TWI626597B

TWI626597B - 生物特徵辨識系統

Info

Publication number: TWI626597B
Application number: TW106125565A
Authority: TW
Inventors: 徐明震; 謝祥圓; 盧敏曜; 莊錦棠
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2018-06-11
Also published as: CN107545255B; CN107545255A; TW201911110A

Abstract

一種生物特徵辨識系統，其包括多個第一偵測電極、多個第一單元、多個第二單元以及運算放大器。多個第一單元接收偵測電壓並與第一偵測電極電性耦接。多個第二單元分別對應於多個第一單元，第二單元至少具有一第二偵測電極，各第二偵測電極與各第一偵測電極相互分隔。運算放大器電性連接於多個第一單元其中至少一個與多個第二單元其中至少一個，其中，運算放大器與至少一個第一偵測電極以及至少一個第二偵測電極電性耦接，運算放大器用以輸出感測電壓。

Description

生物特徵辨識系統

本發明係有關於一種生物特徵辨識系統，尤指一種可撓的生物特徵辨識系統及其操作方法。

為了進行準確的身分認證，利用個人的生物特徵進行身分辨識的方式已行之有年，而相較於聲紋、簽名等辨識方式容易依時間變化或個人生理狀態影響而改變，掌紋辨識、虹膜辨識等具有永久性的生物特徵為目前生物辨識領域發展之重心，其中，掌紋辨識更是隨著技術發展廣泛應用於智慧型手機或門禁系統。然而，掌紋辨識仍容易受到水氣或者汙染影響而降低其辨識率，明顯造成使用上的困擾。

為了解決上述之缺憾，本發明提出一種生物特徵辨識系統實施例，其包括絕緣基板、多個第一單元、多個第二單元以及運算放大器，多個第一單元以及多個第二單元設置於絕緣基板上。第一單元至少包括第一電晶體、第二電晶體以及第一偵測電極，第一電晶體具有第一端、第二端以及第一控制端，第一電晶體的第一端接收第一電壓準位，第一控制端接收第二電壓準位，第二電晶體具有第一端、第二端以及第二控制端，第二電晶體的第一端與第一電晶體的第二端電性耦接，第二控制端接收一偵測電壓，第二電晶體的第二端與第一偵測電極電性耦接。多個第二單元分別對應於多個第一單元，其中，第二單元至少具有一第二偵測電極，各第二偵測電極與各第一偵測電極相互分隔，且第二單元之第二偵測電極電性耦接於一可調整電壓源。運算放大器電性連接於多個第一單元其中至少一個與多個第二單元其中至少一個，其中，運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端以及第一輸出端，第一輸入端與多個第一單元其中至少一個之第一偵測電極電性耦接，第二輸入端電性連接於多個第二單元其中至少一個之第二偵測電極，第一輸出端用以輸出感測電壓。

本發明更提出一種操作方法，其步驟包括：根據生物特徵來產生多個感測電阻值；根據感測電阻值經由運算來產生對應的生理特徵資訊；將生理特徵資訊與至少一儲存生理特徵資訊進行比對；以及當生理特徵資訊與至少一儲存生理特徵資訊相符時，執行對應的操作。

由於本發明之生物特徵辨識系統利用電晶體陣列來進行感測，且利用可撓的絕緣基板上的電晶體陣列使其可根據需求配置於任何曲面。此外，由於本發明是藉由感測電阻值來進行生物特徵判定，因此在雨天或者使用者手上沾有水氣的狀態下，較不會影響本發明之辨識率，且可藉由水氣更可幫助導電，進而更準確的得到感測電阻值。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明如下。

