指紋傳感器芯片的原理與應(yīng)用

1、 p 主題論文指紋傳感器芯片 ¦°³ 的原理與應(yīng)用南華大學(xué)電氣工程學(xué)院朱衛(wèi)華黃智偉P r inc i p l e and A pp l i ca t i on of F in g e r p r int Se ns or FP S100ºÈÕ·ÅÉÈÕÁ¨ÕÁÎǺÈÉ×ÅÉ摘要 ¦°³ 是一種低功耗 ! 低價(jià)格 ! 高性能的直接接觸式指

2、紋傳感器 " 文中介紹了這種電容式固 態(tài)指紋傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ! 主要特點(diǎn)和工作原理 給出了 ¦°³ 的使用方法及程序設(shè)計(jì)流程圖 " 關(guān)鍵詞 指紋 傳感器 圖象捕獲 ¦°³分類(lèi)號(hào) ´® 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí) ¢文章編號(hào) “ ”指紋傳感器芯片 ¦°³ 的原理與應(yīng)用 圖 «-© 的典型應(yīng)用電路概述美國(guó) ¶ÅÒÉÄÉÃÏÍ公司的 ¦°³

3、 固態(tài)指紋傳感器是一種直接接觸的指紋采集器件 它是一種低功耗 ! 低價(jià)格 ! 高性能的電容式指紋傳感器 " 芯片集成有 二維金屬電極陣列傳感器 其中金屬電極是電容的 一個(gè)極 而接觸的手指作為另一個(gè)極 表面鈍化層是 中間的電介質(zhì) " 由于手指上紋路及深淺的存在 導(dǎo) 致電容陣列的各個(gè)電容值的不同 通過(guò)測(cè)量并記錄 各點(diǎn)傳感單元電容上的電壓值就可以獲得具有灰度 級(jí)的指紋圖象 " ¦°³ 采用標(biāo)準(zhǔn) £-¯³工藝制造 具 有 個(gè)引腳 采用 ¶³°¡ 封裝 是一個(gè) “ “ 的傳感

4、器陣列 具有 ÃÍ ÃÍ的傳感面 積 可分辨 L Í間距 并可產(chǎn)生 ¤°©分辨率的 圖象 " ¦°³ 帶有 位微處理器接口 傳感器的表 面具有異常堅(jiān)固的耐腐蝕保護(hù)涂層 " 芯片具有低功 耗 低價(jià)格的特點(diǎn) 是一種非光學(xué)的固態(tài)器件 可廣 泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò) ! 工作站 ! 數(shù)據(jù)庫(kù)的安全登錄及安全操 作 ! 便攜式指紋采集 ! ¡´-交易身份認(rèn)證 ! ©£卡的強(qiáng) 大安全補(bǔ)充 ! 移動(dòng)電話的安全保護(hù)和安全交易以及以防止受震動(dòng)后松動(dòng) 并以此代

5、替齒尖獲得轉(zhuǎn)速 標(biāo)記信號(hào) "“ 典型應(yīng)用電路«-© 型集成轉(zhuǎn)速傳感器的典型應(yīng)用電路如圖 Á 所示 " 工作時(shí) 轉(zhuǎn)速傳感器輸出方波 電流信號(hào) 從而在負(fù)載電阻 ²¬與負(fù)載電容 £¬上 形成電壓頻率信號(hào) µ¯Æ 并送至二次儀表 " 通常 取 ²¬ 8! £¬ L ¦" 需要指出 «-© 輸 出的是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 f 單位是 ¨Ú即次 Ó 信 號(hào) 欲得到轉(zhuǎn)速 

6、6;Ò ÍÉÎ 還應(yīng)將 f 除以齒輪上 的齒數(shù) ®并將時(shí)間單位改成分鐘 公式如下 n =60f /N圖  所示電路是由二極管 ¶¤! 穩(wěn)壓管 ¶¤º和電容 £ 構(gòu)成的靜電放電 ¥³¤ 保護(hù)電路 該 電路可吸收 ˶的 ¥³¤電壓 因而可對(duì)芯片起到保 護(hù)作用 " 此外 還需注意 在存放 «-© 系列產(chǎn)品 時(shí) 不要將多個(gè)芯片放在一起以防磁化 " 參考文獻(xiàn) 沙占

7、友 內(nèi)燃機(jī)測(cè)試儀器的原理與維修 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 沙占友 等 新編實(shí)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù) 國(guó)防工 業(yè)出版社 收稿日期 “咨詢(xún)編號(hào) “ 5國(guó)外電子元器件6“ 年第 期 “ 年 月 圖 ¦°³ 組成方框圖家庭 ! 辦公室 ! 汽車(chē)的門(mén)鎖或門(mén)禁控制系統(tǒng)等 "芯片封裝與引腳功能¦°³ 采用 ¶³°¡ 封裝 它有 個(gè) 引腳 各引腳功能如表 所列 "“芯片結(jié)構(gòu)與工作原理¦°³ 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖 所示 "它 內(nèi)部集成有 位快速 ¡

