指纹传感器芯片FCD4B14的原理及应用
摘要：指纹传感器芯片FCD4B14具有8´280=2240象素，象素尺寸50 µm´50 µm=500dpi；象素时钟高达2MHz，1780frame/s。本文介绍了该芯片的结构、原理及应用特性。
关键词：指纹传感器；温度物理效应；集成电路；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生产的FingerChipTM系列指纹传感器芯片中的一种，CMOS工艺制造，不需要棱镜、光源等光学部分。FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构，为了捕捉到指纹，允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后，ATMEL公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8Bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。A/D转换器提供的数字信号适合于EPP并行端口、USB微控制器接口或直接与微处理器接口，可以很容易地在不同识别系统应用中。
FCD4B14具有如下特征：敏感层位于0.8mm的COMS数组之上；图像区0.4´14mm=0.02"´ 0.55"；图像数组8´280=2240象素；象素尺寸50µm´50µm=500 dpi；象素时钟高达2MHz，1780frame/s；工作电压3V～5.5V；功耗20mW；20脚DIP陶瓷或COB（Chip-on-Board）封装；耐磨损>1´106次滑动操作；ESD静电防护>16kV；工作温度范围0°C～+70°C。
FCD4B14可广泛应用于：PDA、手机通路、 访问、 入门控制、数据保护；附加在笔记本计算机、PC上、入门控制、数据保护、电子商务；PIN码交换；ATM、POS机指纹识别；建筑物出入口控制；汽车、家庭等电子锁等领域。
二、引脚功能
FCD4B14有20脚DIP陶瓷或COB（Chip-on-Board）两种封装形式，如图1和图2所示。引脚功能如表1所示。
FCD4B14的内部结构如图3所示。从图3可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。在传感数组中，当 280行中的某一行被选中时，被选择行的每一个象素的电信号传送到放大器（一次一列）放大。在有两列被同时选中时（奇数的和偶数的），两个特定的象素信息被传送到两个4位A/D转换器，两个象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。
传感器部分，每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化。整个时间从象素复位到预定的初始状态开始为止（这是一个时间的积分过程）。速度取决于焦热电层（pyroelectric layer）的灵敏度，在复位到积分时间结束之间的温度变化，和在积分时间的持续时间内，象素上的电荷被产生。
A/D转换器将象素的模拟信号转换为可以被微处理器使用的数字信号，重构8位的指纹图像。并行端口和USB接口的数据传输率为1MB/s，重构指纹图像最低需要500frame/s速率。两个4位ADC输出两个象素的内容，一次一个字节。
启动时序如图4所示，由以下步骤组成：
（1）设置RST为高；
（2）设置RST为低；
（3）发送4个时钟脉冲；
（4）发送1124个时钟脉冲读第一帧。
应当注意的是，第一帧不包含有关的资料，因为积分时间是不正确的。在采集每一帧资料之间复位不是必须的。
读一个字节数据，数据在时钟脉冲上升沿输出。在启动时序之后，对于每个时钟脉冲，引脚Do0-3和De0-3上都将输出新的字节。字节内容包含两个象素：在Do0-3上的4位为奇象素；在De0-3上的4位为偶象素。
输出资料时，输出使能OE引脚必须为低电平。当输出使能OE引脚为高电平时， Do0-3和De0-3都处于高阻状态。输出使能OE引脚可与微处理器直接连接，不需要附加电路。应注意的是：FCD4BI4芯片只能发送资料，不支持读/写模式。
从引脚AVE和AVO也可得到模拟信号。应注意的是：视频信号输出比相应的数字信号输出早一个时钟（因为A/D转换有一个时钟的延迟）。
象素次序，对于每一行的8个象素，1、3、5、7由Do0-3输出；2、4、6、8由De0-3输出。最高位为3，最低位为0。
附加在传感器的虚拟行作为一个特殊的模式用于检测第一个象素。所以，每一帧需要读出280个真实的行和一个虚拟的行数据。虚拟的行有4个字节，最初的两个字节具有固定的模式，后两个字节组包含温度信息。如表2所示。
序列111X0000 111X0000每一帧（ 1124个时钟）出现一次，所以常用作同步。
虚拟行第三个字节DB3和第四个字节DB4包含传感器的温度信息。在DB3的偶数半位元组nnnn能被用来测量芯片温度的增加或减少，即用来表示在同一个器件两次测量之间的差异。对于代码1111～0001表示绝对温标11.2～-11.2（每个代码差1.4绝对温标），0000表示小于绝对温标-16.8。
