本发明涉及指纹检测装置，特别涉及感应指纹的独特表面形状 的电子指纹检测装置。

指纹检测仪具有多种用途，如在海关和边检，以及那些首先要鉴 定参与执行公务人员的正确身份的地方，要求尽最大可能地安全确 认寻求进入安全区的人们的身份。其它方式的鉴别已被实施，用于 鉴定人物的正确性，包括摄影、笔迹鉴定和个人身份号码(PIN)等。 问题是，后面这些方案难以很好地象一个人的指纹那样有把握地确 定一个人。所有上述鉴定方式都非常易于接受蒙骗性的更改。两组 指纹相同的可能性极小，以致于法律执行机构用高度准确的指纹去 正确辩别一个人。实时指纹检测仪已被用于高概率的鉴别，但仍存 在许多局限，相关的成本使这些仪器目前不可能大范围被使用。

目前，指纹检测仪使用某种成像系统形式以检测一个指纹的独 特特性，这些特性被用来与一个已知的参考指纹的特性进行比较。 典型的是，这些成像系统包括热学或光学传感器以将指纹线信息转 换成能被一个微处理器进行分析的数字波形式。并且，这些成像组 件需要制造很昂贵的复杂的光学、激光和电子电路。因此，包含运行 这些元件的装置也昂贵了，而且可携带性通常也受到局限。它们还 需要复杂的图像处理器以实施指纹检测算法。运行这些常规的装 置，指纹放在影像的表面，并且当装置进行电子扫描或光学成像指纹 线性特征信息时，指纹要保持稳定。这种通常包括如256×512的传 感器元件组成的传感阵列使整个传感器变得昂贵，而且因为它必须 与手指接触而容易损坏。这些复杂的排列产生出大量的必须被处理 的并最终存贮起来以做参考的数据点。同时，它们还非常易受操作 环境中包含的尘埃和油的侵害，一些阵列还要求有一个复杂的定位 系统以检测指纹的位置和相对中心，并在检测指尖并相对一个已知 参考处理其特性前建立参考点。

一个典型的方法揭示于美国第4,582,985号对Lofberg的称 之为“数据载体”的专利，它揭示了一个指纹检定系统被装配进一个 尺寸约有一个信用卡大小的装置中。这个装置包括一个存储器用于 贮存以前所获的参考数字程序。被检测的指纹被显示在一个包括热 学和光学感应单元的影像装置上，以将指纹线信息转换为一个数 字程序。然后用一个微处理器将该数字信号与一个参考数字程序进 行比较，如果比较过程在一个特定的角度达到匹配，一个鉴定检测记 录就产生了。因此，如上所述，这种方法是利用一个拥有大量感应单 元的感应阵列来完成指纹鉴定的。这一复杂阵列的生产和大量数据 的处理非常昂贵，还容易受到过度外力的损伤。并且，它还需要一个 定位设备以检测稳定指尖的位置，因此提高了电路的复杂性并需要 辅助的资料处理能力。

所以，人们渴望有一种由带感应单元较少的感应阵列组成的指 纹检测仪，依靠减少需分析的数据量来简化数据处理要求，并降低仪 器运转所用电池的总消耗能量。同时，人们希望有一种利用电子传 感器的指纹检测仪，使电子学在一个单一集成电路中实现降低成本 和消除异常影像技术(eliminate exotic imaging technologies)。 这些特性，使制造一个在工业生产者和用户中均可大范围应用的低 成本装置成为可能。而且，人们还渴望有一种产生高信噪比和高动态 范围的电子信号的传感器，以有效地降低误差率。

根据本发明，一种利用皮肤电阻感应阵列的低成本指纹检测仪 得以揭示。这个相对简单的感应阵列包括其支持电路，使该装置能 够被制造在一个尺寸可与用户所携带的信用卡大小相比较的数据载 体卡上。而且，揭示了一种依靠相对一个皮肤感应阵列移动指尖检 测和鉴定指纹、处理有关指尖信号信息并产生一个鉴定信号的技术。 结果是大大改进了现有检测和鉴定指纹的装置和方法。

