摘要：指紋傳感器芯片F(xiàn)CD4B14具有8′280=2240象素，象素尺寸50 μm′50 μm=500dpi；象素時(shí)鐘高達(dá)2MHz，1780frame/s。本文介紹了該芯片的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用特性。
關(guān)鍵詞：指紋傳感器；溫度物理效應(yīng)；集成電路；FCD4B14
Abstract: The fingerprint chip FCD4B14 is described in this paper. This chip has 8′280=2240 pixel with pixel size of 50μm′50 μm=500 dpi, pixel frequency of 2MHz and pixel speed of 1780frame/s. The structure, principle and performance of FCD4B14 are presented in detail in the paper.
Keywords: Fingerprint sensor; Temperature physical effect; IC; FCD4B14
一、概述
FCD4B14是ATMEL生產(chǎn)的FingerChipTM系列指紋傳感器芯片中的一種，CMOS工藝制造，不需要棱鏡、光源等光學(xué)部分。FCD4B14是一個(gè)基于溫度物理效應(yīng)的單片、高性能、低價(jià)格的指紋傳感器芯片。芯片有一個(gè)線性的外形結(jié)構(gòu)，為了捕捉到指紋，允許手指滑行越過(guò)敏感區(qū)域。當(dāng)捕捉到幾個(gè)指紋圖像后，ATMEL公司提供的軟件可以將這些圖像重新構(gòu)成完整的8Bit指紋圖像。芯片每秒可獲取交付的指紋圖像是可編程的。A/D轉(zhuǎn)換器提供的數(shù)字信號(hào)適合于EPP并行端口、USB微控制器接口或直接與微處理器接口，可以很容易地在不同識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用中。
FCD4B14具有如下特征：敏感層位于0.8mm的COMS數(shù)組之上；圖像區(qū)0.4′14mm=0.02"′ 0.55"；圖像數(shù)組8′280=2240象素；象素尺寸50μm′50μm=500 dpi；象素時(shí)鐘高達(dá)2MHz，1780frame/s；工作電壓3V～5.5V；功耗20mW；20腳DIP陶瓷或COB（Chip-on-Board）封裝；耐磨損>1′106次滑動(dòng)操作；ESD靜電防護(hù)>16kV；工作溫度范圍0°C～+70°C。
FCD4B14可廣泛應(yīng)用于：PDA、手機(jī)通路、 訪問(wèn)、 入門控制、數(shù)據(jù)保護(hù)；附加在筆記本計(jì)算機(jī)、PC上、入門控制、數(shù)據(jù)保護(hù)、電子商務(wù)；PIN碼交換；ATM、POS機(jī)指紋識(shí)別；建筑物出入口控制；汽車、家庭等電子鎖等領(lǐng)域。
二、引腳功能
FCD4B14有20腳DIP陶瓷或COB（Chip-on-Board）兩種封裝形式，如圖1和圖2所示。引腳功能如表1所示。
表1 FCD4B14引腳功能
三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)
FCD4B14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可見，芯片內(nèi)部電路分為傳感器和資料轉(zhuǎn)換兩個(gè)主要部分。在傳感數(shù)組中，當(dāng) 280行中的某一行被選中時(shí)，被選擇行的每一個(gè)象素的電信號(hào)傳送到放大器（一次一列）放大。在有兩列被同時(shí)選中時(shí)（奇數(shù)的和偶數(shù)的），兩個(gè)特定的象素信息被傳送到兩個(gè)4位A/D轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)象素就可在同一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)間內(nèi)被讀出。
傳感器部分，每一個(gè)象素本身就是一個(gè)傳感器。傳感器可檢測(cè)從啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集到讀取信息之間的溫度變化。整個(gè)時(shí)間從象素復(fù)位到預(yù)定的初始狀態(tài)開始為止（這是一個(gè)時(shí)間的積分過(guò)程）。速度取決于焦熱電層（pyroelectric layer）的靈敏度，在復(fù)位到積分時(shí)間結(jié)束之間的溫度變化，和在積分時(shí)間的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，象素上的電荷被產(chǎn)生。
A/D轉(zhuǎn)換器將象素的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以被微處理器使用的數(shù)字信號(hào)，重構(gòu)8位的指紋圖像。并行端口和USB接口的數(shù)據(jù)傳輸率為1MB/s，重構(gòu)指紋圖像最低需要500frame/s速率。兩個(gè)4位ADC輸出兩個(gè)象素的內(nèi)容，一次一個(gè)字節(jié)。
四、芯片應(yīng)用
啟動(dòng)時(shí)序如圖4所示，由以下步驟組成：
（1）設(shè)置RST為高；
（2）設(shè)置RST為低；
（3）發(fā)送4個(gè)時(shí)鐘脈沖；
（4）發(fā)送1124個(gè)時(shí)鐘脈沖讀第一幀。
應(yīng)當(dāng)注意的是，第一幀不包含有關(guān)的資料，因?yàn)榉e分時(shí)間是不正確的。在采集每一幀資料之間復(fù)位不是必須的。
讀一幀數(shù)據(jù)時(shí)序如圖5所示。讀取幀數(shù)據(jù)，一幀包括280個(gè)真實(shí)的行和一個(gè)虛擬的行，每行8個(gè)象素。由于一次輸出兩個(gè)象素，因此系統(tǒng)必須發(fā)送281′4=1124個(gè)時(shí)鐘才能讀完一幀。當(dāng)讀幀數(shù)據(jù)時(shí)，RST必須為低電平。
讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖上升沿輸出。在啟動(dòng)時(shí)序之后，對(duì)于每個(gè)時(shí)鐘脈沖，引腳Do0-3和De0-3上都將輸出新的字節(jié)。字節(jié)內(nèi)容包含兩個(gè)象素：在Do0-3上的4位為奇象素；在De0-3上的4位為偶象素。
輸出資料時(shí)，輸出使能OE引腳必須為低電平。當(dāng)輸出使能OE引腳為高電平時(shí)， Do0-3和De0-3都處于高阻狀態(tài)。輸出使能OE引腳可與微處理器直接連接，不需要附加電路。應(yīng)注意的是：FCD4BI4芯片只能發(fā)送資料，不支持讀/寫模式。
從引腳AVE和AVO也可得到模擬信號(hào)。應(yīng)注意的是：視頻信號(hào)輸出比相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出早一個(gè)時(shí)鐘（因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換有一個(gè)時(shí)鐘的延遲）。
象素次序，對(duì)于每一行的8個(gè)象素，1、3、5、7由Do0-3輸出；2、4、6、8由De0-3輸出。最高位為3，最低位為0。
附加在傳感器的虛擬行作為一個(gè)特殊的模式用于檢測(cè)第一個(gè)象素。所以，每一幀需要讀出280個(gè)真實(shí)的行和一個(gè)虛擬的行數(shù)據(jù)。虛擬的行有4個(gè)字節(jié)，最初的兩個(gè)字節(jié)具有固定的模式，后兩個(gè)字節(jié)組包含溫度信息。如表2所示。
表2 虛擬行字節(jié)數(shù)據(jù)
注意：表中X表示0或1
序列111X0000 111X0000每一幀（ 1124個(gè)時(shí)鐘）出現(xiàn)一次，所以常用作同步。
虛擬行第三個(gè)字節(jié)DB3和第四個(gè)字節(jié)DB4包含傳感器的溫度信息。在DB3的偶數(shù)半位元組nnnn能被用來(lái)測(cè)量芯片溫度的增加或減少，即用來(lái)表示在同一個(gè)器件兩次測(cè)量之間的差異。對(duì)于代碼1111～0001表示絕對(duì)溫標(biāo)11.2～-11.2（每個(gè)代碼差1.4絕對(duì)溫標(biāo)），0000表示小于絕對(duì)溫標(biāo)-16.8。
在手指與傳感器之間的溫度差很低的時(shí)候，圖像對(duì)比度也低。通常使用溫度穩(wěn)定電路去增加手指與傳感器之間的溫度差代碼，最少增加1.4絕對(duì)溫標(biāo)，以獲得足夠的對(duì)比度，來(lái)保證指紋的正確識(shí)別。
時(shí)間積分和時(shí)鐘抖動(dòng)（變化），F(xiàn)CD4B14對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)（變化）不很敏感。最重要的要求是規(guī)則的積分時(shí)間，以保證幀讀取速率的穩(wěn)定，從而獲得一致的指紋圖像片段。如果積分時(shí)間是不規(guī)則的，則各個(gè)幀的對(duì)比度將會(huì)發(fā)生變化。
在每一串1124個(gè)時(shí)鐘之間可以設(shè)置等待時(shí)間，但每一幀總的讀取時(shí)間要保持是規(guī)則的。等待時(shí)間往往被微處理器用來(lái)執(zhí)行某些計(jì)算工作（例如檢測(cè)是否有手指頭等）。
電源管理，一些措施被用來(lái)減少電源消耗。FCD4B14具有睡眠模式，用以下方法可啟動(dòng)睡眠模式：
（1）設(shè)置RST端為高，使器件內(nèi)部的模擬部分為低功耗狀態(tài)；
（2）設(shè)置時(shí)鐘PCLK端為高（或低），關(guān)閉整個(gè)數(shù)字部分；
（3）設(shè)置TPE端為低或斷開TPP端，關(guān)閉溫度穩(wěn)定電路；
（4）設(shè)置OE端為高，迫使輸出端為高阻狀態(tài)。
在睡眠模式所有芯片內(nèi)部的晶體管為關(guān)閉模式，僅有漏電流流過(guò)。
靜態(tài)電流消耗，當(dāng)設(shè)置時(shí)鐘為1和復(fù)位為0，如果芯片的輸出是被連接到標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸入，模擬部分將消耗一些電流，而數(shù)字部分不消耗電流。此時(shí)電流消耗為5mA（電源電壓3V～5.5V）。
動(dòng)態(tài)電流消耗，當(dāng)時(shí)鐘運(yùn)行，數(shù)字部分也消耗電流。對(duì)于輸出負(fù)載，推薦最大值為50pF。如果連接到USB芯片，運(yùn)行速度為1MHz，F(xiàn)CD4B14在VCC端電流消耗小于7mA。
溫度穩(wěn)定電路電源消耗。當(dāng)TPP端設(shè)置為1時(shí)，電流經(jīng)TPP端流入。這個(gè)電流被內(nèi)部的等效電阻和可能存在的外部電阻限制。在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，TPP端為0，電流不流入TPP端。當(dāng)圖像對(duì)比度很低時(shí)（當(dāng)在手指與傳感器之間的溫度差低于一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)時(shí)）, TPP端設(shè)置為1，電流經(jīng)TPP端流入，在芯片中消耗功率，溫度被提升，使圖像對(duì)比度恢復(fù)，以獲得足夠的對(duì)比度，來(lái)保證指紋的正確識(shí)別。對(duì)于增加一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)的芯片溫度所必需的時(shí)間取決于消耗功率，以及在傳感器和環(huán)境之間硅傳感器和熱敏電阻的熱容量。一般在芯片中消耗功率300mW，提升一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)的溫度需要1s。
ATMEL公司提供相應(yīng)的軟件為用戶開發(fā)產(chǎn)品提供支持。
