ДАТЧИК ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ Российский патент 2002 года по МПК A61B5/117 

Изобретение касается способа и устройства для считывания узоров с частично теплопроводной поверхности, преимущественно отпечатков пальцев.

В последнее время в результате возрастающей опасности подделывания кредитных карточек, а также значительно увеличившейся доступности алгоритмов распознавания образов идентификация с применением дактилоскопии выдвинулась на передний план. Некоторые системы для распознавания отпечатков пальцев уже стали доступными на рынке. Для регистрации отпечатков пальцев используется различная техника.

Некоторые из ранее известных технических решений основаны на оптической технологии, использующей свет с одной или большим числом длин волн. Они чувствительны к загрязнениям как на поверхности пальца, так и на поверхности датчика, и поэтому чистка необходима для этих обеих поверхностей.

Другой вариант - измерения давления. Однако он имеет тот недостаток, что поверхность датчика становится чувствительной к механическому износу и повреждениям, поскольку датчик должен иметь, по крайней мере частично, упруго деформируемую поверхность.

Так как датчики этого вида могут в течение длительного времени эксплуатироваться в различных и иногда жестких условиях, датчик должен иметь прочную поверхность, быть насколько возможно нечувствительным к загрязнениям как на коже пальца, так и на датчике, и допускать электрическое экранирование для устранения влияния внешних помех и электрических разрядов, которые могут повредить электронные схемы в датчике. Он должен быть способен считывать большое число отпечатков пальцев без нарушений из-за отпечатков от предыдущего использования. Датчик также должен быть способен к считыванию со стертых участков кожи пальца, на которых узор больше не виден. В некоторых случаях, например в кредитных карточках, было бы также удобно, если бы датчик можно было выполнить компактным.

С точки зрения стоимости имеется также потребность в простоте и уменьшении числа компонентов.

Интересным вариантом является снятие отпечатков пальцев с использованием различий в температуре между "бороздами" и "гребнями" узоров кожи. Однако этот вариант требует очень чувствительных датчиков, а также является чувствительным к изменениям температуры из-за различных обстоятельств. Этот вид датчиков известен из патента Норвегии N 153193 и патента США N 4429413.

Одной из целей настоящего изобретения является создание датчика, являющегося простым в изготовлении, что удешевляет его производство, а также имеющего такие малые размеры, что он может быть объединен с удостоверениями личности и кредитными карточками или аналогичными документами. Еще одной целью настоящего изобретения является создание датчика, являющегося насколько возможно нечувствительным к загрязнениям как на поверхности пальца, так и на датчике, который может эксплуатироваться без технического обслуживания в течение длительных периодов времени.

Согласно настоящему изобретению проблемы, связанные с известными решениями, решаются применением способа по п.1 формулы изобретения и датчика по п. 7 формулы изобретения.

Изобретение касается обнаружения тепловых структур путем измерения различий в теплопроводности поверхности, преимущественно отпечатка пальца, соприкасающейся с датчиком. Это делает измерения независимыми от температуры окружающей среды.

Этот датчик будет менее критичным к мусору и загрязнениям, чем другие. Если на датчике будет находиться относительно ровный и тонкий слой загрязнения, то он будет в некоторой степени ухудшать контрастность изображения, но отпечаток все еще может оставаться читаемым. Большие количества грязи, нарушая измеряемую теплопроводность, могут приводить к ошибкам измерения.

Теплопроводность измеряется путем нагревания датчика, которого касается измеряемый объект, и измерения возникающего в результате этого изменения температуры (относительной температуры) в зависимости от подаваемой энергии. Чем лучшую теплопроводность имеет измеряемый объект, тем меньше будет локальное изменение температуры. Теплопроводность может измеряться как функция времени, интегрируемая за определенный период времени, или в выбранные моменты времени после того, как нагревание начато или остановлено. Множество измерений или непрерывный контроль температуры в каждом измерительном элементе обеспечивает возможность вычисления теплоемкости, а также позволяет измерить теплопроводность измеряемого объекта.

Само по себе нагревание может быть выполнено различными способами. Одна из возможностей - общее нагревание всего датчика. Чтобы добиться общего нагревания, можно использовать тепло, создаваемое в других электронных схемах, присоединенных к датчику.

В предпочтительной форме осуществления изобретения в каждом отдельном температурном датчике используется отдельный источник тепла, который обеспечивает управляемое и точное измерение в каждой точке так, что способ и устройство менее чувствительны к локальным колебаниям температуры. Это удобно также потому, что подаваемая энергия может регулироваться в каждом температурном датчике, что обеспечивает улучшенный контроль температуры, и потому, что источники энергии могут быть расположены близко к поверхности и измеряемому объекту и таким образом обеспечивается меньший расход энергии и более высокая чувствительность, так как нагреваемая масса находится ближе.