8、64;轉(zhuǎn)換器 因而可將傳 感器陣列的輸出數(shù)字化 同時(shí)具有與大多數(shù)微 機(jī)兼容的 位雙向數(shù)據(jù)總線 "¦°³ 傳感器陣列由 “ “ 的電容器陣列組成 與每一列相連的是兩個(gè)采樣 保持電 路 " 一行的指紋圖象可同時(shí)被捕獲 " 捕獲過(guò)程分為 二個(gè)階段 首先 被選擇的行的所有電容被 ¶¤¤充 電 " 在這個(gè)充電過(guò)程中 內(nèi)部信號(hào)使第一級(jí)采樣 保持電路使能 并記錄該行各電容所充的電壓值 " 其次 該行的各電容對(duì)電流源放電 其放電速度與放 電電流成正比 " 這樣 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 /放電時(shí)間 0

9、內(nèi)部信號(hào)使第二級(jí)采樣 保持電路使能 并記錄各 電容的最后電壓值 " 通過(guò)測(cè)量每個(gè)傳感單元電容在每次充電后的電壓值和放電后的電壓值之差 即可 獲得每個(gè)傳感單元的電容值 " 每次捕捉每行圖象 后 在該行內(nèi)的每個(gè)傳感單元內(nèi)就有待數(shù)字化的電 容值 " 通過(guò)改變放電電流大小和放電時(shí)間可以改變¦°³ 的靈敏度 " 電流源的微小電流值是通過(guò)連接在 ³¥´£µ²引腳與地之間的電阻來(lái)控制的 " 電 流源由 /放電電流寄存器 0¤£² 控制 而放

10、電時(shí)間 則由 /放電時(shí)間寄存器 0¤´² 所控制 "傳感器陣列是以行為單位的器件 圖象的每一 行可被同時(shí)捕獲 " 要捕獲的選擇行的高有效位地址 寄存器 ²¡¨ 與低有效位地址寄存器 ²¡¬ 是可 編程的 " 每一行的捕獲由寫(xiě) ²¡¬寄存器開(kāi)始 " 捕獲 時(shí)間是外部時(shí)鐘與 ¤´²寄存器的函數(shù) " 在放電過(guò) 程結(jié)束后 該行的每一傳感單元的輸出均以模擬方 式存儲(chǔ)在采樣 保持電路中 " 在每一行

11、圖象捕獲完 成后 列的高有效位地址寄存器 £¡¨ 和低有效位 地址寄存器 £¡¬ 將被編程 從而將該行內(nèi)的每一 傳感器單元的數(shù)據(jù)數(shù)字化 " 寫(xiě) £¡¬寄存器時(shí) 啟動(dòng)¡ ¤轉(zhuǎn)換 以將選擇的列單元在兩個(gè)采樣 保持電路輸出之差數(shù)字化 而在讀 £¡¬寄存器時(shí) 則將 ¡¤轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ) "¦°³ 集成有溫度和電阻傳感器 " 溫度傳感器用來(lái)測(cè)量指紋傳感器的溫度變化 " 電阻傳

12、感器則 用來(lái)測(cè)量相對(duì)于芯片外部的電阻值 " 由電阻傳感器 寄存器 ²³² 控制的電流源可用于驅(qū)動(dòng)器件的 ²³¥®³¥引腳 "¦°³ 有兩個(gè)可編程的漏極開(kāi)路輸出可用于驅(qū)動(dòng) ¬¥¤" 它的時(shí)鐘引腳能夠輸出與振蕩頻率相同的方 波時(shí)鐘脈沖 因此 可用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部電路 " 當(dāng) ¥®£¬«為 高電平時(shí) 時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)在 £¬«引腳 "

13、 當(dāng) ¥®£¬«為低 指紋傳感器芯片 ¦°³ 的原理與應(yīng)用 圖 讀周期時(shí)序電平或未連接時(shí) £¬«輸出保持為低電平 "”芯片的使用” ¦°³ 的控制功能 表 所列是 ¦°³ 的控制功能 "” 內(nèi)部寄存器控制¦°³ 內(nèi)含多個(gè)寄存器 "其中 ²¡¬行低有效位 地址寄存器地址為 ¡“¡¡¡ 它是一個(gè)只 寫(xiě)寄

14、存器 可與 ²¡¨寄存器的 ¢ÉÔ 位一起構(gòu)成被選 擇捕獲行的 位行地址寄存器 " 選擇的行地址可從 變化到 " 寫(xiě) ²¡¬寄存器時(shí)便開(kāi)始了一行的捕獲 "²¡¨行 高 有 效 位 地 址 寄 存 器 的 地 址 為 ¡“¡¡¡ " 該寄存器為只寫(xiě)寄存器 它的 ¢ÉÔ 位與 ²¡¬寄存器可構(gòu)成被選擇捕獲行的 位行地址寄存器 以選擇所要捕獲的

