Технология датчика отпечатков пальцев, которая в настоящее время используется в смартфонах, таких как iPhone 6, создает двумерное изображение поверхности пальца, которое можно довольно легко подделать с помощью распечатанного изображения отпечатка пальца. Недавно разработанный ультразвуковой датчик устраняет этот риск, визуализируя гребни и впадины на поверхности отпечатка пальца и ткани под ним в трех измерениях.
«Использование паролей для смартфонов было большой проблемой безопасности, поэтому мы ожидали, что впереди будет биометрическое решение», — сказал Дэвид А. Хорсли, профессор механической и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Дэвисе. Он является директором Центра датчиков и приводов в Беркли, который расположен в кампусах Калифорнийского университета в Дэвисе и Калифорнийского университета в Беркли, и под руководством профессора Бернхарда Бозера из Калифорнийского университета в Беркли.«После того, как Apple анонсировала датчик отпечатков пальцев в своем новом iPhone в 2013 году, было неизбежно, что последуют другие», — сказал Хорсли. На этой неделе он и его коллеги описывают свою новую технологию в статье, появившейся на обложке журнала Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Истоки новой технологии начали сходиться в 2007 году, когда команды Центра датчиков и исполнительных механизмов Беркли объединились, чтобы начать исследования в области пьезоэлектрических микромашинных ультразвуковых преобразователей (PMUT).«Мы разработали массивы PMUT, а также специализированную интегральную схему (ASIC) и вспомогательную электронику», — сказал Хорсли. «Наша работа была настолько успешной, что в 2013 году мы выделили Chirp Microsystems, чтобы коммерциализировать ее». Незадолго до этого, в 2011 году, исследуя другие возможности использования своей технологии PMUT, они быстро поняли, что считывание отпечатков пальцев идеально подходит.«К счастью, мы набрали группу выдающихся студентов, чтобы реализовать наше видение, а также партнеров в отрасли — наших соавторов в InvenSense Inc. и нескольких других компаниях, — которые профинансировали работу и создали наши проекты», — сказал Хорсли сказал.
Основные концепции, лежащие в основе технологии исследователей, схожи с концепциями медицинской ультразвуковой визуализации. Они создали крошечный ультразвуковой сканер, предназначенный для наблюдения только за неглубоким слоем ткани у поверхности пальца. «Ультразвуковые изображения собираются так же, как и медицинское УЗИ», — сказал Хорсли. «Датчики на поверхности чипа излучают импульс ультразвука, и эти же датчики принимают эхо, возвращающееся от выступов и впадин на поверхности вашего отпечатка пальца».В основе ультразвукового датчика лежит набор ультразвуковых устройств MEMS с очень однородными характеристиками и, следовательно, очень похожими частотными характеристиками.Для изготовления своего имидж-сканера группа использовала существующие технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые используются смартфонами для таких функций, как микрофоны и направленная ориентация.
Они использовали модифицированную версию производственного процесса, используемого для изготовления акселерометра и гироскопа MEMS, которые используются в iPhone и многих других устройствах бытовой электроники.«Наш чип изготовлен из двух пластин — пластины МЭМС, содержащей ультразвуковые преобразователи, и пластины КМОП, содержащей схемы обработки сигналов», — пояснил Хорсли. «Эти пластины соединяются вместе, а затем пластина MEMS« утончается », чтобы обнажить ультразвуковые преобразователи». (КМОП, или дополнительный металл-оксид-полупроводник, представляет собой кремниевую технологию, используемую для изготовления транзисторов в микрочипах.)Группа Хорсли рассматривает ультразвук как следующий рубеж для технологии МЭМС. «Поскольку мы смогли использовать недорогие, массовые производственные процессы, в результате которых ежегодно производятся сотни миллионов датчиков MEMS для бытовой электроники, наши ультразвуковые чипы могут изготавливаться с чрезвычайно низкими затратами», — сказал он.Тепловизор питается от источника питания 1,8 В с помощью энергоэффективного зарядного насоса на их ASIC или интегральных схемах для конкретных приложений. «Наши ультразвуковые преобразователи обладают высокой чувствительностью, а электроника приемника расположена непосредственно под решеткой, что снижает паразитные электрические параметры», — отметил Хорсли. «Использование низковольтных интегральных схем снизит стоимость нашего датчика и откроет множество новых приложений, в которых стоимость, размер и энергопотребление существующих ультразвуковых датчиков в настоящее время непомерно высоки».
По словам Хорсли, в области биометрии и информационной безопасности работа группы особенно важна. «Наши ультразвуковые датчики отпечатков пальцев способны измерять трехмерное объемное изображение поверхности пальца и тканей под поверхностью, что делает датчики отпечатков пальцев более надежными и безопасными».Ожидается, что помимо биометрии и обеспечения информационной безопасности, новая технология найдет множество других применений, в том числе «недорогой ультразвуковой инструмент в качестве медицинского диагностического инструмента или для личного мониторинга здоровья», — добавил он.
Группа также создала массивы ультразвуковых устройств MEMS с очень однородными характеристиками, что позволило им убедиться, что PMUT имеют очень похожие характеристики частотной характеристики.