Ниже изобретение будет подробно описано со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг.1 схематически показано поперечное сечение датчика.

На фиг.2 показаны детали поверхности контакта между кожей пальца и датчиком.

На фиг. 3 показана та же самая ситуация, что и на фиг.2, но со стертым узором кожи.

На фиг.4 показана по существу та же самая ситуация, что и на фиг.2, но с эскизом электронных схем, подключенных к датчику.

На фиг.5 схематически показана схема температурного датчика.

На фиг.1 показан схематический вид положения датчика относительно других схем. Датчик 1 находится в непосредственном контакте с подушечкой пальца. Схемы 4 устройства предназначены, наряду с другими задачами, для контроля и управления сбором данных от датчика 1. Ниже датчика 1 может быть предусмотрен слой теплоизолирующего или частично теплоизолирующего материала 2, чтобы ограничить теплопередачу в другие электронные схемы 4 устройства и из них. Чтобы улучшить изоляцию, слой может быть выполнен с полостью под каждым элементом датчика. Если тепло 5 от схем 4 устройства должно использоваться при измерениях теплопроводности, этот слой может быть сделан более тонким. Устройство, в частности, включает средства формирования сигнала (не показаны), соответствующего теплопроводности поверхности, соприкасающейся с датчиком, для каждого из чувствительных элементов исходя из известного подаваемого тепла и измеряемой температуры (температур) или изменения (изменений) температуры, для создания общего сегментированного изображения поверхности на основании различий в тепловых потерях в чувствительных элементах.

Между схемами 4 устройства и изолирующим слоем 2 показан теплопроводный слой 3, который обеспечивает однородное распределение тепла 5 от различных схем 4 устройства по датчику. Таким путем обеспечиваются сглаженные и точные измерения.

Физическая толщина датчиков может быть различной, но при использовании для удостоверений личности или на них желательно, чтобы толщина была как можно меньше, предпочтительно менее 0,5 мм, включая схемы 4 устройства.

Наиболее подходящими материалами для использования в датчике являются следующие. Электронные схемы выполняются из полупроводниковых материалов, предпочтительно по хорошо известной технологии с использованием кремния или арсенида галлия (GaAs), a электрическая и тепловая изоляция обеспечивается использованием SiО₂ или других материалов, допускающих непосредственный монтаж полупроводниковых материалов. Электрические проводники предпочтительно выполняются из алюминия или из золота либо других материалов, обычных для полупроводниковых приборов. В качестве альтернативы могут использоваться полупроводники, проводники и изоляционные материалы на основе полимеров, которые будут удобны для кредитных карточек и удостоверений личности, поскольку они обеспечивают большую степень пластичности и эластичности.

На фиг. 2 показаны детали поверхности контакта между датчиком и подушечкой пальца, при этом датчик нагревается посредством однородной подачи тепла, обозначенной стрелками в датчике. Отпечаток пальца образуют гребни 13 с бороздками 14 между ними. Кожа состоит из наружного слоя кожи 10 (эпидермиса) с областью 11 позади нее, где циркулирует кровь, (обозначено кольцевыми стрелками). Под гребнями 13 имеются сосочки 12, которые наряду с прочим имеют кровообращение. Гребни 13 входят в контакт с датчиком и нагреваются, а кровообращением в пальце тепло от них отводится. В бороздках поверхность датчика охлаждается по существу за счет двух механизмов: излучения и теплопроводности воздуха, содержащегося в бороздке 14. Эти механизмы охлаждения не столь эффективны, как теплопроводность гребней 13, что приводит к различию между относительной температурой T_S,R, измеряемый в гребнях, и относительной температурой T_S,V там, где их нет. Эти температуры можно измерять, используя температурные датчики 15. Результаты измерений от всех температурных датчиков 15 собираются вместе и с использованием информации о подаваемой энергии образуют изображение, представляющее собой отпечаток пальца.

Температура в температурных датчиках 15 может измеряться в один или несколько моментов времени или непрерывно. При использовании множества измерений или непрерывных измерений может быть получено изображение, показывающее в дополнение к теплопроводности эффективную теплоемкость в различных точках измерения. Так как в гребнях кожи пальца имеются каналы 8 для пота и окружающие их клетки 9 кожи (рассеивания пота), которые из-за высокого содержания воды имеют высокую теплоемкость, разница в теплоемкости улучшает способность датчика отличать гребни от бороздок.

