指紋傳感器芯片FCD4B14的原理及應用
摘要：指紋傳感器芯片FCD4B14具有8´280=2240象素，象素尺寸50 µm´50 µm=500dpi；象素時鐘高達2MHz，1780frame/s。本文介紹了該芯片的結構、原理及應用特性。
關鍵詞：指紋傳感器；溫度物理效應；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、光源等光學部分。FCD4B14是一個基于溫度物理效應的單片、高性能、低價格的指紋傳感器芯片。芯片有一個線性的外形結構，為了捕捉到指紋，允許手指滑行越過敏感區域。當捕捉到幾個指紋圖像后，ATMEL公司提供的軟件可以將這些圖像重新構成完整的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轉換器提供的數字信號適合于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別系統應用中。
FCD4B14具有如下特征：敏感層位于0.8mm的COMS數組之上；圖像區0.4´14mm=0.02"´ 0.55"；圖像數組8´280=2240象素；象素尺寸50µm´50µm=500 dpi；象素時鐘高達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次滑動操作；ESD靜電防護>16kV；工作溫度范圍0°C～+70°C。
FCD4B14可廣泛應用于：PDA、手機通路、 訪問、 入門控制、數據保護；附加在筆記本計算機、PC上、入門控制、數據保護、電子商務；PIN碼交換；ATM、POS機指紋識別；建筑物出入口控制；汽車、家庭等電子鎖等領域。
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。
FCD4B14的內部結構如圖3所示。從圖3可見，芯片內部電路分為傳感器和資料轉換兩個主要部分。在傳感數組中，當 280行中的某一行被選中時，被選擇行的每一個象素的電信號傳送到放大器（一次一列）放大。在有兩列被同時選中時（奇數的和偶數的），兩個特定的象素信息被傳送到兩個4位A/D轉換器，兩個象素就可在同一個時鐘脈沖時間內被讀出。
傳感器部分，每一個象素本身就是一個傳感器。傳感器可檢測從啟動數據采集到讀取信息之間的溫度變化。整個時間從象素復位到預定的初始狀態開始為止（這是一個時間的積分過程）。速度取決于焦熱電層（pyroelectric layer）的靈敏度，在復位到積分時間結束之間的溫度變化，和在積分時間的持續時間內，象素上的電荷被產生。
A/D轉換器將象素的模擬信號轉換為可以被微處理器使用的數字信號，重構8位的指紋圖像。并行端口和USB接口的數據傳輸率為1MB/s，重構指紋圖像最低需要500frame/s速率。兩個4位ADC輸出兩個象素的內容，一次一個字節。
啟動時序如圖4所示，由以下步驟組成：
（1）設置RST為高；
（2）設置RST為低；
（3）發送4個時鐘脈沖；
（4）發送1124個時鐘脈沖讀第一幀。
應當注意的是，第一幀不包含有關的資料，因為積分時間是不正確的。在采集每一幀資料之間復位不是必須的。
讀一個字節數據，數據在時鐘脈沖上升沿輸出。在啟動時序之后，對于每個時鐘脈沖，引腳Do0-3和De0-3上都將輸出新的字節。字節內容包含兩個象素：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，輸出使能OE引腳必須為低電平。當輸出使能OE引腳為高電平時， Do0-3和De0-3都處于高阻狀態。輸出使能OE引腳可與微處理器直接連接，不需要附加電路。應注意的是：FCD4BI4芯片只能發送資料，不支持讀/寫模式。
從引腳AVE和AVO也可得到模擬信號。應注意的是：視頻信號輸出比相應的數字信號輸出早一個時鐘（因為A/D轉換有一個時鐘的延遲）。
象素次序，對于每一行的8個象素，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特殊的模式用于檢測第一個象素。所以，每一幀需要讀出280個真實的行和一個虛擬的行數據。虛擬的行有4個字節，最初的兩個字節具有固定的模式，后兩個字節組包含溫度信息。如表2所示。
序列111X0000 111X0000每一幀（ 1124個時鐘）出現一次，所以常用作同步。
虛擬行第三個字節DB3和第四個字節DB4包含傳感器的溫度信息。在DB3的偶數半位元組nnnn能被用來測量芯片溫度的增加或減少，即用來表示在同一個器件兩次測量之間的差異。對于代碼1111～0001表示絕對溫標11.2～-11.2（每個代碼差1.4絕對溫標），0000表示小于絕對溫標-16.8。