根据本发明的一个实施例，提供一种指纹检测仪包括一个用以 将指尖皮肤电阻转换为样本轨迹信号的皮肤电阻感应阵列。这一样 本轨迹信号与皮肤电阻的电导率变化相一致，该皮肤电阻是指尖移 过感应阵列表面时，其脊与谷的函数。感应阵列包括至少一个固定 传感器以接触指尖并允许指尖和传感器相对移动。这个阵列被耦合 为一个可将样本轨迹信号转换为数字信号的取样电路。该指纹检测 仪还包括一个处理器以接收数字样本轨迹信号，将它与一参考轨迹 信号进行比较并实施鉴定算法。

也是根据本发明，提供一种利用相对皮肤电阻感应阵列移动指 尖来检测和鉴定指纹的方法。感应阵列将指尖的皮肤电阻转换为样 本轨迹信号。取样电路被提供，用以对样本轨迹信号进行数字化和 标准化。然后，样本轨迹信号被与一已贮存的参考轨迹信号统计关 联，根据样本轨迹信号与参考轨迹信号出自同一指尖的临界概率是 否被超过而产生鉴定信号。

本领域一般技术人员在阅读下列详解和图示后，便可明白此发 明的其它情况和优点：

图1：根据此发明的指纹检测系统结构图解；

图2：指纹检测系统等效电路图图解；

图3：根据此发明将指纹检测仪制造为一个数据载体卡的图解；

图4：图3中4-4行中列举的典型皮肤电阻感应阵列的剖视 图；

图5：解释一个典型指纹和指纹被移过5个感应单元时的随机 曲线和轨迹；

图6：5个样本轨迹信号(A至E)产生在每一个传感器上的随 时间输出的一段图，代表了指尖脊与谷间的电导率变化，并被与参 考指尖的位置进行比较，如果其相应结构相匹配的化；

图7：图示感应阵列、取样电路、处理器和存储器与埋进上表层 的导线阵列一起，被制造在一个单一的集在电路上；

图8：图7中带有侧向安装连接线的集成电路的侧示图。

下列最佳实施例的描述仅是示例，它并不限制该发明、或其应 用。

此发明特别与一个利用脊电阻感应阵列和一在感应阵列表面移 动指尖并处理所得的电子信号的技术来检测和鉴定指纹的装置有 关。阵列的简单化与手指划扫通过阵列的技术一起，使低成本信号 处理系统得以实现并被制造进一个单一集成电路。于是生产出的低 成本芯片能够被集成到其它装置上，诸如，但不限于，信用卡、门锁、 销售终点和计算机终端键盘上，做为一种鉴定或安全手段。

此发明的详述参考一个指纹检测系统集成进信用卡的情况，以 此来说明其概念。一般技术人员将会知道本发明，如所附权利要求 定义的那样，除了实施例外，它还有许多其它用途。而且，虽然该发 明描述了关于被制成一单一集成电路的指纹检测仪的详情，一般技 术人员还将了解到本发明在其范围内还包括一个由离散的电子元件 集合而来的指纹检测系统。

现在看图1，指纹检测仪10现在由概略构造图解的方法展示出 来。指纹检测仪10包括一个皮肤电阻感应阵列20，该阵列进一步包 括10个感应单元16，构成2×5阵列。感应单元16被均衡地排成行 和列。这些行被间隔在一允许指尖速率函数被测得的预定距离上。感 应阵列20靠在一绝缘层24上形成传导层22来构造，绝缘层24也 可作为该仪器的支撑构造。而且，传导层22和感应单元16形成皮 肤电阻感应阵列20的上表层，指尖12扫过其上。传导层22还包括 一些均衡排列为2×5阵列的孔23。每一感应单元16被装置在绝缘 层24上相应传导层孔23暴露出的一个圆环处，它又包裹着导线 18，这些特点也可在图4中被认识。每根导线18从感应单元16表 面向下延伸通过绝缘层并终止在多路调制器30的输入连接处。在 另一实施例中，导线可形成穿过构成集成电路(IC)封装的绝缘层 24的通道(trace)，并同单片封装中的集成多路调制器电路相连接。 该通道也可在连接取样电路56前通过数据载体卡50。

