超声波指纹传感器能让你的手机更安全?
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发布时间：2022-04-22 22:12
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时间：2022-04-28 06:17
一种新的超声波指纹传感器能够测定你的指纹及皮下组织的三维图像，这将提升智能手机和其他设备的生物特征识别和信息安全性能。
目前在智能手机（如iPhone 6）中使用的指纹传感器技术，能够针对指纹产生二维图像，这种图像很容易通过一张打印好的指纹图片造假。一种新开发的超声波传感器，可通过对指纹表面和皮下组织进行三维绘图，规避这一风险。
图片说明：超声波指纹传感器能够测定手指表面及皮下组织的三维立体图像，这使得指纹造假更加困难。图片来源： Courtesy of Dave Horsley/University of California，Davis
加利福尼亚大学（University of California）机械和航空航天工程学教授David A. Horsley说道：“目前智能手机密码功能存在着很大的安全隐患，因此我们预测生物识别解决方案有广阔的应用前景。”
“自从苹果公司宣布他们在2013年新一代iPhone中配置了指纹传感器以来，苹果手机的追随者与日俱增。”
这一新技术起源于2007年，当时，伯克利传感器（Berkeley Sensor）和执行器中心（Actuator Center）的团队合作，研究微机械压电超声换能器（piezoelectric-micromachined ultrasonic transcers，PMUTs）。
Horsley表示：“我们开发了PMUTs阵列，以及定制的应用集成电路（application-specific integrated circuit，ASIC）和配套电子产品。我们的研究工作很成功，以至于将其从微系统中脱离，在2013年实现商业化。” 2011年研究团队再次对PMUT技术进行探索，他们发现了这种技术可以用来实现指纹传感。
Horsley说道：“幸运的是，我们招募到了一批优秀学生以及业内伙伴来共同实现我们的愿景，他们也是这一研究的合著者，他们不仅资助了这项工作，还将设计应用到了生产制造中。”
这一技术的基本思想是医学超声波成像。他们创造了一个微小的超声波成像仪，用来观测指纹表面及其下方浅层组织。Horsley指出：“我们通过医学超声波的方式收集超声波图像，芯片表面的换能器发射出超声脉冲，并接收到凹凸指纹表面的回波。”
超声波传感器的基础是一种具有高度一致性的微机电超声器件，因此，它具有相似的频率响应特性。
为了制造成像仪，研究小组应用了现有的微机电系统（MEMS）技术（智能手机的麦克风和定向功能也依靠这种技术）。他们使用了一种改进的制造工艺，用来制造iPhone和其他消费类电子产品中都具有的微机电加速计和陀螺仪。
Horsley表示：“我们的芯片由两层晶片组成，一个是微机电晶片，包含超声波换能器；另一个是CMOS晶片（CMOS，互补金属氧化物半导体，是一种基于硅的技术，用于在微芯片制造晶体管。），包含信号处理电路。这些晶片结构结合在一起，然后微机电晶片经过‘减肥’后来显示超声波换能器。”
Horsley研究小组将超声波看作是微机电技术的下一个前沿领域。Horsley指出：“我们准备通过低成本、高容量的生产过程，每年生产成百上千的微机电传感器，因此，我们的超声波芯片能够以极低的价格生产。”
成像仪在ASIC或应用集成电路上通过高效功率电荷泵，以1.8伏特的电源进行供电。Horsley说道：“我们的超声波换能器具有很高的灵敏度，并且电子接收机位于阵列下方，这降低了电子寄生现象。使用低电压集成电路将会降低我们的传感器成本，同时改善现有超声波传感器的成本、尺寸和耗能，从而使得超声波传感器得以应用于新领域。”
在生物识别和信息安全领域，研究小组的工作具有实际意义。Horsley指出：“我们的超声波传感器能够测量手指表面和皮下组织的三维立体图像，这能够提高指纹传感器的应用性和安全性。”
除了生物识别和信息安全方面，新技术也有望应用于其它领域，Horsley补充道：“还可作为医学诊断工具或用于监测个人健康信息的低成本超声波技术”。
研究小组制造了性能高度一致的微机电超声波设备阵列，从而能够验证PMUTs是否具有高度相似的频率响应特征。
（科学之家，译审：Kong）