在手指與傳感器之間的溫度差很低的時候，圖像對比度也低。通常使用溫度穩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絕對溫標，以獲得足夠的對比度，來保證指紋的正確識別。
時間積分和時鐘抖動（變化），FCD4B14對時鐘抖動（變化）不很敏感。最重要的要求是規則的積分時間，以保證幀讀取速率的穩定，從而獲得一致的指紋圖像片段。如果積分時間是不規則的，則各個幀的對比度將會發生變化。
在每一串1124個時鐘之間可以設置等待時間，但每一幀總的讀取時間要保持是規則的。等待時間往往被微處理器用來執行某些計算工作（例如檢測是否有手指頭等）。
電源管理，一些措施被用來減少電源消耗。FCD4B14具有睡眠模式，用以下方法可啟動睡眠模式：
（1）設置RST端為高，使器件內部的模擬部分為低功耗狀態；
（2）設置時鐘PCLK端為高（或低），關閉整個數字部分；
（3）設置TPE端為低或斷開TPP端，關閉溫度穩定電路；
（4）設置OE端為高，迫使輸出端為高阻狀態。
在睡眠模式所有芯片內部的晶體管為關閉模式，僅有漏電流流過。
動態電流消耗，當時鐘運行，數字部分也消耗電流。對于輸出負載，推薦最大值為50pF。如果連接到USB芯片，運行速度為1MHz，FCD4B14在VCC端電流消耗小于7mA。
溫度穩定電路電源消耗。當TPP端設置為1時，電流經TPP端流入。這個電流被內部的等效電阻和可能存在的外部電阻限制。在大多數時間內，TPP端為0，電流不流入TPP端。當圖像對比度很低時（當在手指與傳感器之間的溫度差低于一個絕對溫標時）, TPP端設置為1，電流經TPP端流入，在芯片中消耗功率，溫度被提升，使圖像對比度恢復，以獲得足夠的對比度，來保證指紋的正確識別。對于增加一個絕對溫標的芯片溫度所必需的時間取決于消耗功率，以及在傳感器和環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，提升一個絕對溫標的溫度需要1s。
ATMEL公司提供相應的軟件為用戶開發產品提供支持。
參考文獻
[1]. ATMEL Inc.FCD4B14 FingerChip™[Z].
http://www.atmel.com,2002.1
第一作者簡介
黃智偉：南華大學電氣工程學院副研究員/副教授.地址：湖南省衡陽市學院路南華大學南校區，（421001） 電話：0734-8282125
E-mail: fuzhi619@163.net
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關鍵詞：指紋傳感器；溫度物理效應；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、光源等光學部分。FCD4B14是一個基于溫度物理效應的單片、高性能、低價格的指紋傳感器芯片。芯片有一個線性的外形結構，為了捕捉到指紋，允許手指滑行越過敏感區域。當捕捉到幾個指紋圖像后，ATMEL公司提供的軟件可以將這些圖像重新構成完整的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轉換器提供的數字信號適合于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別系統應用中。
FCD4B14具有如下特征：敏感層位于0.8mm的COMS數組之上；圖像區0.4´14mm=0.02"´ 0.55"；圖像數組8´280=2240象素；象素尺寸50µm´50µm=500 dpi；象素時鐘高達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次滑動操作；ESD靜電防護>16kV；工作溫度范圍0°C～+70°C。
FCD4B14可廣泛應用于：PDA、手機通路、 訪問、 入門控制、數據保護；附加在筆記本計算機、PC上、入門控制、數據保護、電子商務；PIN碼交換；ATM、POS機指紋識別；建筑物出入口控制；汽車、家庭等電子鎖等領域。
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。
FCD4B14的內部結構如圖3所示。從圖3可見，芯片內部電路分為傳感器和資料轉換兩個主要部分。在傳感數組中，當 280行中的某一行被選中時，被選擇行的每一個象素的電信號傳送到放大器（一次一列）放大。在有兩列被同時選中時（奇數的和偶數的），兩個特定的象素信息被傳送到兩個4位A/D轉換器，兩個象素就可在同一個時鐘脈沖時間內被讀出。
傳感器部分，每一個象素本身就是一個傳感器。傳感器可檢測從啟動數據采集到讀取信息之間的溫度變化。整個時間從象素復位到預定的初始狀態開始為止（這是一個時間的積分過程）。速度取決于焦熱電層（pyroelectric layer）的靈敏度，在復位到積分時間結束之間的溫度變化，和在積分時間的持續時間內，象素上的電荷被產生。
