无膜指纹采集器原理(同为指纹传感器，光学、超声波、电容有何区别？)

Posted 2023-05-28

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无膜指纹采集器原理(同为指纹传感器，光学、超声波、电容有何区别？)

如今，很多智能手机都用上了指纹识别技术，并且随着技术的发展，在识别指纹方面变得更快、更准确。但可能有些人不知道，不管是以前集成在Home健上或者侧边电源键上的指纹传感器，还是目前流行的屏下指纹，它们所采用的技术有的并不相同，可分为光学、超声波和电容三种。为了大家在购机时注意到这一点，我们这次就来分析这三款指纹识别技术的原理及优缺点。

光学指纹传感器

光学指纹传感器是最古老的采集和对比指纹的方法。顾名思义，这种技术依赖于捕捉光学图像（本质上是一张照片）。然后，它使用算法分析图案的最亮和最暗区域来检测表面上的独特图案，例如指纹脊和标记。

就像智能手机相机一样，这些传感器具有有限的分辨率，分辨率越高，传感器可以识别的手指细节就越精细，从而提高了安全级别。但是，这些传感器捕获的图像对比度比普通相机高得多。光学指纹传感器每英寸有非常多的二极管来近距离捕捉这些细节。当然，将手指放在传感器上时，它会很暗。因此，传感器将LED阵列甚至手机显示屏作为闪光灯以便在扫描时点亮图片。

光学指纹传感器的主要缺点是它们有时会被「欺骗」。由于该技术仅能捕获2D图片，因此可以使用假肢甚至高质量的图片来骗过传感器。就其本身而言，这种类型的传感器确实不够安全。不过，现在这个技术已转向更安全的混合解决方案。

随着对更严格安全性需求的增加，智能手机一致采用了电容和光电混合传感器。这些传感器使用光学指纹数据，并结合电容感应来检测真实指纹。技术成本的下降使这些替代品也适用于中端手机。

随着智能手机行业向无边框屏幕发展，更小的光学指纹模块卷土重来，它们可以嵌入屏幕下方，并且只需要很小的面积。

电容式指纹传感器

如今使用的另一种常见的指纹传感器类型是电容式指纹传感器，我们可以在智能手机的正面、背面或侧面找到它（一般集成在实体按键上，如Home键、电源键），电容式指纹传感器因其额外的安全优势而日益受到关注。

电容式指纹传感器不是创建传统的指纹图像，而是使用微型电容器电路阵列来收集数据。当电容器存储电荷时，将它们连接到扫描仪表面的导电板上，可以用来追踪指纹的细节。当手指的脊纹放在导电板上时，存储的电荷会发生轻微变化。相反，气隙将使电容器处的电荷相对不变。运算放大器积分器电路用于跟踪这些变化，然后可以通过模数转换器记录下来。

一旦捕获，这些数字数据将被分析以寻找独特的指纹属性。然后可以保存它们以供日后比较。这种设计聪明的地方在于，它比光学指纹传感器更难被欺骗，结果无法用图像复制。此外，它们很难用某种假肢来糊弄，因为不同的材料会记录电容器上略有不同的电荷变化，唯一真正安全风险来自硬件或软件黑客的攻击。

它需要创建足够大的电容器阵列，通常是数百甚至数千个，并且仅从电信号创建指纹脊和谷的高度详细图像。就像光学指纹传感器一样，更多的电容器相当于更高分辨率的扫描仪，这将安全级别提高到一定程度。不过，高密度的生产成本要高很多。

由于检测电路中的元件数量较多，电容式指纹传感器的价格相当昂贵。一些早期的实验试图通过「滑动」扫描仪来减少所需的电容器数量，他们将通过在手指滑过传感器时快速刷新结果来从较少数量的电容器组件中收集数据。但这种方式造成识别率很低，通常需要多次尝试才能正确扫描结果。幸运的是，现在几乎所有的智能手机只需要按住就能解锁。

此外，电容式指纹传感器不仅有指纹识别功能，它还能支持手势和滑动功能。通过软件，可以实现导航键、力感应，或用作与其他UI元素交互的方式。不过，现在很多高端智能手机已转向了屏下指纹技术。

超声波指纹传感器

智能手机领域最新的指纹传感器技术是超声波，它首次在2016年发布的乐视Max Pro手机上出现，高通及其Sense ID技术是设计的主要部分。事实上，高通现在正推出其第二代超声波指纹扫描技术，并声称它拥有更大的识别区域和更快的识别速度。

为了捕获指纹细节，超声波指纹传感器由超声波发射器和接收器组成。超声波脉冲针对放置在传感器上方的手指发射，这些脉冲一部分被吸收，一部分被反射回传感器，具体取决于每个指纹特有的脊、孔隙和其他细节。

可以检测机械应力的传感器用于计算扫描仪上不同点的返回超声波脉冲的强度。扫描更长的时间允许捕获额外的深度数据，这让扫描的指纹以3D形态呈现。而这种捕获技术的3D特性使其成为电容式扫描仪更安全的替代方案。

超声波指纹传感器的缺点是它还没有其他指纹传感器那么灵敏，这与它的技术原理有关。然而，高通已经通过其第二代技术解决了这个问题。此外，超声波也不能很好地与某些屏幕保护膜配合使用，尤其是较厚的保护膜，他们会限制传感器正确读取指纹的能力。从好的方面来说，由于能够将传感器隐藏在屏幕下方，因此边框相对可以做的更窄。