如图1和图2所描绘，感应阵列20还包括形成一电阻分压器 电路的元件。尽管对于一般技术人员将变得很明显，这种电路不止 限于一个电阻分压器，其它适应于测量皮肤电阻特性的电路也被囊 括在本发明的范围中。第一电阻28与电源26的阳极连接，电源26 的阴极连接传导层22。每10根导线18被联入一个多路调制器30 的输入终端，该多路调制器被模制为一短路开关装置(图2)，它有选 择地通过第一电阻28完成一个回路。参阅图2，多路调制器30然后 被处理器40通过选择线38从1到10顺序有选择地接通。如在图4 中更清晰可见的一样，当指纹14的指尖脊60形成一连接传导层22 和导线18的第2可变电阻时，由感应阵列20组成的分压器电路就 形成了。指尖脊60就如一个可变电阻，而指尖谷62则如同开路。

通过指尖脊60的压降产生样本轨迹信号，它代表了人类皮肤 的电阻特性。每一样本信号由指尖脊60和谷62形成的连续曲线轨 迹产生，如被感应单元16描绘的，它代表了指尖12的皮肤电阻中电 导率的变化。所得的模拟样本轨迹信号在输入口32被模拟装置取样 到数字转换器34上，数字转换器将模拟信号转换为一个数字比特 流。模拟数字转换器34包括连接使数字样本轨迹信号得以转换的处 理器40的N位数据线36。处理器40还包括鉴定输出端44以提 供一个鉴定信号。处理器40可有选择地包括一个处理器输入口42， 以便让数据通过数据接口54与一外界贮存装置进行传输。输入口 40允许一个外部存贮参考轨迹被处理器40接收，以实时与样本轨 迹信号进行比较。另一方面，如果数据接口54未被提供，处理器40 可以直接通过存储器接口46与存储器48连接。存储器48是与用 户参考轨迹信号相关的可选程序。存储器48可以是一个随机存取 存储器(RAM)或是一个只读存储器(ROM)。

多路调制器30和模拟数字转换器34与它们的支持部分组成了 样本回路56，它可以以不相连的分散元件形式存在，也可相反，结合 进一个单一的集成电路中。取样电路56通常以工业化标准产品形式 存在，如Maxim公司生产的零件号码MAX.186AEWP下的产品。 在优选装置中，处理器40是一个具有处理两个或更多数字信号之 统计关系的能力的数字化信号处理器(DSP)。处理器40目前存 在有，如由“Texas设备”生产的工业标准数字信号处理器(DSP)， 作为信号处理器TMS320系列的一部分。

现在看图3，典型的数据载体卡50与检测仪10的功能块图表 一起解释。感应阵列20被平放在数据载体卡50的表层中，传导层 22与绝缘层24一起被安装在感应阵列20的表层上，导线18则平 放地暴露在表层。导线18从感应阵列20向下延伸到数据载体卡50 中，在那里，它们与取样电路56相连。在最佳实施例中，感应阵列 20、取样电路56、处理器40、和有选择的存储器48被并入一个如图 7、图8中给出很好解释的单一集成电路70。在最佳实施例中，导线 18通过集成电路70在内部与取样电路56相连。回到图3，数据载体 卡50还包括一个与处理器40相连的鉴定转换器52，可产生声音与 图像信号。图3中显示的该数据载体卡50还包括一个选择数据接口 54。功能块图显示取样电路56由数据线36与处理器40相连接，并 进一步与存储器48相连，存储器48和数据接口54是选择单元这一 点应引起注意。当指纹检测仪包括存储器48时，则不需要数据接口 54。然而，另一实施例的数据载体卡50则存储器48和数据接口54 均包括。

转至图4，沿剖面4-4绘制的感应阵列20的横剖面图。该图描 述绝缘层24和传导层22被紧挨着放置。在该实施例中，绝缘层24 可作为(但不限于)数据载体卡50或集成电路的封装材料，只要这些 物质具有必要的绝缘品质。应特别注意的是，绝缘层24的环状部分 被传导层孔23在每个感应单元16处所暴露这一现象。导线18被 结合进绝缘层24，并平展地从每一个感应单元16表面向下延伸进 入绝缘层并在那里与多路调制器30连接。该图解释了每一根导线 18的直径应小得足以使一指尖谷62从导线18上通过而不接通传 导层22的回路。同时，每一根导线18的直径又必须大得足以使指 尖脊60与传导层22相连接从而形成回路。

转到图5，用比较指尖脊60和指尖谷62来描述一个指尖的典 型指纹14。该图还解释了当指尖12划过感应阵列20时，指纹14产 生的典型感应阵列轨迹58。感应阵列20可描绘划过指纹14的任何 轨迹，只要该轨迹通过近中心点以连续的方式延伸指纹14的全长。 这种由每个感应单元16沿感应阵列轨迹58得出的迹线产生出一个 描述每一个个体指尖的独特影像的样本轨迹信号。