Поскольку датчики измеряют температуру, выходной сигнал от одного датчика по существу обратно пропорционален теплопроводности в точке измерения узора кожи. Следовательно, совместное расположение этих сигналов будет давать изображение, показывающие распределение теплопроводности, и, таким образом, отпечаток пальца.

Для начала температурный датчик 15 будет стандартным электронным компонентом, однако ясно, что могут быть применены и другие методы измерения, например оптические или акустические.

Контраст при снятии отпечатка пальца может быть улучшен увеличением подаваемого тепла. Из-за различия в теплопроводности те области, которые не имеют отвода тепла, будут нагреваться быстрее, чем остальные области. Это обеспечивает прямой способ увеличения контраста в сигнале без применения обработки изображений или других длительных вычислений.

На фиг. 3 показана ситуация, когда гребни в узоре кожи пальца стерты и, таким образом, отпечаток пальца фактически невидим. Различие в теплопроводности здесь определяется толщиной наружного слоя 10 кожи. Увеличение теплопроводности у прежних гребней 13 по сравнению с прежними бороздками 14 здесь все еще быть измерено. Это связано с тем, что расстояние от датчика до области с кровообращением из-за сосочка является меньшим, чем расстояние dv в областях бороздок 14. Таким образом, подаваемое в областях гребней отводится более эффективно, чем подаваемое тепло в областях бороздок. Следовательно, этот вид отпечатков пальцев также может быть зарегистрирован по разнице в теплопроводности в дополнение к различию в эффективной теплоемкости.

На фиг. 4 показан схематический эскиз возможного размещения электронных схем датчика. Ближе всего к узору кожи пальца находится заземленный электропроводный слой 20, выполненный, например, из алюминия или другого проводящего или полупроводящего материала, чтобы избежать электрических помех от окружающей среды и предотвратить повреждение датчика разрядами. Этот слой 20 может также содержать слой 25 покрытия, сформированного из механически стойкого материала, например SiО₂, Si₃N₄ или α-Аl₂О₃, для защиты датчика от действия механических сил и химической коррозии. Предпочтительно, чтобы эти слои 20, 25 были достаточно тонкими для того, чтобы не препятствовать передаче тепла к узору пальца и не влиять на измерения.

Между чувствительными элементами 15 находится изолирующая область 23, ограничивающая теплопередачу между элементами. Практически чувствительные элементы 15 будут окружены изолирующими областями, чтобы термически изолировать их друг от друга. Имеется, однако, вариант осуществления изобретения в пределах его объемa, в котором между чувствительными элементами 15 допускается некоторая степень теплопередачи. Это может обеспечивать эффект фильтрации, который наряду с прочим подавляет эффект нежелательных локальных изменений температуры, то есть уменьшает в изображении без использования длительных вычислений.

Теплопередача между элементами может быть отрегулирована многими способами, например выбором физических размеров и формы изолирующей области, выбором материалов или регулированием толщины электропроводного слоя 20 так, чтобы позволить теплу проходить через него.

Сочетанием увеличения подачи тепла и допустимой управляемой теплопередачи между чувствительными элементами можно сохранить контраст и в то же время сгладить сигнал.

Изолирующая область может быть сформирована, например, из SiО₂ или аналогичных материалов. С точки зрения производства предпочтительной формой осуществления изобретения будет такая, в которой используется тот же изолирующий материал, что и теплоизолирующий слой 2 на фиг.1, или совместимый с ним и соединенный с ним. Выбор материала, допускающего изготовление электронных схем по интегральной технологии, также удобен для процесса производства.

Каждый чувствительный элемент 15 в показанном примере имеет соответствующий нагревающий элемент 21, создающий известное количество тепла. В приведенном примере нагревающие элементы 21 управляется централизованно напряжением V_к с использованием электронного ключа 24. Однако можно выполнить схему с отдельным управлением каждым нагревающим элементом, чтобы обеспечить локальное управление подачей тепла. Возможные средства для осуществления этого будут описаны ниже. Сигнал от температурного датчика адресуется и управляется с помощью электронного ключа, например выполненного на двухзатворном полевом транзисторе структуре металл-окисел-полупроводник.

На фиг.5 схематически показана схема температурных датчиков. В приведенном примере датчик состоит из 512•512 чувствительных элементов 30, соответствующих одному пикселу (элементу изображения) в упомянутом сегментированном изображении, которые могут считываться по отдельности или одновременно группами обычным способом. Физические размеры датчика могут изменяться в зависимости от снимаемого отпечатка пальца, но начиная приблизительно с 13•13 мм². Размер пиксела должен быть достаточно малым для того, чтобы обеспечить получение изображения структуры отпечатка пальца. При использовании вышеуказанных размеров пикселы могут иметь величину приблизительно 25,4•25,4 мкм². Датчик выполнен по обычной полупроводниковой технологии интегральных схем или, возможно, с использованием технологии полимеров.

