一種集成式相控陣指紋傳感器的製作方法

2024-01-22 17:12:15

本發明涉及傳感器技術，具體涉及一種集成式相控陣指紋傳感器。

背景技術：

指紋傳感器是實現指紋自動採集的關鍵器件。由於指紋的唯一性和便攜性等特點，指紋傳感器已經廣泛應用於金融支付、安防設施、考勤系統等身份信息認證識別領域。

傳統的指紋識別方式有光學識別、電容識別。其中電容識別方式存在的缺陷是對於髒手指、溼手指等識別率低。當前較為先進的指紋識別技術是射頻指紋識別技術，但是採用的射頻信號的頻率和相位單一，導致其探測深度和維度局限在幾十μm以內固定深度的指紋脊線二維圖像上,不能進一步採集到包括指紋脊線、汗毛孔、毛細血管、骨骼等生物識別信息在內的三維圖像，限制了識別率、精確性和防偽性的進一步提高。生物識別技術是指通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，利用人體固有的生理特性，例如指紋、臉象、虹膜等和行為特徵，例如筆跡、聲音、步態等來進行個人身份鑑定的技術手段，具有抗幹擾因素強、識別率高等優點。然而在特殊的領域中，需要「移動、距離」檢測技術，來解決傳感器喚醒、低功耗、移動報警、運動軌跡跟蹤等問題，這些問題的解決方法僅僅依靠單一的生物識別技術是無法實現的。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種指紋識別率和準確性高且能夠解決單一傳感器高功耗、無法喚醒和移動報警等問題的集成式相控陣指紋傳感器。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種集成式相控陣指紋傳感器，包括一個電路板，電路板上設置微控制器，用於發射和接收無線信號的相控陣收發模塊，陀螺儀，加速度傳感器，用於信號切換的模擬矩陣開關，a/d轉換模塊和用於供電的電源模塊；微控制器用於處理實時相控陣收發模塊、陀螺儀和加速度傳感器的信息，相控陣收發模塊、陀螺儀和加速度傳感器通過模擬矩陣開關與a/d轉換模塊的輸入端電連接，a/d轉換模塊的輸出端與微控制器電連接。

進一步地，電路板上設置gps模塊，gps模塊與微控制器連接。

進一步地，相控陣收發模塊包括多個發射天線，用於發出多種頻率和/或相位的無線信號，對手指指紋進行波束電掃描；無線信號發生器，用於向發射天線輸入多種頻率和/或相位無線信號的無線信號；無限信號調節器，位於無限信號發生器和發射天線之間，用於調節無線輸入信號的相位和/或頻率；至少一個接收天線，用於接收無線信號穿透手指後產生多個載有指紋信息的反射信號。

優選地，微處理器是基於mcu和dsp架構的集成晶片。

優選地，陀螺儀為三軸陀螺儀。

優選地，加速度傳感器為mems三軸加速度傳感器。

優選地，微控制器通過i2c接口或spi接口進行信息傳輸。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

（1）本發明將陀螺儀和加速度傳感器集成到相控陣指紋傳感器上，一體化設計，結構簡單，體積小，節省了安裝空間，方便維護和安裝，採用集成方式減少了外界對傳感器信號的影響，提高了傳感器的穩定性。本發明可廣泛應用於手機、汽車、智能手環、印章等多種設備中，不僅可以用於指紋驗證，而且能夠進行動感體驗操作、運動軌跡的跟蹤或根據需求調整設備狀態為休眠或喚醒，從而降低電源模塊功耗，節能環保；

（2）本發明將相控陣原理應用到指紋傳感器上，通過向手指發射多個具有不同相位和頻率的無線信號來實現波束電掃描，從而獲得多個載有不同深度指紋信息的反射信號，對反射信號進行處理後可獲得具有豐富細節特徵的三維圖像，識別率和準確性高；由於採用的是多譜段的無線信號對指紋信息進行採集，因此可以排除汗水、護手霜、傷痕等幹擾因素實現信息的識別，提高了識別率。

附圖說明

圖1是本發明的原理示意圖；

圖2是本發明中相控陣收發模塊的結構示意圖；

其中，1-發射天線、2-接收天線、3-無限信號發生器、4-無線信號調節器。

具體實施方式

下面結合圖1和圖2，對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

本發明公開了一種集成式相控陣指紋傳感器，包括一個電路板，如圖1所示，電路板上設置微控制器，用於發射和接收無線信號的相控陣收發模塊，陀螺儀，加速度傳感器，用於信號切換的模擬矩陣開關，a/d轉換模塊和電源模塊。微控制器用於處理實時相控陣收發模塊、陀螺儀和加速度傳感器的信息，電源模塊用於為整個電路系統供電。