100‧‧‧生物特徵辨識系統

10‧‧‧絕緣基板

11‧‧‧陣列

111‧‧‧第一偵測電極

112‧‧‧第二偵測電極

113‧‧‧感測電極組

114‧‧‧第一單元

115‧‧‧第二單元

12‧‧‧多工器

13‧‧‧運算放大器

20‧‧‧基板

21‧‧‧訊號處理模組

211‧‧‧微處理器

212‧‧‧輸入端

213‧‧‧第二輸出端

214‧‧‧阻抗轉換單元

215‧‧‧影像處理單元

22‧‧‧儲存模組

T1‧‧‧第一電晶體

T2‧‧‧第二電晶體

Va‧‧‧第一電壓準位

Vb‧‧‧第二電壓準位

V_AD‧‧‧可調整電壓源

V_AC‧‧‧偵測電壓

I_skin‧‧‧偵測電流

V_skin‧‧‧感測電壓

R_skin‧‧‧感測電阻值

Z_skin‧‧‧阻抗模型

300、310、320‧‧‧掌紋

501、502、503、504、505、506、507、508‧‧‧步驟

圖1A為本發明之生物特徵辨識系統實施例一示意圖。

圖1B為本發明之生物特徵辨識系統實施例二示意圖。

圖2A為本發明之第一單元以及第二單元實施例示意圖。

圖2B為掌紋接觸本發明之第一偵測電極以及第二偵測電極之實施例示意圖。

圖3為皮膚阻抗分佈實施例示意圖。

圖4A為本發明之訊號處理模組實施例示意圖。

圖4B為本發明之感測阻抗分佈實施例示意圖。

圖4C為本發明之第一灰階值分佈實施例示意圖。

圖4D為本發明之第二灰階值分佈實施例示意圖。

圖4E為本發明之灰階分佈影像實施例示意圖。

圖4F為本發明得到之掌紋示意圖。

圖5為本發明之操作方法步驟實施例示意圖。

在下文中將參照附圖更全面地描述本發明，在附圖中示出了本發明的示例性實施例。如本領域技術人員將認識到的，可以以各種不同的方式修改所描述的實施例，而不脫離本發明的精神或範圍。

應當理解，當諸如層、膜、區域或基板的元件被稱為在另一元件”上”或”連接到”或”耦接到”另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接(或耦接)，或者中間元件可以也存在。相反，當元件被稱為”直接在另一元件上”或”直接連接(耦接)到”另一元件時，不存在中間元件。如本文所使用的，”連接或耦接”可以指物理及/或電性連接(或電性耦接)。

本文使用的”約”、”近似”或、”實質上”包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量(即，測量系統的限制)。例如，”約” 可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30%、±20%、±10%、±5%內。

除非另有定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。

請先參考圖1A，圖1A為本發明之生物特徵辨識系統實施例一，生物特徵辨識系統100包括絕緣基板10以及基板20，絕緣基板10包括陣列11、多工器12以及運算放大器13。其中，絕緣基板10較佳可為可撓性基板，但不限於此。陣列11配置有多個第一偵測電極111以及多個第二偵測電極112，多個第一偵測電極111可配置於實質上同一列(row)，多個第二偵測電極112可配置於實質上同一列，且第一偵測電極111以及第二偵測電極112配置於不同列，例如：第一偵測電極111列與第二偵測電極112列可沿著一方向彼此交錯配置(alternately,or staggered)，且至少一個第一偵測電極111與相鄰的至少一個第二偵測電極112為同一個感測電極組113，如圖1A所示，但不以此為限。於其它實施例中，多個第一偵測電極111可配置於實質上同一行(column)，多個第二偵測電極112可配置於實質上同一行，且第一偵測電極111以及第二偵測電極112配置於不同行，例如：第一偵測電極111行與第二偵測電極112行可沿著一方向彼此交錯配置(alternately,or staggered)，且至少一個第一偵測電極111與相鄰的至少一個第二偵測電極112為同一個感測電極組113。於再一實施例中，多個第一偵測電極111可配置於實質上同一斜向方向列，多個第二偵測電極112可配置於實質上同一斜向方向列，且第一偵測電極111以及第二偵測電極112配置於不同斜向列，例如：第一偵測電極111列與第二偵測電極112列可沿著一方向彼此交錯配置(alternately,or staggered)，且至少一個第一偵測電極111與相鄰的至少一個第二偵測電極112為同一個感測電極組113。多工器12具有至少二端，運算放大器13電性連接於多工器12之其中一端，多工器12之另一端電性耦接多個第一偵測電極111與多個第二偵測電極112。運算放大器13具有第一輸入端、第二輸入端以及第一輸出端，第一輸入端透過多工器12與多個第一偵測電極111電性耦接，第二輸入端透過多工器12電性連接於多個第二偵測電極112，運算放大器13的第一輸出端用以輸出感測電壓V_skin。

於本實施例之生物特徵辨識系統100中，可更包含訊號處理模組21。舉例而言，訊號處理模組21用以接收感測電壓V_skin，訊號處理模組21並根據感測電壓V_skin得到感測電極組113對應的感測電阻值R_skin，訊號處理模組21再根據多個感測電阻值R_skin生成對應的生理特徵影像以及生理特徵影像所包含的生理特徵資訊，生物特徵辨識系統100即可根據生理特徵資訊進行身分的驗證。於本實施例之生物特徵辨識系統100中，可更包含儲存模組22。儲存模組22儲存有多個預先儲存的儲存生理特徵資訊或者是用以儲存生理特徵資訊並成為儲存生理特徵資訊。舉例而言，訊號處理模組21可與儲存模組22電性耦接，儲存生理特徵資訊是藉由儲存上述訊號處理模組21所運算出之生理特徵資訊來得到。於本實施例，訊號處理模組21以及儲存模組22可配置於基板20上，但不限於此。