在手指与传感器之间的温度差很低的时候，图像对比度也低。通常使用温度稳定电路去增加手指与传感器之间的温度差代码，最少增加1.4绝对温标，以获得足够的对比度，来保证指纹的正确识别。
时间积分和时钟抖动（变化），FCD4B14对时钟抖动（变化）不很敏感。最重要的要求是规则的积分时间，以保证帧读取速率的稳定，从而获得一致的指纹图像片段。如果积分时间是不规则的，则各个帧的对比度将会发生变化。
在每一串1124个时钟之间可以设置等待时间，但每一帧总的读取时间要保持是规则的。等待时间往往被微处理器用来执行某些计算工作（例如检测是否有手指头等）。
电源管理，一些措施被用来减少电源消耗。FCD4B14具有睡眠模式，用以下方法可启动睡眠模式：
（1）设置RST端为高，使器件内部的模拟部分为低功耗状态；
（2）设置时钟PCLK端为高（或低），关闭整个数字部分；
（3）设置TPE端为低或断开TPP端，关闭温度稳定电路；
（4）设置OE端为高，迫使输出端为高阻状态。
在睡眠模式所有芯片内部的晶体管为关闭模式，仅有漏电流流过。
动态电流消耗，当时钟运行，数字部分也消耗电流。对于输出负载，推荐最大值为50pF。如果连接到USB芯片，运行速度为1MHz，FCD4B14在VCC端电流消耗小于7mA。
温度稳定电路电源消耗。当TPP端设置为1时，电流经TPP端流入。这个电流被内部的等效电阻和可能存在的外部电阻限制。在大多数时间内，TPP端为0，电流不流入TPP端。当图像对比度很低时（当在手指与传感器之间的温度差低于一个绝对温标时）, TPP端设置为1，电流经TPP端流入，在芯片中消耗功率，温度被提升，使图像对比度恢复，以获得足够的对比度，来保证指纹的正确识别。对于增加一个绝对温标的芯片温度所必需的时间取决于消耗功率，以及在传感器和环境之间硅传感器和热敏电阻的热容量。一般在芯片中消耗功率300mW，提升一个绝对温标的温度需要1s。
ATMEL公司提供相应的软件为用户开发产品提供支持。
参考文献
[1]. ATMEL Inc.FCD4B14 FingerChip™[Z].
http://www.atmel.com,2002.1
第一作者简介
黄智伟：南华大学电气工程学院副研究员/副教授.地址：湖南省衡阳市学院路南华大学南校区，（421001） 电话：0734-8282125
E-mail: fuzhi619@163.net
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关键词：指纹传感器；温度物理效应；集成电路；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生产的FingerChipTM系列指纹传感器芯片中的一种，CMOS工艺制造，不需要棱镜、光源等光学部分。FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构，为了捕捉到指纹，允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后，ATMEL公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8Bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。A/D转换器提供的数字信号适合于EPP并行端口、USB微控制器接口或直接与微处理器接口，可以很容易地在不同识别系统应用中。
FCD4B14具有如下特征：敏感层位于0.8mm的COMS数组之上；图像区0.4´14mm=0.02"´ 0.55"；图像数组8´280=2240象素；象素尺寸50µm´50µm=500 dpi；象素时钟高达2MHz，1780frame/s；工作电压3V～5.5V；功耗20mW；20脚DIP陶瓷或COB（Chip-on-Board）封装；耐磨损>1´106次滑动操作；ESD静电防护>16kV；工作温度范围0°C～+70°C。
FCD4B14可广泛应用于：PDA、手机通路、 访问、 入门控制、数据保护；附加在笔记本计算机、PC上、入门控制、数据保护、电子商务；PIN码交换；ATM、POS机指纹识别；建筑物出入口控制；汽车、家庭等电子锁等领域。
二、引脚功能
FCD4B14有20脚DIP陶瓷或COB（Chip-on-Board）两种封装形式，如图1和图2所示。引脚功能如表1所示。
FCD4B14的内部结构如图3所示。从图3可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。在传感数组中，当 280行中的某一行被选中时，被选择行的每一个象素的电信号传送到放大器（一次一列）放大。在有两列被同时选中时（奇数的和偶数的），两个特定的象素信息被传送到两个4位A/D转换器，两个象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。
