矽晶片感測

矽晶片感測器的應用在光學感測系統的攝影機中早已出現，但由於感測器 和手指之間使用了棱鏡利用光學原理成像感測，產生了一些無可避免的缺點，

於是現在興起了一股趨勢，將手指和感測器之間的光學設備移除，手指直接碰 觸矽晶片的表面來感測指紋，感測器並在表面覆蓋一層適當的外層以保護矽晶 片。

目前可取得的矽晶片感測器清一色是陣列式感測器，利用一個轉換器將陣 列感應到的生理資訊轉換成電壓或電流。由於 CMOS 技術已經成熟，所以不但成 本價格低，與各種系統的整合也相當容易，是矽晶片感測器的最大優勢所在。

矽晶片感測技術有以下三種：壓力式感測(Pressure)、電容式感測

（Capacitance）和溫度感測(Thermal)。

圖 2.4 三種矽晶片感測技術[4]

2.4.1 壓力式感測

壓力式感測為較舊的方法之一，當手指放上感測器表面時，手指會給感測 器一個壓力，而當手指離開感測器後，壓力便會消失，感測器便利用這個壓差 來產生電流或電壓的變化，壓差大的代表紋脊，壓差小的代表紋溝，其結構如 下圖所示:

圖 2.5 壓力式感測晶片剖面圖[6]

圖 2.5 中 的 編 號 11 為 晶 片 的 基 座 (Substrate) ， 13 為 多 晶 矽 (Polysilicon)，12 為阻隔多晶矽與基座的絕緣層，利用多晶矽與基座形成等

效電容。當手指壓在晶片上時，紋脊會將多晶矽所形成的薄膜向下壓，導致多 晶矽與基座間的距離有所改變，藉此達到紋脊與紋溝所感應的等效電容不同，

輸出的電壓或電流也會不同。雖然壓電材料已經問世多年，但是敏感度並不佳，

若是在晶片外面再加上保護外層，感測出來的指紋影像通常是模糊不清。

2.4.2 溫度感測(Thermal)

熱電材料具有可將溫度差轉換成電流的特性，當手指放上感測器時，紋脊 處由於與感測器表面接觸，使得表面溫度改變，於是便產生電流，紋溝處因不 會與感測器接觸，該處的溫度不會改變，所以不會產生電流，藉由電流的有無，

感測器便可將指紋感測出來。這種技術最大的缺點在於手指與晶片達到熱平衡 的速度極快，因此感測器的擷取速度不能太慢，要在熱平衡之前就把指紋影像 擷取下來。此外，使用環境的溫度變化也會影響感測的結果。

圖 2.6 溫度感測示意圖[2]

2.4.3 電容式感測(Capacitance)

電容式感測為目前最普遍的指紋晶片方法之一，將感測器不斷地充電，由 於電容量和距離成反比，當手指放到感測器上時，紋脊與感測器接觸的部份會

高溫 低溫

高溫 高溫

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有較大的電容量，紋溝的部份電容量則較小，感測器由電容量的大小即可感測 出指紋影像。然而電容式感測器有個重大的缺失，其缺失乃是由於外在環境濕 度的變化會影響電容感應的靈敏度，造成輸出結果的誤差。

圖 2.7 電容式指紋晶片示意圖