der Sensoranordnung aufrecht zu erhalten, während die Anzahl gemessener Reihen, die bei der Erzeugung des segmentierten Bildes der Fläche verwendet wird, und somit das Intervall der Messungen gemäß der Bewegung, eingestellt wird, um wenigstens eine Messung jedes Teils der Fläche zu erhalten. Wenn zum Beispiel der Fingerabdruck bei einer hohen Abtast- oder Messfrequenz langsam über den Sensor bewegt wird, können die redundanten Daten einfach vernachlässigt werden und das Bild des Fingerabdrucks umfasst jeden zweiten oder dritten Datensatz.
2b zeigt einen Querschnitt des auf dem Sensor 1 angeordneten Fingers 4 und zeigt auch eine übertriebene Ansicht der Erhöhungen 5 und Vertiefungen 6 in dem Fingerabdruck.
3 zeigt eine vereinfachte Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung, umfassend Leiter 7 von den Sensoren 1 zu einem Verstärker und Multiplexer 8. Danach wird das Signal in einem A/D-Umwandler 9 digitalisiert, bevor das digitale Signal an einen Computer 10 mit einem beliebigen verfügbaren Computerprogramm, das in der Lage ist, das Signal zu analysieren, gesendet wird.
Ein Querschnitt einer realistischeren Ausführungsform, bei der ein Ende der mit engem Zwischenraum angeordneten Leiter 11 die Sensoren darstellt, und das andere Ende dieser Leiter mit einem Mikrochip verbunden ist, ist in 4 gezeigt. Die Leiter 11 können ein Teil einer mehrlagigen in Epoxid gegossenen Leiterplatte sein, und zwei oder mehrere Reihen von Sensoren erzeugen. Jeder Sensor 1 würde etwa 35 × 50 μm aufweisen. Wenn die Sensoren in jeder Reihe mit einem Abstand zwischen den Mitten von 150 μm befestigt sind, wird die Auflösung bei drei verschobenen Reihen 50 μm betragen.
5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine äußere zeitvariierende, z. B. oszillierende oder pulsierende Spannung 12 durch den leitenden Bereich 14 an der Seite des Sensorbereiches an den Finger angelegt wird. Ebenen mit einer konstanten Spannung 13 sind nahe an und parallel zu den Leitern 11 angeordnet. Dies verringert Einstreuungen und Störungen von äußeren Quellen und verbessert den Kontrast in dem durch die Messungen erzeugten Bild. Dies kann durch Verwendung einer mehrlagigen Leiterplatte, bei der sich eine oder mehrere von den leitenden Schichten bei einer konstanten Spannung befinden, realisiert sein. Eine Isolierschicht (nicht gezeigt) bedeckt vorzugsweise die Leiter 1, 11 und die abschirmenden Ebenen 13. Der leitende Bereich 14 kann auch von einer Isolierschicht bedeckt sein, aber dies würde die Signalstärke verringern. Für eine bessere Leistung kann die oszillierende Spannung 12 an beiden Seiten der Sensorfläche angelegt sein. Die oszillierende Spannung kann, wie oben erwähnt, eine Impulsfolge oder eine Sinusschwingung sein.
Bei einer Ausführungsform ist eine 100 kHz-Sinusschwingung an dem leitenden Bereich 14 angelegt, und jeder der Leiter 11 ist durch einen Widerstand terminiert, und das Signal wird verstärkt und einem Demodulator, Multiplexer und A/D-Umwandler zugeführt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht drin, dass an den Leitern 11 in dem Sensorbereich im Wesentlichen kein Signal vorliegt, wenn kein Finger vorhanden ist, womit Probleme mit Offset-Spannungen, die mit der Zeit und dem Drift in der Elektronik variieren, verringert werden.
Diese Lösung stellt eine Sensorvorrichtung bereit, die einfach mit Hilfe von Standardverfahren und somit kostengünstig gefertigt werden kann. Sie ist auch kompakt und robust. Wenn der gemessene Parameter der Widerstand ist, werden die Sensoren, die die Enden der Leiter sind, ihre Eigenschaften nicht ändern, wenn sie und das umgebende Epoxid sich abnutzen. Wenn die Kapazität gemessen werden soll, ist eine beständige Isolierschicht auf den Sensoren oder Leiterenden vorgesehen.
Die bevorzugte Auslegung des Sensors lässt auch zu, dass die Auflösung besser ist als der Abstand zwischen den Sensoren, wodurch Einstreuungen zwischen den Sensoren verringert werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können selbstverständlich auf viele verschiedene Arten genutzt werden und zusätzlich zur Kapazität und/oder Leitfähigkeit können verschiedene Eigenschaften gemessen werden, um eine Darstellung der gemessenen Fläche zu liefern. Optische Detektoren und vorzugsweise Sender können verwendet werden, so dass das wiedergegebene Bild des Fingerabdrucks bezüglich z. B. Kontrast und/oder Farbe analysiert werden kann.
