我們了解過了指紋識別的大致流程後，這篇文章用來介紹指紋識別硬體中最重要的部分，感測器。其實感測器、晶元也要符合物理學的基本原理，他們都是物理學的原理的一種實現，我們可以從光、電、聲、熱、力這幾個基本的物理研究領域中展開，看看今天主流的指紋識別感測器的分類和實現。
光學感測器的發展歷史可能是最久的了，已經有30年的歷史了。實現的原理也是最簡單的。
它主要是利用光的折攝和反射原理，將手指放在光學鏡片上，手指在內建光源照射下，光從底部射向三稜鏡，並經稜鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會不一樣。用稜鏡將其投射在電荷耦合器件上cmos或者ccd上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數位化的、可被指紋裝置演算法處理的多灰度指紋圖像。
圖1光學指紋感測器的優點主要表現為：
1. 抗靜電能力強、系統穩定性較好、使用壽命長
2. 靈敏度特別的高
3. 能提供高解析度的指紋圖像（可以達到500 dpi）。
缺點也很明顯：
1、潛在指印（多次按壓）,會降低指紋圖像的質量
2、台板塗層及ccd陣列會隨時間推移產生損耗,可能導致採集的指紋圖像質量下降
3、體積比較大，功耗控制不好
用途：
鑑於光學感測器的體積都比較大，因此它的應用領域主要集中在指紋門鎖，保險箱，汽車指紋防盜。
發展：
光學感測器在傳統對體積、功耗要求不是苛刻的行業中還占有很大市場份額，但是在手機等移動終端這個大市場迷失了。
16年底synaptics發布了fs9100這種新型的光學sensor，主要是看中了光學感測器的穿透性（可以穿透1mm左右的glass），目標是underglass。而且隨著in display屏內指紋識別的大趨勢，光學感測器必然又會帶著新技術捲土重來。
電容式感測器應該是目前手機及可攜式終端裝置最熱門的了，當然，存在即合理。既然電容式感測器占有了這麼大的市場，它有什麼優勢呢？
其原理是將電容感整合於一塊晶元中，當指紋按壓晶元表面時，內部電容感測器會根據指紋波峰與波谷而產生的電荷差，從而形成指紋影像。如下簡圖，可以把上面的凹凸認為是指紋的谷和脊，那麼同感測器就會形成不同的電容差，這樣感測器就可以根據這些不同的電容差畫出指紋的紋理。
電容感測器又分為主動式和被動式，我們可以先參考下面兩張圖。
原理主要是通過外加的驅動訊號（如ring）載入到手指上以增強手指表面的電荷，使底下的感應陣列接收電場訊號並對訊號進行放大，根據指紋凹凸不一致底下晶元感應到的電場也不一致從而重現指紋（如下圖）：
工作原理則不一樣；其是利用手指按在晶元表面時，指紋的波峰波谷對晶元內部電容上下電極電荷分配的比例影響程度來對指紋進行重現指紋，無需額外增加驅動源，晶元結構非常單純（如下圖），也因為無額外驅動訊號，所以模組也無需外接ring，模組結構也非常簡單。
主動式和被動式的原理也很好辨別，主動式就是額外加了激勵電源。可以想象主動式的電容感測器穿透會比較強，但是無可厚非的會帶來更多的雜訊，所以究竟是主動式還是被動式的感測器好，不能一概而論，還是要看各家的技術。
優點：
1、晶元和模組可以做的很薄
2、功耗更容易控制
缺點：
1、穿透率比較低
2、**相對較高
3、防水、防汙性不強
發展：
電容式的感測器到目前來說，是使用最普遍的。但是，眼看著指紋識別要向屏內指紋識別的方向發展，而電容式的穿透率大概在200um左右，基本的玻璃蓋板都很難穿透，而且需要透明顯示的物理特性也無法滿足。所以，電容式的感測器在將來肯定還是會佔據了感測器的大片江山，但是高階市場收到的衝擊，卻無能為力。
如果把射頻感測器劃到光學感測器的範疇中未免有些牽強（光也是一種特殊的電磁波），射頻指紋模組現階段包含無線電波探測與超聲波探測兩種，
原理與探測海底物質的的聲納類似，是靠特定頻率的訊號反射來探知指紋的具體形態的。這一類指紋模組最大的優點便是手指無需與指紋模組相接觸，因而不會對手機的外觀造成太大影響。基於這一點，射頻指紋模組也成為了未來指紋識別的主要發展方向之一。
超聲檢測原理是相同的，就是依靠反射波的時間差探知脊和谷的距離差，根據這個距離差繪製出指紋圖像。
特製的晶元（稱為換能器）在電脈衝的激勵下，產生機械振動（類似於人摸一下電門渾身一抖），振動產生超聲波脈衝（pulse），超聲波脈衝在傳播過程中，會被傳播介質（如人體）一部分一部分地被反射或者散射回來（echo），尤其是介質中物理性質不連續的地方，（比如手機上方的一根手指），反射波尤為強烈。反射或散射回換能器的回波，又使換能器產生振動，這種振動被換能器轉換為電訊號，對於電訊號進行不同的處理，可以得到不同的資訊，比如傳播介質的結構，有沒有運動的物體在介質中，介質的彈性等等。
如果把超聲波的聲束想像成一條線，那麼一次超聲pulse-echo得到的通常只有一條線的資訊，指紋至少是乙個面，用超聲掃瞄的方式在不同的位置進行pulse-echo就能夠得到一系列線的資訊，從而獲取整個指紋資訊。醫院裡用的超聲成像裝置也大多就是這樣的工作原。雖然從物理學角度講，可以通過力學（即按壓）或者熱學（即溫差）來實現脊和谷的判別。但是在實際實現的sensor卻沒有很大的可行性。
力的傳導需要乙個比較硬的傳導載體，但是如果載體比較硬，那麼指紋這麼微小的距離差異，形成的影象必然是模糊一片；熱敏sensor也曾經被開發過，但是熱敏感測器受外界溫度、兩次按壓時間間隔影像太大，無法達到消費級電子的要求。因此這兩種感測器都匿跡在時間的長河中。
其實不管是指紋感測器，還是其他各種感測器，運用第一性原理，都可以找到原理的根源。對於我們這些工科生深入了解乙個技術、乙個行業，都是有很大裨益。
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by 乙個不務正業的程式設計師。
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