請參考圖1B，圖1B為本發明之生物特徵辨識系統實施例二，圖1A與圖1B中，相同的元件符號為同一元件，以下將不再贅述。圖1A與圖1B之差別在於，上述之多工器12以及運算放大器13可配置於上述之基板20上。於其它實施例中，多工器12可配置於絕緣基板10上，而運算放大器13可配置於上述之基板20上。

請參考圖2A，陣列11更包括有多個第一單元114以及多個第二單元115，圖2A並以第一單元114以及第二單元115為同一個感測電極組113為例進行說明。第一單元114至少包括第一電晶體T1以及第二電晶體T2，第一電晶體T1以及第二電晶體T2例如為薄膜電晶體，但不以此為限。於其它實施例中，第一電晶體T1以及第二電晶體T2其中至少一者，可為P型或N型電晶體，電晶體的類型可為底閘型(例如：半導體層位於後述控制端上方)、頂閘型(例如：半導體層位於後述控制端下方)、立體通道型、或其它合適的電晶體類型。其中，半導體層可為單層或多層結構，且其材料包含非晶矽、微晶矽、多晶矽、單晶矽、有機半導體材料、氧化物半導體材料、奈米炭管/桿、或其它合適的材料。第一電晶體T1具有第一端、第二端以及第一控制端，第一電晶體T1的第一端接收第一電壓準位V_a，第一電壓準位V_a例如為固定高電壓準位，第一控制端接收第二電壓準位V_b，第一電晶體T1在此實施例中例如為電流源。第二電晶體T2具有第一端、第二端以及第二控制端，第二電晶體T2的第一端與第一電晶體T1的第二端電性耦接，第二控制端接收偵測電壓V_AC，偵測電壓V_AC例如為固定頻率之交流電壓，第二電晶體T2的第二端與第一偵測電極111電性耦接，第二電晶體T2可操作於實質上飽和區或趨於飽和區。第二單元115至少包括上述之第二偵測電極112，第二偵測電極112並與可調整電壓源V_AD電性耦接，可調整電壓源V_AD例如約為0伏特、接地電壓或者系統所需電壓值，其中第一電壓準位V_a之電壓準位大於可調整電壓源V_AD。圖2A中以阻抗模型Z_skin代表使用者之手掌皮膚所對應之阻抗為範例。因此當使用者的手掌皮膚接觸同組的第一偵測電極111以及第二偵測電極112，使第一偵測電極111以及第二偵測電極112之間藉由手掌皮膚形成迴路，偵測電流I_skin流經手掌皮膚所形成的阻抗模型Z_skin，因此第一偵測電極111以及第二偵測電極112產生對應阻抗模型Z_skin的電壓值，電壓值將透過多工器12傳送至運算放大器13，運算放大器13將根據第一偵測電極111以及第二偵測電極112的電壓值得到阻抗模型Z_skin上之跨壓，此跨壓即為感測電壓V_skin。其中，第二電壓準位V_b可配合第二電晶體T2的尺寸來調整，以使偵測電流I_skin維持於一範圍內，在此實施例中，偵測電流I_skin絕對值之範圍不大於5mA，但不等於零為範例。於其它實施例中，若偵測電流I_skin絕對值有波動變化，數值為零也只是波動變化一個數值，對於偵測電流I_skin絕對值決定權重值較低。

請參考圖2B，圖2B為手掌皮膚接觸第一偵測電極111以及第二偵測電極112之實施例示意圖，其中，手掌皮膚因為乳突紋而產生深淺不一的掌紋300，如圖2B中的所指310(突起處)以及320(凹陷處)，與第一偵測電極111以及第二偵測電極112接觸的手掌皮膚將會於第一偵測電極111以及第二偵測電極112之間形成迴路，因此可進行上述之感測。

請參考圖3，圖3為不同皮膚深度在給予不同頻率電壓下之阻抗變化示意圖，橫軸為電壓之頻率，縱軸為阻抗值，圖3中曲線1、2、3、4分別對應至不同的皮膚深度。其中，阻抗單位為千歐姆(kΩ)，頻率單位為赫茲(Hz)，曲線2的深度大於曲線1，曲線1的的深度大於曲線4，曲線4的深度大於曲線3，且深度單位為微米(micrometer,um)。而在本發明之實施例中，偵測電壓V_AC之頻率較佳可選用約為0H_Z~2.1KH_Z、電壓值較佳可選用約為3.3V~5V，但不限於此。在本發明實施例中，較佳地，偵測電壓V_AC更可選用頻率約為1.9KH_Z，其原因在於約為1.9KH_Z所能感測的範圍較貼近皮膚表層，較佳地，選用電壓值約為5V，但不以此為限。