Die Sensoren können wie vorstehend erwähnt einfach die Enden von Leitern sein, die mit einem Mittel zum Messen der Kapazität und/oder Leitfähigkeit verbunden sind, oder sie können aus halbleitenden Materialien gefertigte Sensoren sein. Wenn die Kosten von Bedeutung sind, wäre Silizium ein bevorzugtes halbleitendes Material.
Bei der Ausführungsform, welche Messungen der Kapazität umfasst, ist eine Isolierschicht (nicht gezeigt) zwischen den Leiterenden und dem Fingerabdruck vorgesehen.
Eine weitere mögliche Ausführungsform innerhalb des Umfanges der Erfindung umfasst Sensorreihen von nicht mit gleichem Zwischenraum zueinander angeordneten Sensoren, die positioniert sind, um ausgewählte Teile des Fingerabdrucks zu messen.

Claims

Verfahren zum Messen von Strukturen in einem Fingerabdruck oder dergleichen, das das Messen von gewählten Eigenschaften der Fläche des Fingerabdrucks mit Hilfe einer eine Mehrzahl von Sensoren (1) umfassenden Sensoranordnung, die in Berührung mit oder nahe an einem Teil der Fläche positioniert ist, umfasst, umfassend das Messen der Eigenschaften in wenigstens einer Reihe von Messpunkten entlang eines längliches Teils der Fläche in Zeitintervallen, wobei die Sensoranordnung eine im Wesentlichen eindimensionale Anordnung ist, Bewegen der Fläche in Relation zur Sensoranordnung in einer zur Sensoranordnung lotrechten Richtung, so dass die Messungen an verschiedenen Teilen der Fläche durchgeführt werden, wodurch ein Satz aus Reihen von Messpunkten vorgesehen wird, wobei mindestens eine Messung von jedem Teil der Fläche in der Bewegungsrichtung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Fingers durch Einstellen der Anzahl von Reihen von Messpunkten in einem gegebenen Zeitintervall kompensiert wird, um einen neuen Satz aus Reihen von Messpunkten vorzusehen, und Kombinieren des neuen Satzes aus Reihen von Messpunkten, der vorhanden ist, um eine zweidimensionale Darstellung der Eigenschaften der Fläche vorzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweidimensionale Darstellung der Eigenschaften der Fläche durch Vernachlässigen redundanter Daten vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das das Messen der Eigenschaften der Fläche in wenigstens einem Punkt außerhalb der Reihe von Messpunkten und das Berechnen der Bewegung durch Korrelieren der Messungen von dem wenigstens einen Punkt mit wenigstens einem Messpunkt in der Reihe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei jede Messung der Eigenschaften eines länglichen Teils der Fläche im Wesentlichen gleichzeitiges Messen der Eigenschaften entlang wenigstens zwei Reihen von Messpunkten umfasst, von denen eine den wenigstens einen Messpunkt umfasst, wobei jede Reihe von Messpunkten in der Längsrichtung mit einem dem Abstand zwischen den Messpunkten nicht gleichen Abstand verschoben ist, wobei die Sensoranordnung zwei oder mehr im Wesentlichen parallele Reihen von im Wesentlichen gleich beabstandeten Sensoren (1) umfasst, die vorzugsweise in der Längsrichtung der Sensoranordnung verschoben sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegung durch Korrelieren der Messungen von verschiedenen Messreihen gemessen wird, um der Zeitverlauf oder die räumliche Verschiebung zwischen den ähnlichen Strukturen an verschiedenen Reihen von Messpunkten zu finden.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Vergleichen der Signale von verschiedenen Reihen von Sensoren (1) umfasst, um den Zeitverlauf oder die räumliche Verschiebung zwischen den ähnlichen Strukturen an den verschiedenen Sensorreihen zu finden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenigstens eine der verschiedenen Reihen aus einzelnen Sensoren (1) oder Gruppen von Sensoren (1) besteht, die in gewählten Abständen entlang einer Reihe angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sensoren (1) kapazitive Sensoren sind, die zum Messen von Kapazitätsänderungen entlang der Sensoranordnung ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Sensoren (1) durch eine Isolierschicht bedeckt sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine veränderliche Spannung (12) an die zu messende Fläche unter Verwendung einer getrennt von der Sensoranordnung platzierten Elektrode (14) angelegt wird.