进入移动互联网时代以来，手机支付越来越流行，但也带来了不少安全问题。最经典、最传统的支付方式为密码支付。然而，因为支付密码设置较为简单容易被猜测、密码被窥视记忆、输入密码的过程易被恶意者偷拍等，导致资金账户被盗等新闻屡见不鲜。为此，生物特征识别技术被广泛应用。目前，指纹识别技术是生物特征识别的技术中最成熟且价格便宜、普及率最高的。
目前，指纹识别的技术应用最为广泛，不仅应用于日常通勤，例如门禁、考勤系统，还应用于如笔记本电脑、手机、豪华汽车、支付等。在本文中，我们将着重介绍指纹识别系统中的指纹传感器。
在早期，指纹传感器主要应用于考勤、安防、银行等专业领域，使用量较低，从上世纪80年代出现指纹传感器以来的十多年一直不温不火（据不便考证的资料显示，指纹识别技术由美国FBI主导于20世纪70年代建立），到了上世纪90年代后期，相关专利申请量开始了明显的增长，最近十几年来，随着移动互联网时代的到来，人们对于信息安全的需求有了爆发式的增长，相应地，对指纹传感器的技术研发和专利申请，也开始狂飙突进。
指纹传感器，其工作原理有八种之多。普及率较高的可分为以下三大类：光学指纹传感器；电容指纹传感器；超声波指纹传感器。超声波指纹传感器有时也被称为射频指纹传感器。
第一代：光学指纹传感器
光学指纹传感器是第一代指纹读取器。该类型的指纹传感器的一个早期专利为JPH05747B2。它的基本原理可简述如下：将手指按压在棱镜的一侧，手指上的脊线、谷线与玻璃表面接触状况存在差异，因此，照射在指纹脊和谷所接触部分的玻璃表面的光线分别被漫反射、全反射。激光照射的部分被反射到傅里叶转换镜头，由光电检测器得到指纹图像形式。
基于光学指纹传感器的工作原理，手指表面的干净程度直接影响到识别的效果，并且固有的一个缺点是极易被伪造、复制的指纹模型所欺骗。而电容式指纹传感器的出现则在很大程度上克服了这一问题。
第二代：电容式指纹传感器
电容式指纹传感器通常被认为是继光学指纹传感器之后的第二代指纹传感器。专利US7099496B2是Synaptics公司的电容式指纹传感器的基础专利之一。
如左图所示，该传感器原理简述如下：与传感器电路相连的有排列成一线的多个微电极板，手指与各微电极板之间形成一定的微距，构成多个微电容，指纹的脊和谷成为板之间的电介质，通过检测传感器的电容板之间的电容变化来生成指纹图像。仅仅依靠手指按压在传感器上无法直接得到手指纹图像，需要手指从微电容线阵列上单向划过，测量电路持续不断地检测线阵列上的各微电容值，从而得到大面积的手指表皮的电容分布，以此得到指纹赝图像。由这一原理，避免了光学指纹传感器被复制、伪造的指纹图像所欺骗的情况。这种类型的电容式指纹传感器必须时刻监测手指划过微电容线阵列的速度，由微处理器根据划动的速度结合测量得到的线阵列上的各电容值，反演出手指纹图像。
在早期的带有指纹识别功能的笔记本电脑中就采用了这种类型的指纹传感器。但它对脏手指、湿手指等识别率低。通常，伪造的指纹用硅树脂或者白明胶等绝缘材料，在电容传感器上是无法成像的。
攻与防从未停止，也有人试图针对电容式指纹传感器的原理伪造电容式指纹模型，例如利用弱导电材料，通过3D打印、激光雕刻等方法获得立体指纹。道高一尺魔高一丈，为了提高安全性，防止伪指纹欺诈，各大厂商改进方向在于增加活体检测的环节，从而避免伪造指纹模型的欺骗。
第三代：超声波指纹传感器
超声波指纹传感器是指纹识别界的新秀，属于第三代生物射频指纹识别技术。韩国三星电机株式会社在其专利US2013/0136321B2公开了一种超声波指纹传感器，该传感器结构和工作原理如下图所示：
该超声波式指纹检测传感器是通过使用超声波产生源测量手指的每个脊和谷之间的声阻抗的差异来检测指纹的一类指纹检测传感器，，多个压电传感器作为超声波产生源，发出预定频率的超声波信号，信号从从指纹的脊和谷反射时，再被压电传感器检测到。基于其原理，手指表面的清洁程度并不重要。特别地，活体检测技术在于，该超声波型指纹检测传感器还检测手指中的血流并检测由脉冲型超声波的混响引起的多普勒效应，因此可以通过使用该功能来确定指纹是否为伪造。超声波指纹传感器对干手指，汗手指，脏手指等困难手指识别率可高达99%。