15、行 " 該寄存器的 ¢ÉÔ 和 ¢ÉÔ 位 即 ¬ 和 ¬ 位 可控制兩個(gè)開(kāi)漏輸出 以 用于驅(qū)動(dòng) ¬¥¤" ¢ÉÔ *¢ÉÔ 為保留位 通常寫(xiě) " £¡¬列 低 有 效 位 地 址 寄 存 器 的 地 址 為 ¡“¡¡¡ " 該寄存器是一個(gè)可讀寫(xiě)的寄存器 " 它是 位列地址寄存器的低 位 " 位列地

16、址寄存器的列地址可從 變化到 " 寫(xiě) £¡¬寄存器 時(shí)即開(kāi)始 ¡ ¤轉(zhuǎn)換 " 若讀該寄存器時(shí) 則選擇返回 ¡¤轉(zhuǎn)換的輸出 "£¡¨列 高 低 有 效 位 地 址 寄 存 器 的 地 址 為 ¡“¡¡¡ 它是一種只寫(xiě)寄存器 其 ¢ÉÔ位與 £¡¬寄存器可構(gòu)成 位列地址寄存器 以用來(lái)選擇當(dāng)前行的一個(gè)單元并將其輸出數(shù)字化 " 在寫(xiě) £¡

17、8;寄存器之前 用戶(hù)必須等待直到該行的捕獲已完成 "¢ÉÔ 和 ¢ÉÔ 可用來(lái)選擇 ¡ ¤轉(zhuǎn)換的輸入 當(dāng) ¢ÉÔ» ½ 時(shí) 選擇行與列所選擇的傳感器單元 ¢ÉÔ» ½ 時(shí) 選擇溫度傳感器的輸出 ¢ÉÔ» ½ 則 選擇電阻傳感器的輸出 ¢ÉÔ» ½ 為不允許 "¤´²放

18、電 時(shí) 間 寄 存 器 的 地 址 為¡“¡¡¡ 為只寫(xiě)寄存器 其最高位 ¢ÉÔ位 即 °¤位 可用來(lái)控制芯片的工作模式 °¤ 為 正常工作模式 °¤ 時(shí)為低功耗模式 " 低 位 ¢ÉÔ *¢ÉÔ 位 即 ´» ½位 用來(lái)確定裝入放電定時(shí)器的計(jì)數(shù)值 " 放電時(shí)間則等于 ´» ½的計(jì)數(shù)值與時(shí)鐘周期的乘積 即 放電時(shí)間 ´

19、» ½Ô¯³£¤£²放電電流寄存器地址為 ¡“¡¡¡ 為只寫(xiě)寄存器 " 該寄存器的 ¢ÉÔ 和 ¢ÉÔ即 ¦ ! ¦ 位 可用來(lái)選擇外部時(shí)鐘或晶振的頻率 " ¦¦ 時(shí) 為 * -¨Ú ¦¦ 為 * -¨Ú ¦¦ 為 *“ -¨Ú ¦

20、6; 為 “ *” -¨Ú" ¢ÉÔ 位即 ´²³´位用來(lái)控制放電定時(shí)器的復(fù)位 若 ´²³´ 將中止和復(fù)位放電定時(shí)器但不清 ¤´²寄存器 " ´²³´ 時(shí)放電定時(shí)器正常工作 " ¢ÉÔ” *¢ÉÔ 位 即 ¤£»” ½ 用來(lái)選擇放電 電流源的電流值 "

21、8;³²電 阻 傳 感 檢 測(cè) 寄 存 器 地 址 為¡“¡¡¡ 它只可寫(xiě) " ²³²的 ¢ÉÔ“ *¢ÉÔ 位 即 ²»“ ½ 用來(lái)控制電阻傳感器的電流源輸出 電流 " 這個(gè)輸出電流可在 ³¥´µ£²腳與地之間的外電阻上產(chǎn)生電壓 該電壓經(jīng)內(nèi)部 ¡¤可轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 "” “ ¡¤轉(zhuǎn)換表 “

22、單位為時(shí)鐘周期 給出了行捕獲與 ¡¤轉(zhuǎn) 換時(shí)間 其中 Î為 ¤´²寄存器的 ´» ½的數(shù)值 "¦°³ 內(nèi)部集成的 位快速 ¡ ¤轉(zhuǎn)換器是一 緩沖器件 每當(dāng)寫(xiě) £¡¬寄存器時(shí) 將導(dǎo)致如下結(jié)果 鎖存上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果并使 £¡¬可讀 ¡¤轉(zhuǎn)換開(kāi)始 從而使當(dāng)前的輸入數(shù)字化 " 5國(guó)外電子元器件 6“ 年第 期 “ 年 月圖 “ 寫(xiě)周期時(shí)序 圖 圖象捕獲流程圖圖 ” 上電及初始化流程圖因此 為了使每一行的 “