相控陣收發模塊用於發射和接收無線信號進行指紋識別，如圖2所示，包括多個發射天線1，用於發出多種頻率和/或相位的無線信號，對手指指紋進行波束電掃描，無線信號的頻率在1mhz~5mhz間，可以穿透金屬、塑料、玻璃等材料，排除汗水、護手霜、傷痕等幹擾因素實現信息的識別，提高識別率，波束電掃描的方式是相掃、頻掃、相/相掃或者相/頻掃，採用多種波束電掃描方式的組合，可以進一步提高指紋的識別度和抗幹擾性能，實現自適應採集、拓撲搜索和智能識別等功能；無線信號發生器3，用於向發射天線輸入多種頻率和/或相位無線信號的無線信號；無限信號調節器4，位於無限信號發生器3和發射天線1之間，用於調節無線輸入信號的相位和/或頻率；至少一個接收天線2，用於接收無線信號穿透手指後產生多個載有指紋信息的反射信號。

模擬矩陣開關通過收發電路與相控陣收發模塊連接，接收天線2接收的載有指紋信息的反射信號通過收發電路進行濾波降噪和放大處理後輸送給模擬矩陣開關，相控陣收發模塊、陀螺儀和加速度傳感器通過模擬矩陣開關與a/d轉換模塊的輸入端電連接，a/d轉換模塊的輸出端與微控制器電連接。模擬矩陣開關根據需求命令將相控陣收發模塊、陀螺儀、加速度傳感器的信號進行切換，選擇性將信號傳輸給a/d轉換模塊，a/d轉換模塊將接收的電信號轉換成數位訊號；微處理器接收數位訊號並根據需要對信號進行圖像處理或計算得出相應的數據。在本實施例中，微處理器是基於mcu和dsp架構的集成晶片，具有強大的信號處理功能，且具有低功耗、低成本和小封裝等優點；陀螺儀採用的是三軸陀螺儀，加速度傳感器為mems三軸加速度傳感器。微控制器通過i2c接口或spi接口進行信息傳輸。

電路板上還可設置gps模塊，用於定位位置信息，gps模塊與微控制器連接，當gps模塊的信號丟失時，微控制器也可根據陀螺儀和加速度傳感器的信號進行運動軌跡跟蹤。

本發明可廣泛應用於手機、汽車、智能手環、印章等多種設備中，不僅可以用於指紋驗證，而且能夠進行動感體驗操作、運動軌跡的跟蹤或根據需求調整設備狀態為休眠或喚醒，從而降低電源模塊功耗，節能環保。

以本發明應用於印章為例，需要使用印章時，首先進行指紋驗證，相控陣收發模塊啟動，待指紋驗證一致後方可使用。印章平放時，陀螺儀和加速度傳感器檢測到印章處於靜止狀態，將此信號傳輸給微控制器，微控制器調整電源模塊為低功耗供電模式，即休眠模式，降低電源模塊功耗，節能環保；當需要使用印章時，陀螺儀和加速度傳感器檢測到印章移動，將此信號傳輸給微控制器，微控制器再調整電源模塊為正常供電模式，即喚醒模式，便於使用。

以本發明應用於汽車或電動車為例，需要指紋解鎖時，相控陣收發模塊啟動，進行指紋驗證；需要定位汽車或電動車的位置信息時，gps模塊啟動，獲取位置信息；需要了解汽車或電動車的運動軌跡，而gps模塊的信號較弱或信號丟失時，陀螺儀和加速度傳感器檢測信號並將信號傳輸給微控制器，獲得它們的運動軌跡。

以本發明應用於老年人帶的智能手錶為例，需要啟動智能手錶進行指紋解鎖時，相控陣收發模塊啟動，進行指紋驗證；需要定位位置信息時，gps模塊啟動，獲取位置信息；當陀螺儀和加速度傳感器檢測到老人跌倒失重的瞬間信號時，將此信號傳輸給微控制器，微控制器可以控制外接的警報器發出警報，提醒其他人把跌倒老人及時扶起和救治。

本發明將陀螺儀和加速度傳感器集成到相控陣指紋傳感器上，一體化設計，結構簡單，體積小，節省了安裝空間，方便維護和安裝，採用集成方式減少了外界對傳感器信號的影響，提高了傳感器的穩定性。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。