Регистры 31, 32 строк и столбцов могут быть выполнены как часть датчика или как часть схем устройства и могут использоваться для сбора данных от отдельных пикселов и их адресации.

Регистры 33, 34 строк и столбцов могут быть включены в состав датчика или схем устройства и могут использоваться для адресации каждого из нагревающих элементов и управления им.

Чтобы добиться управляемого локального нагрева каждого чувствительного элемента, представляющий интерес пиксел может адресоваться неоднократно, возможно с регулированием времени доступа. Таким образом, ток будет неоднократно пропускаться через электронную схему чувствительного элемента. Это приведет к накапливаемому нагреванию чувствительного элемента датчика, что можно использовать для раздельного управления подачей тепла в выбранный пиксел.

Датчик описан выше применительно к снятию отпечатков пальцев. Однако ясно, что он также может использоваться для других поверхностей с изменяющейся теплопроводностью, теплоемкостью и/или термическими структурами на поверхности. В качестве примера можно назвать считывание структур с банкнот или аналогичных структурированных поверхностей. Датчик может также использоваться при контроле неоднородностей, расположенных близко к поверхности, типа трещин и нерегулярностей в материалах, поскольку они влияют на теплопроводность измеряемого объекта.

Изобретение относится к способам и устройствам для считывания узоров с частично теплопроводной поверхности, преимущественно отпечатков пальцев. Множество чувствительных элементов датчика вводят в тепловой контакт с используемой поверхностью и измеряют температуру каждого чувствительного элемента. При этом чувствительные элементы нагревают источником тепла. Результаты измерений от всех чувствительных элементов собирают вместе для формирования сегментированного изображения, показывающего распределение теплопередачи по поверхности. Приведено устройство, реализующее получение сегментированного изображения поверхности на основе различий в тепловых потерях в чувствительных элементах. Изобретение позволяет повысить надежность датчика и упростить его выполнение. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ считывания изображений по меньшей мере с частично теплопроводной поверхности, предпочтительно считывания отпечатков пальцев, в соответствии с которым множество чувствительных элементов вводят в тепловой контакт с существенной частью исследуемой поверхности и измеряют температуру каждого чувствительного элемента, отличающийся тем, что чувствительные элементы нагревают источником тепла, температуру каждого чувствительного элемента измеряют один или несколько раз, либо непрерывно, и результаты измерений от всех чувствительных элементов собирают вместе для формирования сегментированного изображения, показывающего распределение теплопередачи по поверхности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление измерением и считывание результатов измерения осуществляют отдельно для каждого одиночного чувствительного элемента. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагреванием каждого одиночного чувствительного элемента управляют по отдельности, например, путем адресации локального температурного датчика в этом элементе так, что он ведет себя как источник тепла. 4. Способ по какому-либо из пп.1-3, отличающийся тем, что между чувствительными элементами допускают некоторую степень теплопередачи для сглаживания различий в температуре между чувствительными элементами так, чтобы обеспечить эффект фильтрации в сегментированном изображении. 5. Способ по какому-либо из пп.1-4, отличающийся тем, что контраст в сегментированном изображении улучшают, увеличивая количество тепла, подаваемого на чувствительные элементы в целом или на каждый из чувствительных элементов отдельно. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что чувствительные элементы нагревают по отдельности, а тепло, подаваемое на каждый элемент, регулируют в соответствии с температурой или изменением температуры элемента. 7. Устройство для считывания изображений по меньшей мере с частично теплопроводной поверхности, предпочтительно для считывания отпечатков пальцев, содержащее множество чувствительных элементов, выполненных с возможностью теплового контакта с существенной частью упомянутой поверхности, и температурные датчики для измерения температуры каждого из чувствительных элементов, отличающееся тем, что оно содержит одно или несколько устройств для нагревания упомянутых чувствительных элементов и средства формирования сигнала, соответствующего теплопередаче поверхности, соприкасающейся с датчиком, для каждого из чувствительных элементов, исходя из известного подаваемого тепла и измеряемой температуры (температур) или изменения (изменений) температуры, для создания общего сегментированного изображения поверхности на основании различий в тепловых потерях в чувствительных элементах. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что между чувствительными элементами оно содержит материал, допускающий теплопередачу. 9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что каждый чувствительный элемент снабжен отдельным источником тепла. 10. Устройство по какому-либо из пп.7-9, отличающееся тем, что каждый чувствительный элемент выполнен с возможностью по меньшей мере частичного управления подачей тепла.