圖4A為本發明之訊號處理模組21實施例示意圖，在本實施例中，訊號處理模組21可至少包括微處理器211、輸入端212、第二輸出端213、阻抗轉換單元214以及影像處理單元215，微處理器211與輸入端212、第二輸出端213、阻抗轉換單元214以及影像處理單元215電性耦接，其中，在某些實施例中，阻抗轉換單元214以及影像處理單元215其中至少一者可選擇性的設置於訊號處理模組21之外，但不以此為限。輸入端212是可用以接收感測電壓V_skin以及傳送至訊號處理模組21之儲存生理特徵資訊，第二輸出端213是可用以輸出控制訊號或輸出多個生理特徵資訊以儲存至儲存模組22。阻抗轉換單元214可用以接收多個感測電壓V_skin並根據每一感測電壓V_skin產生對應的感測電阻值R_skin，例如阻抗轉換單元214可藉由電流I_skin以及感測電壓V_skin得到對應之感測電阻值R_skin，阻抗轉換單元214並將感測電阻值R_skin回傳至微處理器211。影像處理單元215接收微處理器211所傳送的感測電阻值R_skin，每一感測電阻值R_skin並對應於感測電極組113於陣列11之位置，如圖4B所示，多個感測電阻值R_skin根據其對應的感測電極組113於陣列11上之位置來排列，以表示出陣列11於不同位置感測到的感測電阻值R_skin。影像處理單元215並對感測電阻值R_skin進行正規化以產生對應的多個第一灰階值，如圖4C所示，在此實施例中，感測電阻值R_skin根據其電阻代表值轉換成等比例之第一灰階值，在此實施例中，越大的電阻代表值對應至數值越大的灰階值，例如，圖4B中的電阻值R_skin40經過正規化後對應至圖4C中的第一灰階值255，但不以此為限。相反地，越小的電阻代表值對應至數值越小的灰階值，例如，圖4B中的電阻值R_skin10經過正規化後對應至圖4C中的第一灰階值68，但不以此為限。於部份實施例中，正規化處理可為線性或非線性處理。影像處理單元215並再對多個第一灰階值進行負片轉換以得到對應的多個第二灰階值，如圖4D所示。舉例而言，數值越大的第一灰階值經過負片轉換後對應至數值越小的第二灰階值，例如，圖4C中的第一灰階值255經過負片轉換後對應至圖4D中的第二灰階值68，但不以此為限。相反地，數值越小的第一灰階值經過負片轉換後對應至數值越大的第二灰階值，例如，圖4C中的第一灰階值68經過負片轉換後對應至圖4D中的第二灰階值187，但不以此為限。於部份實施例中，負片轉換處理可為線性或非線性處理。其中，第一與第二灰階值無單位。影像處理單元215藉由多個第二灰階值得到灰階分佈影像，如圖4E所示，影像處理單元215即可藉由灰階分佈影像得到如圖4F所示的生理特徵影像，在本實施例中，生理特徵影像例如為使用者的掌紋，但不以此為限。影像處理單元215得到生理特徵影像後對其進行檢測(例如：邊緣檢測)並得到其生理特徵資訊，而所述的生理特徵資訊例如為掌紋所形成的奇異點或者紋型。影像處理單元215並可將得到的生理特徵資訊與儲存於儲存模組中的多個儲存生理特徵資訊進行比對，若當前的生理特徵資訊符合其中一筆儲存生理特徵資訊時，代表當前使用者為符合條件的使用者，微處理器211會根據比對結果進行對應的操作，例如，微處理器211根據比對結果輸出控制訊號至開關控制單元(未標示)，開關控制單元根據接收到的控制訊號開啟鎖固元件(或稱為開關元件，例如：門鎖元件、車鎖元件、握把鎖元件、或其它合適的鎖固元件，未標示)，而可運用於具有前述鎖固元件的物件(例如：門、車、有握把的物件、或其它合適的物件)。

