新型電容式圖像感測器：讓指紋識別更精確！

導讀

近日，日本東北大學的科研小組開發出一種新型接近電容式圖像感測器。該感測器具有非常高的靈敏度和解析度，掃描到的指紋不僅可以顯示指尖的漩渦狀紋路，還可以顯示出紋路之間的汗孔。

背景

指紋（fingerprint），是指人手指末端正麵皮膚上產生的凹凸不平的紋線。指紋的紋路並不是連續、平滑、筆直的，而是經常出現中斷、分叉、轉折。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為"特徵點"。

（圖片來源：維基百科）

特徵點為指紋提供了唯一性信息，也就是說，每個人都擁有獨一無二的指紋，就像「人體身份證」一樣。我們通過比較不同指紋的「特徵點」就可以進行身份鑒定，這也就是所謂的「指紋識別技術」。

（圖片來源：維基百科）

指紋識別技術是目前使用最廣泛、價格較便宜的生物特徵識別技術。它是圖像處理、模式識別、計算機視覺、數學形態學等眾多學科交叉融合的產物。如今，指紋識別技術已作為一種身份鑒權的手段，廣泛應用於門禁、考勤系統、筆記本電腦、手機、汽車、銀行支付等諸多領域。

一般來說，指紋識別系統包括指紋圖像獲取、處理、特徵提取和比對等模塊。目前，主流的指紋識別技術有以下幾種：光學技術、溫差感應技術、電容式技術、超聲波技術。

雖然目前指紋識別技術已經很成熟，有著很強的鑒別能力，但是一些掃描指紋的設備還是有可能被「假的」或者「相似的」指紋所欺騙。

創新

然而，日本科研團隊的一項合作研究不久將改變上述情況。

近日，日本東北大學（Tohoku University）的科研小組開發出一種新型接近電容式圖像感測器（proximity capacitance imaging sensor）。該感測器具有非常高的靈敏度和解析度，掃描到的指紋不僅可以顯示指尖的漩渦狀紋路，還可以顯示出紋路之間的汗孔。

（圖片來源：Shigetoshi Sugawa, 日本東北大學）

2018年12月，在加州舊金山召開的國際電氣與電子工程師學會電子器件會議首次展示了這種原型感測器。一篇詳細描述感測器的論文發表在2018年國際電子器件會議的技術文摘上。3月22日，這篇論文的作者們在日本圖像信息與電視工程師學會（ITE）組織的一次會議上，展示了新材料與研究成果。

技術

東北大學工程研究所教授、論文作者之一的 Shigetoshi Sugawa 表示：「這種先進感測器最重要的特點就是電容靈敏度高。」

許多手機觸摸屏與電腦觸控板都採用了低靈敏度的電容感測器。感測器與導電工具（例如手指）之間的電氣特性差異，使設備對於「滾動或雙擊「作出反應。當物體靠近（雙擊或輕輕滾動）時，電容會增加。

Sugawa 稱，這種電容感測器的高靈敏度來源於新引進的降噪技術。

感測器晶元含有像素點，以檢測「樣本」與「檢測電極」之間的電容。每個像素點附著一個檢測電極，與地線之間產生電容耦合。這些電氣信號被轉化為樣本的圖像。以前，信號會接收到背景雜訊，例如熱雜訊和由於像素的電氣元件變化產生的雜訊，從而形成了質量較低的圖像。

下圖所示：通過重複步驟以及表面上的圖像捕捉測量到的十日元硬幣上的接近電容圖像。導電銅材料表面圖案的細節看得很清楚。

（圖片來源：Shigetoshi Sugawa, 日本東北大學）

為了解決這個問題，研究人員們將複位開關應用於檢測電極，並施加電壓脈衝，從而生成一個可追蹤雜訊源的電路。複位開關使系統可檢測到檢測電極上出現的雜訊。在複位開關被關閉之後，電壓脈衝表現為兩個交替的電平，有效地抵消和去除來自系統的雜訊。

這就像，電視在沒有信號輸入的情況下出現的黑白雪花圖案被消除了，變成了顯得光滑的灰色屏幕。在純色的背景上，檢測任何偏差都會變得更容易。

價值

Sugawa 表示：「這個新產品對於大眾來說很重要，因為它可以在工業、鑒權、生命科學、農業等領域中，提升分析與控制的效率。」

未來

下一步，Sugawa 和研究人員們計劃優化這個感測器，使之應用於特定領域，例如印刷電路板和平板顯示器的非接觸式檢測設備，以及具有先進感測器晶元的攜帶型攝像頭系統。

關鍵字

指紋、感測器、電容

參考資料

【1】https://www.tohoku.ac.jp/en/press/prototype_in_precision.html

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