[发明专利]用于指纹检测和其他测量的设备

说明书

技术领域

本发明主要涉及测量局部导热表面中的图案，特别是指纹的方法和设备。更广泛的说，本发明还能够测量各种类型物体表面上或者表面中的其他形式的图案。

背景技术

在公开文献中描述了大量不同的指纹图像采集技术。通常，传感器信号域可以为光学的、电学的、压力传感或者热传感的。

基于墨水和纸张的老式方法已经被证明为不可行。光学传感器通常体积很大并且很笨重。一种指纹记录设备利用与读出集成电路结合的传感器阵列，这两个部件都制造在相同衬底上。通过所述传感器测量的参数变化很大。例如，描述指部皮肤图案特征的各种电学特性在各种指纹传感系统中被用作测量参数。在描述这种系统时，欧姆电阻、电容、复数阻抗以及电场均曾被提出作为可能的参数。这些类型的传感器在手指接触时容易受到静电放电的损坏，因为传感电极通常是开放式的，并且非常靠近传感器表面。其他系统是基于压力传感器的(微开关，压电传感器等等)。这些基于压力传感器的系统通常包括薄膜或者微薄膜，这种薄膜必须非常柔软并且同时能够承受磨损、刮擦以及反复形变，这些均可能降低设备使用寿命。

一种类型的指纹读取设备是基于温度传感器阵列的。在此特定情况下，各个传感器的均衡温度是指部和传感器之间的热接触的函数。良好的热接触对应于指纹脊部，通常比不良热接触产生更大的传感器温度变化。温度至少在一定时间内保持不受手指接触影响的传感器对应于指纹沟部。该方法的问题在于当系统在很短时间内自然达到热均衡状态时，任何可用的温度差异将迅速消失。通过行传感器迅速扫描指纹可以捕捉初始温度差。然而，该方法需要更加复杂的数据处理算法以获取完整的指纹表示。而且，对传感器响应时间以及系统数据采集速率的要求更加苛刻。

由于指纹传感器可能在变化很大并且有时甚至苛刻的条件下长期使用，传感器需要具有耐用的表面，从而尽可能的对指纹和传感器上的污染物不敏感，并且能够被电子屏蔽以避免来自外界的干扰并且保护传感器不被电磁放电损害传感器内的电子电路。它必须能够读取大部分指纹而不被先前使用的残留指纹严重干扰。它还必须能够读取图案不再清晰的磨损指纹。在某些应用中，例如当将其集成在接触式/非接触式支付芯片卡/智能卡或者电子护照中时，传感器应当非常紧凑，具有物理挠性(可弯曲)，并且应当具有最低可能的功耗。对于成本而言，同样需要简化并且最小化部件数量。

如同在美国专利No.6,091,837中描述的热传感器原理可以满足上述要求。它利用导热机制来区分指纹脊部和沟部，因为脊部和沟部的皮肤结构具有不同的导热特性。对于这种类型系统，传感器阵列被加热，并且指部和下方的各个传感器之间的热交换是通过传感器温度变化测量而进行监视的。相对较高的传感器温度表示热能的积累，换而言之，所考虑的传感器和指部之间在该点处具有较小的热损耗或者较小的热交换。较小的热交换进而对应于低导热(即具有低热传导/传输)点，对于这些点，指部和传感器之间的热接触很差。根据这种方法，低导热点映射局部指纹的沟部结构，并且高导热点映射局部指纹的脊部结构，并且中间导热点对应于脊部和沟部之间的局部转换区域。

这种热原理的一种实现在国际申请No.WO 03098535中更加详细的进行了描述。在此专利公开中，将单独的电阻器用作加热器和温度传感元件。这些电阻器的阵列网络沉积在挠性衬底上。一个像素包括一个电阻加热器和一个电阻温度传感元件。行线和列线被布线并且直接连接到外部集成电路(ASIC)，该外部集成电路包括所有需要的电子开关，运算放大器以及处理电路。在工作时，像素由电阻加热器加热，并且由电阻传感元件监视像素温度。行和列的切换在ASIC上完成。属于一个传感器列的所有像素被一次性加热并且处理，各列依次执行。电阻传感元件的一端连接到传感器行并且通过运算放大器保持在虚拟电势参考。

这种实现的一个主要缺陷是一列中的所有像素同时被加热。假定必须保持一定的信噪比，这样就会导致高功耗，特别是对于具有很大数量的列像素的大型传感器阵列。另一个潜在的问题是上部列线路路径中承载较大的加热电流时产生的变化的电阻损耗。这样可能导致像素加热功率和/或像素信号的不准确和不匹配(由于变化的线路电压降)，并且对于较大的阵列来说情况更糟。为了克服该问题可以进行补偿，例如通过改变线路宽度以在列线路路径中实现相同的线路损耗，但是该方法必须以布线为代价。不准确性和不匹配性还可以通过图像处理软件进行补偿和校正，然而这样增添了复杂度并且需要更多计算资源，特别是对于便携式嵌入系统中使用的传感器而言。