指纹传感器芯片的原理与应用

1、 p 主题论文指纹传感器芯片 ¦°³ 的原理与应用南华大学电气工程学院朱卫华黄智伟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 是一种低功耗 ! 低价格 ! 高性能的直接接触式指

2、纹传感器 " 文中介绍了这种电容式固 态指纹传感器的内部结构 ! 主要特点和工作原理 给出了 ¦°³ 的使用方法及程序设计流程图 " 关键词 指纹 传感器 图象捕获 ¦°³分类号 ´® 文献标识 ¢文章编号 “ ”指纹传感器芯片 ¦°³ 的原理与应用 图 «-© 的典型应用电路概述美国 ¶ÅÒÉÄÉÃÏÍ公司的 ¦°³

3、 固态指纹传感器是一种直接接触的指纹采集器件 它是一种低功耗 ! 低价格 ! 高性能的电容式指纹传感器 " 芯片集成有 二维金属电极阵列传感器 其中金属电极是电容的 一个极 而接触的手指作为另一个极 表面钝化层是 中间的电介质 " 由于手指上纹路及深浅的存在 导 致电容阵列的各个电容值的不同 通过测量并记录 各点传感单元电容上的电压值就可以获得具有灰度 级的指纹图象 " ¦°³ 采用标准 £-¯³工艺制造 具 有 个引脚 采用 ¶³°¡ 封装 是一个 “ “ 的传感

4、器阵列 具有 ÃÍ ÃÍ的传感面 积 可分辨 L Í间距 并可产生 ¤°©分辨率的 图象 " ¦°³ 带有 位微处理器接口 传感器的表 面具有异常坚固的耐腐蚀保护涂层 " 芯片具有低功 耗 低价格的特点 是一种非光学的固态器件 可广 泛应用于网络 ! 工作站 ! 数据库的安全登录及安全操 作 ! 便携式指纹采集 ! ¡´-交易身份认证 ! ©£卡的强 大安全补充 ! 移动电话的安全保护和安全交易以及以防止受震动后松动 并以此代

5、替齿尖获得转速 标记信号 "“ 典型应用电路«-© 型集成转速传感器的典型应用电路如图 Á 所示 " 工作时 转速传感器输出方波 电流信号 从而在负载电阻 ²¬与负载电容 £¬上 形成电压频率信号 µ¯Æ 并送至二次仪表 " 通常 取 ²¬ 8! £¬ L ¦" 需要指出 «-© 输 出的是齿轮转动频率 f 单位是 ¨Ú即次 Ó 信 号 欲得到转速 

6、6;Ò ÍÉÎ 还应将 f 除以齿轮上 的齿数 ®并将时间单位改成分钟 公式如下 n =60f /N图  所示电路是由二极管 ¶¤! 稳压管 ¶¤º和电容 £ 构成的静电放电 ¥³¤ 保护电路 该 电路可吸收 ˶的 ¥³¤电压 因而可对芯片起到保 护作用 " 此外 还需注意 在存放 «-© 系列产品 时 不要将多个芯片放在一起以防磁化 " 参考文献 沙占

7、友 内燃机测试仪器的原理与维修 北京 国防工业出版社 沙占友 等 新编实用数字化测量技术 国防工 业出版社 收稿日期 “咨询编号 “ 5国外电子元器件6“ 年第 期 “ 年 月 图 ¦°³ 组成方框图家庭 ! 办公室 ! 汽车的门锁或门禁控制系统等 "芯片封装与引脚功能¦°³ 采用 ¶³°¡ 封装 它有 个 引脚 各引脚功能如表 所列 "“芯片结构与工作原理¦°³ 的内部结构方框图如图 所示 "它 内部集成有 位快速 ¡

8、64;转换器 因而可将传 感器阵列的输出数字化 同时具有与大多数微 机兼容的 位双向数据总线 "¦°³ 传感器阵列由 “ “ 的电容器阵列组成 与每一列相连的是两个采样 保持电 路 " 一行的指纹图象可同时被捕获 " 捕获过程分为 二个阶段 首先 被选择的行的所有电容被 ¶¤¤充 电 " 在这个充电过程中 内部信号使第一级采样 保持电路使能 并记录该行各电容所充的电压值 " 其次 该行的各电容对电流源放电 其放电速度与放 电电流成正比 " 这样 经过一段时间 /放电时间 0

9、内部信号使第二级采样 保持电路使能 并记录各 电容的最后电压值 " 通过测量每个传感单元电容在每次充电后的电压值和放电后的电压值之差 即可 获得每个传感单元的电容值 " 每次捕捉每行图象 后 在该行内的每个传感单元内就有待数字化的电 容值 " 通过改变放电电流大小和放电时间可以改变¦°³ 的灵敏度 " 电流源的微小电流值是通过连接在 ³¥´£µ²引脚与地之间的电阻来控制的 " 电 流源由 /放电电流寄存器 0¤£² 控制 而放

10、电时间 则由 /放电时间寄存器 0¤´² 所控制 "传感器阵列是以行为单位的器件 图象的每一 行可被同时捕获 " 要捕获的选择行的高有效位地址 寄存器 ²¡¨ 与低有效位地址寄存器 ²¡¬ 是可 编程的 " 每一行的捕获由写 ²¡¬寄存器开始 " 捕获 时间是外部时钟与 ¤´²寄存器的函数 " 在放电过 程结束后 该行的每一传感单元的输出均以模拟方 式存储在采样 保持电路中 " 在每一行