传感器部分，每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化。整个时间从象素复位到预定的初始状态开始为止（这是一个时间的积分过程）。速度取决于焦热电层（pyroelectric layer）的灵敏度，在复位到积分时间结束之间的温度变化，和在积分时间的持续时间内，象素上的电荷被产生。
A/D转换器将象素的模拟信号转换为可以被微处理器使用的数字信号，重构8位的指纹图像。并行端口和USB接口的数据传输率为1MB/s，重构指纹图像最低需要500frame/s速率。两个4位ADC输出两个象素的内容，一次一个字节。
启动时序如图4所示，由以下步骤组成：
（1）设置RST为高；
（2）设置RST为低；
（3）发送4个时钟脉冲；
（4）发送1124个时钟脉冲读第一帧。
应当注意的是，第一帧不包含有关的资料，因为积分时间是不正确的。在采集每一帧资料之间复位不是必须的。
读一个字节数据，数据在时钟脉冲上升沿输出。在启动时序之后，对于每个时钟脉冲，引脚Do0-3和De0-3上都将输出新的字节。字节内容包含两个象素：在Do0-3上的4位为奇象素；在De0-3上的4位为偶象素。
输出资料时，输出使能OE引脚必须为低电平。当输出使能OE引脚为高电平时， Do0-3和De0-3都处于高阻状态。输出使能OE引脚可与微处理器直接连接，不需要附加电路。应注意的是：FCD4BI4芯片只能发送资料，不支持读/写模式。
从引脚AVE和AVO也可得到模拟信号。应注意的是：视频信号输出比相应的数字信号输出早一个时钟（因为A/D转换有一个时钟的延迟）。
象素次序，对于每一行的8个象素，1、3、5、7由Do0-3输出；2、4、6、8由De0-3输出。最高位为3，最低位为0。
附加在传感器的虚拟行作为一个特殊的模式用于检测第一个象素。所以，每一帧需要读出280个真实的行和一个虚拟的行数据。虚拟的行有4个字节，最初的两个字节具有固定的模式，后两个字节组包含温度信息。如表2所示。
序列111X0000 111X0000每一帧（ 1124个时钟）出现一次，所以常用作同步。
虚拟行第三个字节DB3和第四个字节DB4包含传感器的温度信息。在DB3的偶数半位元组nnnn能被用来测量芯片温度的增加或减少，即用来表示在同一个器件两次测量之间的差异。对于代码1111～0001表示绝对温标11.2～-11.2（每个代码差1.4绝对温标），0000表示小于绝对温标-16.8。
在手指与传感器之间的温度差很低的时候，图像对比度也低。通常使用温度稳定电路去增加手指与传感器之间的温度差代码，最少增加1.4绝对温标，以获得足够的对比度，来保证指纹的正确识别。
时间积分和时钟抖动（变化），FCD4B14对时钟抖动（变化）不很敏感。最重要的要求是规则的积分时间，以保证帧读取速率的稳定，从而获得一致的指纹图像片段。如果积分时间是不规则的，则各个帧的对比度将会发生变化。
在每一串1124个时钟之间可以设置等待时间，但每一帧总的读取时间要保持是规则的。等待时间往往被微处理器用来执行某些计算工作（例如检测是否有手指头等）。
电源管理，一些措施被用来减少电源消耗。FCD4B14具有睡眠模式，用以下方法可启动睡眠模式：
（1）设置RST端为高，使器件内部的模拟部分为低功耗状态；
（2）设置时钟PCLK端为高（或低），关闭整个数字部分；
（3）设置TPE端为低或断开TPP端，关闭温度稳定电路；
（4）设置OE端为高，迫使输出端为高阻状态。
在睡眠模式所有芯片内部的晶体管为关闭模式，仅有漏电流流过。
动态电流消耗，当时钟运行，数字部分也消耗电流。对于输出负载，推荐最大值为50pF。如果连接到USB芯片，运行速度为1MHz，FCD4B14在VCC端电流消耗小于7mA。
温度稳定电路电源消耗。当TPP端设置为1时，电流经TPP端流入。这个电流被内部的等效电阻和可能存在的外部电阻限制。在大多数时间内，TPP端为0，电流不流入TPP端。当图像对比度很低时（当在手指与传感器之间的温度差低于一个绝对温标时）, TPP端设置为1，电流经TPP端流入，在芯片中消耗功率，温度被提升，使图像对比度恢复，以获得足够的对比度，来保证指纹的正确识别。对于增加一个绝对温标的芯片温度所必需的时间取决于消耗功率，以及在传感器和环境之间硅传感器和热敏电阻的热容量。一般在芯片中消耗功率300mW，提升一个绝对温标的温度需要1s。
ATMEL公司提供相应的软件为用户开发产品提供支持。
参考文献
[1]. ATMEL Inc.FCD4B14 FingerChip™[Z].
http://www.atmel.com,2002.1
第一作者简介
黄智伟：南华大学电气工程学院副研究员/副教授.地址：湖南省衡阳市学院路南华大学南校区，（421001） 电话：0734-8282125
E-mail: fuzhi619@163.net
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