从目前成本以及普及度，电容式指纹>光学指纹>超声波指纹；从安全性出发，超声波指纹>电容性指纹>光学指纹；在三者中，目前超声波指纹可实现的技术难度最高。
指纹传感器的技术新发展：In-Display Fingerprint屏内指纹识别
不得不说的是，尽管光学指纹传感器是最早出现的、最古老的传感器，但它也在一直发展。最新的光学指纹传感器早已与早期的光学指纹传感器大相径庭。随着In Display屏内指纹识别的大趋势，光学指纹传感器又带着新技术卷土重来。
博通公司在专利US8605960B2提出了一种线阵列的红外光学指纹传感器，大大减小了传统的光学式指纹传感器的体积。
专利US8164652B2提出了一种基于MOS结构的阵列式图像传感器，在一个实施例中提及可利用其读取指纹图像；而专利申请US2002/0163601A1则公开了一种在LCD上集成TFT式光学指纹传感器的技术；专利申请US2004/0252867A1中则详细公开了一种二维平面化的光学指纹传感器，在平面衬底上通过CMOS工艺制作集成了阵列式的发光二极管（LED）和光电检测器点阵，参见下图。光线的发射与反射、检测在几十微米至上百微米距离之内即可完成，实现了光学指纹传感器的三维立体型转变为平面化，极大缩小了传感器体积。这就是现在智能手机上采用的与屏幕合一的内置式光学指纹传感器的基础技术。
现今这一技术通常被称为In-Display Fingerprint即屏内指纹识别技术。但屏内指纹识别不一定仅指光学指纹传感器，也可以是其他类型的指纹传感器。例如，高通公司在专利US9323393B2中提出一种共同底板上集成超声波指纹传感器和生物计量感测能力的平面显示器，这也是一种In-Display Fingerprint屏内指纹识别技术。苹果公司则在专利US9836165B2中公开了在硅基OLED（有机发光二极管）显示面板中集成光学指纹识别传感器的技术。
指纹传感器的攻与防
指纹传感器更新的技术发展方向之一是，阻止假冒用户试图欺骗系统，多传感器指纹融合提高系统的性能显得很有必要，即在同一传感器上集成不同工作原理的指纹传感器，这种集成方式可用来防止假冒用户使用复制伪造的指纹模型来欺骗指纹识别系统。
苹果公司在专利申请US20110257546A1中提出，在指纹传感器中集成心跳（脉搏）检测的单元，来防止伪造指纹的攻击。深圳汇顶公司的专利申请WO2015077733A1提出了一种安全的人体指纹传感器，为了防止伪造手指纹模型的攻击，该传感器集成了认证处理器和活体检测模块，活体检测模块可以通过电容方式或光学方式从人体皮肤检测心跳信号。高通公司（Qualcomm）在专利US10127425B2中提出融合电容感测和超声波感测两种模式的指纹传感器，电容像素和超声波像素电路叠合共同构成指纹传感器，用来防止伪指纹欺诈。
结语
除此之处，指纹传感器的发展方向还有：通过广泛应用微处理器等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高，同时还要向着小型化、智能化、多功能化、更高安全性、更高可靠性、低制造成本的方向发展。新技术的运用，必将使我们的网络生活更加便捷、安全。
参考资料：
http://digi.hsw.cn/system/2020/0417/134517.shtml
https://m.zol.com.cn/article/7283336.html
http://www.elecfans.com/d/932520.html
https://blog.csdn.net/xiangz_csdn/article/details/57074132
https://mp.weixin.qq.com/s/-Y2AfKDLbGBNFQvgAtcWEA
http://www.elecfans.com/yuanqijian/sensor/20180904760864.html
部分图片改编自网络