翻到图6，在每一个感应单元16上测得的5个样本轨迹信号 的图解。该图描述了被定义为随时间测量得到的一连续曲线电压函 数的每个样本轨迹信号，该图还与图5中描述的典型感应阵列轨迹 58相匹配。图6，从A到E每一个样本轨迹信号直接与图5中从A 到E的感应阵列轨迹58相匹配。图6中样本轨迹信号A到E中的 每个峰值代表了当该脊60通过每一感应单元16接通回路时的一个 指尖脊60，这一点应引起注意。样本轨迹信号被量化为数字化信 号，并与已贮存的参考轨迹信号相关。该图还用与参考样本轨迹相 匹配的5个指尖脊60的位置解释了5个参考轨迹信号。比较图5 和图6，就会注意到，每个指尖脊60与每一感应阵列轨迹线A到E 的交点，正是当5个感应单元16中的每一个被沿箭头方向划过指 纹14而随时间在图6中显示的样本轨迹信号的峰值。

现在参照图7，它揭示了一个被制造成单片集成电路70的完整 的指纹检测仪。芯片小得足以使它被集成进入一个数据载体卡50， 考虑的基本尺寸是芯片外壳的厚度。TRW公司(Inc)的C2板外壳 -44接触密封陶瓷芯片载体可提供多种单片的集成电路。图示的标 准外壳可以生产至1.62毫米的最小厚度。然而，制造技术的进步还 将使该尺寸减小。图7是由陶瓷、环氧树脂或一种适于用作绝缘层 24的类似物质特制而成的集成电路70的顶视图。传导层22被安装 在绝缘层24的上表面，绝缘层24则变为集成电路70的一部分。传 导层孔23被置于每一预先确定的感应单元16的位置上，以便露出 一根导线18，以及绝缘层24上环绕着每根导线18的一环状断面。 该图还解释了以相应导线18为中心的每个传导层孔23的重要性。 它们通过暴露绝缘层24，在传导层22和导线18之间产生一个绝缘 区域。每根导线18被暴露在集成电路70的表面并向下延伸穿过板 材与取样电路56连接。而且，图7展示了集成电路70和一包含在单 片电路中的结构的框图。阵列20的低复杂性是其基本特性，它使得 指纹检测仪10可被制造进一个单片芯片中。

图8是集成电路70的侧示图。从此图示中也可看到，传导层22 被置于绝缘层24的上层，绝缘层24还作为基本封装材料。该图图 示了沿集成电路70上的在芯片和外接电路间起连接作用的连接插 头80的位置。在应特别注意的是，侧向安装的连接插头还可以使集 成电路板70保持外形低平(low profile)。

现在解释根据此发明的理论来检验和鉴定指纹的方法。一个算 法(algorithm)提供了用户指纹数据是否与存贮的参考数据相匹配 的结论。该项技术包括了指纹检测仪10提供一暴露的皮肤感应阵 列20，它使得指尖12的指纹14被以连续的方式划过感应阵列20， 一旦指尖2与感应阵列20感应接触，指纹检测仪10中的回路便被 自动激活。一般技术人员将了解的是，自动激活可通过感应该装置 表面压力或电流而达成。带有感应阵列20划过指尖14表面时所产 生轨迹的感应阵列轨迹58，并不依赖于指纹14通过感应阵列20的 定线(alignment)或速率。对产生一个可接受的样本轨迹信号的唯一 要求是，指纹14必须以平滑连续的移动通过指纹的相对中心从头 到尾地划过感应阵列20。指纹14划过感应阵列20的连续移动，产 生了一个如图6所示的连续样本曲线信号。所得的是典型的高信噪 比信号，并可覆盖广阔的动态范围。这两个信号特征有效地降低了包 括在统计关联运算(statistical correlation algorithm)内的误差 率。模拟样本轨迹信号则被模拟数字转换器34(图1)量化为一数字 信息流，该数据比特流可由数字信号处理器40(图6)与一个个人指 尖脊与谷的存贮参考轨迹信号进行统计关联。进行必要的统计关联 运算的模拟数字信号处理器目前作为标准常用装置(standard off the shelf devices)。灵活的设计使参考轨迹信号可被存贮在存 储器48中，最好是一个只读存储器(ROM)。另外，参考轨迹信号可 在被处理前，通过数据接口54从一外界存贮装置中提取。