11、图象捕获完 成后 列的高有效位地址寄存器 £¡¨ 和低有效位 地址寄存器 £¡¬ 将被编程 从而将该行内的每一 传感器单元的数据数字化 " 写 £¡¬寄存器时 启动¡ ¤转换 以将选择的列单元在两个采样 保持电路输出之差数字化 而在读 £¡¬寄存器时 则将 ¡¤转换的数据进行存储 "¦°³ 集成有温度和电阻传感器 " 温度传感器用来测量指纹传感器的温度变化 " 电阻传

12、感器则 用来测量相对于芯片外部的电阻值 " 由电阻传感器 寄存器 ²³² 控制的电流源可用于驱动器件的 ²³¥®³¥引脚 "¦°³ 有两个可编程的漏极开路输出可用于驱动 ¬¥¤" 它的时钟引脚能够输出与振荡频率相同的方 波时钟脉冲 因此 可用来驱动外部电路 " 当 ¥®£¬«为 高电平时 时钟信号出现在 £¬«引脚 "

13、 当 ¥®£¬«为低 指纹传感器芯片 ¦°³ 的原理与应用 图 读周期时序电平或未连接时 £¬«输出保持为低电平 "”芯片的使用” ¦°³ 的控制功能 表 所列是 ¦°³ 的控制功能 "” 内部寄存器控制¦°³ 内含多个寄存器 "其中 ²¡¬行低有效位 地址寄存器地址为 ¡“¡¡¡ 它是一个只 写寄

14、存器 可与 ²¡¨寄存器的 ¢ÉÔ 位一起构成被选 择捕获行的 位行地址寄存器 " 选择的行地址可从 变化到 " 写 ²¡¬寄存器时便开始了一行的捕获 "²¡¨行 高 有 效 位 地 址 寄 存 器 的 地 址 为 ¡“¡¡¡ " 该寄存器为只写寄存器 它的 ¢ÉÔ 位与 ²¡¬寄存器可构成被选择捕获行的 位行地址寄存器 以选择所要捕获的

15、行 " 该寄存器的 ¢ÉÔ 和 ¢ÉÔ 位 即 ¬ 和 ¬ 位 可控制两个开漏输出 以 用于驱动 ¬¥¤" ¢ÉÔ *¢ÉÔ 为保留位 通常写 " £¡¬列 低 有 效 位 地 址 寄 存 器 的 地 址 为 ¡“¡¡¡ " 该寄存器是一个可读写的寄存器 " 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从 变化到 " 写 £¡¬寄存器 时即开始 ¡ ¤转换 " 若读该寄存器时 则选择返回 ¡¤转换的输出 "£¡¨列 高 低 有 效 位 地 址 寄 存 器 的 地 址 为 ¡“¡¡¡ 它是一种只写寄存器 其 ¢ÉÔ位与 £¡¬寄存器可构成 位列地址寄存器 以用来选择当前行的一个单元并将其输出数字化 " 在写 £¡

17、8;寄存器之前 用户必须等待直到该行的捕获已完成 "¢ÉÔ 和 ¢ÉÔ 可用来选择 ¡ ¤转换的输入 当 ¢ÉÔ» ½ 时 选择行与列所选择的传感器单元 ¢ÉÔ» ½ 时 选择温度传感器的输出 ¢ÉÔ» ½ 则 选择电阻传感器的输出 ¢ÉÔ» ½ 为不允许 "¤´²放

18、电 时 间 寄 存 器 的 地 址 为¡“¡¡¡ 为只写寄存器 其最高位 ¢ÉÔ位 即 °¤位 可用来控制芯片的工作模式 °¤ 为 正常工作模式 °¤ 时为低功耗模式 " 低 位 ¢ÉÔ *¢ÉÔ 位 即 ´» ½位 用来确定装入放电定时器的计数值 " 放电时间则等于 ´» ½的计数值与时钟周期的乘积 即 放电时间 ´

19、» ½Ô¯³£¤£²放电电流寄存器地址为 ¡“¡¡¡ 为只写寄存器 " 该寄存器的 ¢ÉÔ 和 ¢ÉÔ即 ¦ ! ¦ 位 可用来选择外部时钟或晶振的频率 " ¦¦ 时 为 * -¨Ú ¦¦ 为 * -¨Ú ¦¦ 为 *“ -¨Ú ¦

20、6; 为 “ *” -¨Ú" ¢ÉÔ 位即 ´²³´位用来控制放电定时器的复位 若 ´²³´ 将中止和复位放电定时器但不清 ¤´²寄存器 " ´²³´ 时放电定时器正常工作 " ¢ÉÔ” *¢ÉÔ 位 即 ¤£»” ½ 用来选择放电 电流源的电流值 "

21、8;³²电 阻 传 感 检 测 寄 存 器 地 址 为¡“¡¡¡ 它只可写 " ²³²的 ¢ÉÔ“ *¢ÉÔ 位 即 ²»“ ½ 用来控制电阻传感器的电流源输出 电流 " 这个输出电流可在 ³¥´µ£²脚与地之间的外电阻上产生电压 该电压经内部 ¡¤可转换成数字量 "” “ ¡¤转换表 “

22、单位为时钟周期 给出了行捕获与 ¡¤转 换时间 其中 Î为 ¤´²寄存器的 ´» ½的数值 "¦°³ 内部集成的 位快速 ¡ ¤转换器是一 缓冲器件 每当写 £¡¬寄存器时 将导致如下结果 锁存上一次的转换结果并使 £¡¬可读 ¡¤转换开始 从而使当前的输入数字化 " 5国外电子元器件 6“ 年第 期 “ 年 月图 “ 写周期时序 图 图象捕获流程图图 ” 上电及初始化流程图因此 为了使每一行的 “