A/D轉換器將象素的模擬信號轉換為可以被微處理器使用的數字信號，重構8位的指紋圖像。并行端口和USB接口的數據傳輸率為1MB/s，重構指紋圖像最低需要500frame/s速率。兩個4位ADC輸出兩個象素的內容，一次一個字節。
啟動時序如圖4所示，由以下步驟組成：
（1）設置RST為高；
（2）設置RST為低；
（3）發送4個時鐘脈沖；
（4）發送1124個時鐘脈沖讀第一幀。
應當注意的是，第一幀不包含有關的資料，因為積分時間是不正確的。在采集每一幀資料之間復位不是必須的。
讀一個字節數據，數據在時鐘脈沖上升沿輸出。在啟動時序之后，對于每個時鐘脈沖，引腳Do0-3和De0-3上都將輸出新的字節。字節內容包含兩個象素：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，輸出使能OE引腳必須為低電平。當輸出使能OE引腳為高電平時， Do0-3和De0-3都處于高阻狀態。輸出使能OE引腳可與微處理器直接連接，不需要附加電路。應注意的是：FCD4BI4芯片只能發送資料，不支持讀/寫模式。
從引腳AVE和AVO也可得到模擬信號。應注意的是：視頻信號輸出比相應的數字信號輸出早一個時鐘（因為A/D轉換有一個時鐘的延遲）。
象素次序，對于每一行的8個象素，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特殊的模式用于檢測第一個象素。所以，每一幀需要讀出280個真實的行和一個虛擬的行數據。虛擬的行有4個字節，最初的兩個字節具有固定的模式，后兩個字節組包含溫度信息。如表2所示。
序列111X0000 111X0000每一幀（ 1124個時鐘）出現一次，所以常用作同步。
虛擬行第三個字節DB3和第四個字節DB4包含傳感器的溫度信息。在DB3的偶數半位元組nnnn能被用來測量芯片溫度的增加或減少，即用來表示在同一個器件兩次測量之間的差異。對于代碼1111～0001表示絕對溫標11.2～-11.2（每個代碼差1.4絕對溫標），0000表示小于絕對溫標-16.8。
在手指與傳感器之間的溫度差很低的時候，圖像對比度也低。通常使用溫度穩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絕對溫標，以獲得足夠的對比度，來保證指紋的正確識別。
時間積分和時鐘抖動（變化），FCD4B14對時鐘抖動（變化）不很敏感。最重要的要求是規則的積分時間，以保證幀讀取速率的穩定，從而獲得一致的指紋圖像片段。如果積分時間是不規則的，則各個幀的對比度將會發生變化。
在每一串1124個時鐘之間可以設置等待時間，但每一幀總的讀取時間要保持是規則的。等待時間往往被微處理器用來執行某些計算工作（例如檢測是否有手指頭等）。
電源管理，一些措施被用來減少電源消耗。FCD4B14具有睡眠模式，用以下方法可啟動睡眠模式：
（1）設置RST端為高，使器件內部的模擬部分為低功耗狀態；
（2）設置時鐘PCLK端為高（或低），關閉整個數字部分；
（3）設置TPE端為低或斷開TPP端，關閉溫度穩定電路；
（4）設置OE端為高，迫使輸出端為高阻狀態。
在睡眠模式所有芯片內部的晶體管為關閉模式，僅有漏電流流過。
動態電流消耗，當時鐘運行，數字部分也消耗電流。對于輸出負載，推薦最大值為50pF。如果連接到USB芯片，運行速度為1MHz，FCD4B14在VCC端電流消耗小于7mA。
溫度穩定電路電源消耗。當TPP端設置為1時，電流經TPP端流入。這個電流被內部的等效電阻和可能存在的外部電阻限制。在大多數時間內，TPP端為0，電流不流入TPP端。當圖像對比度很低時（當在手指與傳感器之間的溫度差低于一個絕對溫標時）, TPP端設置為1，電流經TPP端流入，在芯片中消耗功率，溫度被提升，使圖像對比度恢復，以獲得足夠的對比度，來保證指紋的正確識別。對于增加一個絕對溫標的芯片溫度所必需的時間取決于消耗功率，以及在傳感器和環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，提升一個絕對溫標的溫度需要1s。
ATMEL公司提供相應的軟件為用戶開發產品提供支持。
參考文獻
[1]. ATMEL Inc.FCD4B14 FingerChip™[Z].
http://www.atmel.com,2002.1
第一作者簡介
黃智偉：南華大學電氣工程學院副研究員/副教授.地址：湖南省衡陽市學院路南華大學南校區，（421001） 電話：0734-8282125
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