日本東北大學(xué)研發(fā)出新型電容式指紋觸控技術(shù)

（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

指紋（fingerprint），是指人手指末端正面皮膚上產(chǎn)生的凹凸不平的紋線。指紋的紋路并不是連續(xù)、平滑、筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉、轉(zhuǎn)折。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為"特征點"。特征點為指紋提供了唯一性信息，也就是說，每個人都擁有獨一無二的指紋，就像“人體身份證”一樣。我們通過比較不同指紋的“特征點”就可以進(jìn)行身份鑒定，這也就是所謂的“指紋識別技術(shù)”。

指紋識別技術(shù)是目前使用最廣泛、價格較便宜的生物特征識別技術(shù)。它是圖像處理、模式識別、計算機視覺、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等眾多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。如今，指紋識別技術(shù)已作為一種身份鑒權(quán)的手段，廣泛應(yīng)用于門禁、考勤系統(tǒng)、筆記本電腦、手機、汽車、銀行支付等諸多領(lǐng)域。

一般來說，指紋識別系統(tǒng)包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對等模塊。目前，主流的指紋識別技術(shù)有以下幾種：光學(xué)技術(shù)、溫差感應(yīng)技術(shù)、電容式技術(shù)、超聲波技術(shù)。雖然目前指紋識別技術(shù)已經(jīng)很成熟，有著很強的鑒別能力，但是一些掃描指紋的設(shè)備還是有可能被“假的”或者“相似的”指紋所欺騙。

然而，日本科研團(tuán)隊的一項合作研究不久將改變上述情況。近日，日本東北大學(xué)（Tohoku University）的科研小組開發(fā)出一種新型接近電容式圖像傳感器（proximity capacitance imaging sensor）。該傳感器具有非常高的靈敏度和分辨率，掃描到的指紋不僅可以顯示指尖的漩渦狀紋路，還可以顯示出紋路之間的汗孔。

2018年12月，在加州舊金山召開的國際電氣與電子工程師學(xué)會電子器件會議首次展示了這種原型傳感器。一篇詳細(xì)描述傳感器的論文發(fā)表在2018年國際電子器件會議的技術(shù)文摘上。3月22日，這篇論文的作者們在日本圖像信息與電視工程師學(xué)會（ITE）組織的一次會議上，展示了新材料與研究成果。

東北大學(xué)工程研究所教授、論文作者之一的 Shigetoshi Sugawa 表示：“這種先進(jìn)傳感器最重要的特點就是電容靈敏度高。”許多手機觸摸屏與電腦觸控板都采用了低靈敏度的電容傳感器。傳感器與導(dǎo)電工具（例如手指）之間的電氣特性差異，使設(shè)備對于“滾動或雙擊“作出反應(yīng)。當(dāng)物體靠近（雙擊或輕輕滾動）時，電容會增加。Sugawa 稱，這種電容傳感器的高靈敏度來源于新引進(jìn)的降噪技術(shù)。

傳感器芯片含有像素點，以檢測“樣本”與“檢測電極”之間的電容。每個像素點附著一個檢測電極，與地線之間產(chǎn)生電容耦合。這些電氣信號被轉(zhuǎn)化為樣本的圖像。以前，信號會接收到背景噪聲，例如熱噪聲和由于像素的電氣元件變化產(chǎn)生的噪聲，從而形成了質(zhì)量較低的圖像。

通過重復(fù)步驟以及表面上的圖像捕捉測量到的十日元硬幣上的接近電容圖像。導(dǎo)電銅材料表面圖案的細(xì)節(jié)看得很清楚。（圖片來源：Shigetoshi Sugawa, 日本東北大學(xué)）

為了解決這個問題，研究人員們將復(fù)位開關(guān)應(yīng)用于檢測電極，并施加電壓脈沖，從而生成一個可追蹤噪聲源的電路。復(fù)位開關(guān)使系統(tǒng)可檢測到檢測電極上出現(xiàn)的噪聲。在復(fù)位開關(guān)被關(guān)閉之后，電壓脈沖表現(xiàn)為兩個交替的電平，有效地抵消和去除來自系統(tǒng)的噪聲。這就像，電視在沒有信號輸入的情況下出現(xiàn)的黑白雪花圖案被消除了，變成了顯得光滑的灰色屏幕。在純色的背景上，檢測任何偏差都會變得更容易。

Sugawa 表示：“這個新產(chǎn)品對于大眾來說很重要，因為它可以在工業(yè)、鑒權(quán)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，提升分析與控制的效率。”下一步，Sugawa 和研究人員們計劃優(yōu)化這個傳感器，使之應(yīng)用于特定領(lǐng)域，例如印刷電路板和平板顯示器的非接觸式檢測設(shè)備，以及具有先進(jìn)傳感器芯片的便攜式攝像頭系統(tǒng)。