綜以上所述，本發明可彙整出生物特徵辨識系統100的操作方法步驟實施例。請參考圖5，於步驟501，生物特徵辨識系統100傳輸偵測電流I_skin檢測物體來產生多個感測電壓V_skin，在此實施例中，所述物體即為使用者之手掌皮膚。在步驟502中，生物特徵辨識系統100通過訊號處理模組21根據多個感測電壓V_skin產生對應的感測電阻值R_skin。於步驟503中，訊號處理模組21將感測電阻值R_skin進行正規化以產生第一灰階值。於步驟504中，訊號處理模組21將多個第一灰階值進行負片轉換並對應產生多個第二灰階值。於步驟505中，訊號處理模組21根據多個第二灰階值產生對應的生理特徵影像。於步驟506中，訊號處理模組21根據生理特徵影像產生生理特徵資訊。於步驟507中，訊號處理模組21將生理特徵資訊於儲存生理特徵資訊進行比對，訊號處理模組21判斷當前的生理特徵資訊是否與儲存生理特徵資訊相符。當步驟507中判斷為是，即代表當前使用者為符合條件的使用者，因此進行步驟508。反之，當步驟509判斷為否，即代表當前使用者並非適格的使用者，因此生物特徵辨識系統100回到步驟501，持續進行感測。於步驟508中，訊號處理模組21會產生控制訊號，並將控制訊號傳送至開關控制單元，開關控制單元根據控制訊號開啟鎖固元件(例如：門鎖元件或前述所述之元件，結束此操作方法。

綜以上所述，由於本發明之生物特徵辨識系統較佳地可利用可撓的絕緣基板上的電晶體陣列來進行感測，可撓的特性使其可根據需求配置於任何曲面，例如門把，因此本發明在配置上具有更加的靈活性，但不限於此。此外，由於本發明是以感測電阻值來進行生物特徵判定，因此在雨天或者使用者手上沾有水氣的狀態下，偵測電流以及感測電壓雖可能因環境而變化，但由於感測電阻值與偵測電流以及感測電壓保有實質上固定的關係，感測電阻值不因環境影響而約可保持穩定，因此本發明較不會因為水氣或汙染影響辨識率，且藉由水氣更可幫助手掌皮膚導電，進而更準確的得到感測電阻值，本發明明顯具有較佳的生物特徵辨識率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後付之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種生物特徵辨識系統，包括：一絕緣基板；多個第一單元，設置於該絕緣基板上，且每一該第一單元包括：一第一偵測電極；一第一電晶體，其具有一第一端、一第二端以及一第一控制端，該第一電晶體的該第一端接收一第一電壓準位，該第一控制端接收一第二電壓準位；以及一第二電晶體，其具有一第一端、一第二端以及一第二控制端，該第二電晶體的該第一端與該第一電晶體的該第二端電性耦接，該第二控制端接收一偵測電壓，該第二電晶體的該第二端與該第一偵測電極電性耦接；多個第二單元，設置於該絕緣基板，且該些第二單元分別對應於該些第一單元，其中，各該第二單元至少具有一第二偵測電極，各該第二偵測電極與各該第一偵測電極相互分隔，且該些第二單元之該些第二偵測電極電性耦接於一可調整電壓源；以及一運算放大器，電性連接於該些第一單元其中至少一個與該些第二單元其中至少一個，其中，該運算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一第一輸出端，該第一輸入端與該些第一單元其中至少一個之該第一偵測電極電性耦接，該第二輸入端電性連接於該些第二單元其中至少一個之該第二偵測電極，該第一輸出端用以輸出一感測電壓。
如請求項第1項所述之生物特徵辨識系統，更包括：一訊號處理模組，該訊號處理模組包括：一微處理器；一輸入端，與該微處理器以及該第一輸出端電性耦接，用以接收該些感測電壓；以及一第二輸出端，與該微處理器電性耦接，用以輸出一控制訊號。
如請求項第2項所述之生物特徵辨識系統，其中，該訊號處理模組更包括：一阻抗轉換單元，與該微處理器電性耦接，用以接收該些感測電壓並根據該些感測電壓產生多個感測電阻值。
如請求項第3項所述之生物特徵辨識系統，其中，該訊號處理模組更包括：一影像處理單元，根據該些感測電阻值產生一生理特徵影像以及對應的一生理特徵資訊。
如請求項第4項所述之生物特徵辨識系統，更包括：一儲存模組，用以儲存該生理特徵資訊並成為一儲存生理特徵資訊。
如請求項第1項所述之生物特徵辨識系統，其中，該偵測電壓為一固定頻率的交流電壓。
如請求項第1項所述之生物特徵辨識系統，更包含一具有至少二端之多工器，其中，該運算放大器電性連接於該多工器之其中一端，該多工器之另一端電性耦接於該些第一單元其中至少二個之該些第一偵測電極與該些第二單元其中至少二個之該些第二偵測電極。
如請求項第7項所述之生物特徵辨識系統，其中，該多工器設置於該絕緣基板上。
如請求項第1或7項所述之生物特徵辨識系統，其中，該運算放大器設置於該絕緣基板上。