算法是灵活的，它允许处理器40对两个信号进行实时比较，或 者，代表样本轨迹信号的数据比特流可被完全存贮在存储器48中， 并被处理器40进行脱离主机处理。由处理器实施的算法在样本轨迹 信号和参考轨迹信号中寻求保持一最小位置假定误差。在任何假定 自由度相对于最后存贮参考轨迹信号值实行经计关联的同时，得到 了含有集合误差的样本轨迹信号。相对于存贮参考数据处理样本轨 迹信号的算法继续进行，直到关联算法可保持一个连续低集合误 差。如果由关联算法计算出的误差超过预定的临界误差水平，处理 器则终止检测算法，并提供一个否定证明信号。然而，如果样本轨 迹信号自始至终在统计关联算法中保持在连续低集合误差水平上， 处理器40则给出一个肯定证明信号，说明样本轨迹信号和参考轨迹 信号出自同一指纹。

检测和鉴定方法还包括一种将样本轨迹信号进行标准化的技 术。一般的技术人员将很清楚，利用提供大量连续优化的样本化数 据点的方法，标准化样本轨迹信号降低了仪器的复杂性。标准化技 术的获得，依靠对所需数据点的最优数量进行标准化并提供一个最 初取样频率。在检测样本轨迹信号时，处理规则运算计算样本轨迹 信号频率。熟练的技术人员将很清楚，取样频率必须依靠对样本轨 迹信号频率进行正比例处理算法来校正。因此，划过感应阵列20的 指尖电压的增益将使取样频率成正比例增益。同样，指尖电压的降 低将使取样频率成正比例降低。利用持续地提供数据点的最优数量， 并进一步提供与指尖速率无关的指纹检测和鉴定方法，标准化处理 还进一步简化了所揭示的发明。样本化数据点数量的减少、较小容量 需求的存储器、和较小的回路运行功率，便于实现低成本处理回路。 本发明的优选装置不依赖于存储器48存贮参考轨迹信号，数据载体 卡50中参考轨迹信号的存贮是一选择特性。当前发明的另一种装置 的方法是，依靠它，参考轨迹信号通过数据接口54提供给处理器 40。该装置让用于关联算法的参考信号由检验机构存贮，而不是在 数据载体卡50中存贮参考信号。这种特性用以消除由于用户携带伪 造数据载体卡50而产生欺骗的可能性。这种特性对某些机构非常有 用，如(但不限于)：银行、卫生管理机构和政府机构，它需要对有限 的但已知的一群人进行鉴定。在用于安全目的的鉴定允许以较低概 率确定身份的地方，数据载体卡50可以和预先植入存储器48的持 有者参考轨迹信息一起，装入一个由银行发放的信用卡中。这种形 式的信用卡可用于持有者在零售商处购物时出示，作为以检验指纹 信息为销售条件的零售终点正确地鉴定持卡人的一种手段。数据载 体卡50的利用，即要求用户在完成销售之前检验其指纹，将明显地 减少伪靠信用卡的发生率。

本发明的独特特征是允许将一低成本指纹检测仪10组装在一 单片集成电路70中，集成电路70外形尺寸小、外形低平，而且还使 指纹检测仪10可被装进一个数据载体卡50或其它适合的装置中。 这些板卡可承受由于人们接触产生的不良环境。独特的皮肤电阻感 应阵列20比起现有的需要热力学和光学指纹检测设计的技术，有 许多先进之处。传感器产生一个可被相对简单的算法加以处理的电 子波形，利用现有的技术进行这种简单的运算，是基于任何两个产生 相同电子信号的指纹的概率是极其微小的原理的(deminimis)。以 前揭示的方法不包括相对感应阵列移动或重击指尖的技术，该技术 产生一个连续的电子轨迹信号代表指尖外形。以前所揭示的研究还 无法提供一低成本感应阵列用以感应指尖脊与谷电阻改变的电传导 率的变化，并将皮肤电阻特性转换为一电子信号。

尽管本发明利用最佳实施例来进行了描述，然而，该装置可在所 附权利要求的精神和范畴内可进行修改和变动。