一种基于TFT薄膜晶体管的指纹采集装置的制作方法

一种基于tft薄膜晶体管的指纹采集装置
技术领域
1.本实用新型属于生物特征识别技术领域，具体说是一种包含单指平面采集、单指三面捺印采集，双指平面采集、四指平面采集多种工作模式的基于tft薄膜晶体管的指纹采集装置。


背景技术：

2.传统的三面捺印指纹采集装置由光源、棱镜、透镜、图像传感器以及控制部件构成。其原理为，当手指接触棱镜表面时，光源的光透过棱镜照射到接触棱镜的手指。指纹凹陷处与棱镜未发生接触，将发生全反射；指纹凸起处于棱镜发生接触，发生散射，由此生成一副高对比的黑白图像，单指指纹的采集窗口尺寸应大于34.4mm
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34.4mm，四连指和拇指的采集窗口尺寸应大于83.1mm
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78.1mm。传统的三面捺印指纹采集装置由于采用棱镜等光学系统，传统的指纹采集装置体积较大、重量较大、对干手指成像模糊，而且光学系统很容易受到外界强光，导致采集图像质量下降。


技术实现要素：

3.本实用新型目的是为了解决所述的问题点，提供一种基于tft薄膜晶体管，且具有薄型、大采集面积结构，且指纹图像质量不受外界强光、不会出现干手指现象的影响，且分辨率达到500dpi以上，可识别指纹汗孔的指纹采集装置。
4.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于tft薄膜晶体管的指纹采集装置，包括：传感器组件、处理器模块以及与处理器模块连接的通信模块、传感器驱动模块、传感器读取模块以及存储模块；
5.所述处理器模块通过通信模块与上位机连接；所述处理器模块通过传感器驱动模块与传感器组件连接，所述传感器组件通过传感器读取模块与处理器模块连接。
6.所述处理器模块为soc芯片。
7.所述传感器驱动模块为多通道的栅级驱动器，输入端与处理器模块连接，输出端与传感器组件连接。
8.所述传感器组件，包括：从上至下依次设置的玻璃层、tft感光层以及背光源层；
9.所述tft感光层上设有tft感光单元；背光源层内设有背光源；
10.所述tft感光单元通过驱动接口与传感器驱动模块连接，且通过读取接口与传感器读取模块连接。
11.所述tft感光单元有多个，且多个tft感光单元相互并联，并联后的tft感光单元分别与传感器驱动模块、传感器读取模块连接。
12.所述tft感光单元以阵列形式排列，形成tft感光阵列，且任意相邻两个tft感光单元的间距相等。
13.所述背光源包括：多个串联的背光灯，所述背光灯依次排列，且背光源的每个背光灯与所述tft感光单元交错设置。
14.所述背光灯发出的光线通过tft感光层中与其对应的两个相邻tft感光单元之间的空隙。
15.所述玻璃层、tft感光层以及背光源层依次贴合。
16.所述tft感光层为玻璃板。
17.本实用新型具有以下有益效果及优点：
18.1.本实用新型通过传感器组件、电路的小型集约化设计，提供一种超薄、轻便的指纹仪采集设备，避免了传统指纹采集仪体积大、重量大、受干手指影响大的弊端，导致设备无法移动便携，无法与手机等便携终端无缝连接的状态；
19.2.本实用新型具有体积小、重量轻、可随身便携、性能稳定、可靠性强的特点。
附图说明
20.图1本实用新型提出的指纹采集装置的传感器结构示意图；
21.其中，1为玻璃层，2为tft感光层，3为背光源层，4为tft感光单元，5为背光源；
22.图2本实用新型的指纹采集装置硬件构架示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
24.如图1所示，本实用新型提出的指纹采集装置的传感器组件，包括：从上至下依次设置的玻璃层1、tft感光层2以及背光源层3；
25.玻璃层1：提供手指与传感器的接触介质，防止tft的感光阵列中光电信号与人体接触。
26.tft感光层2上设有tft感光单元4，tft感光单元4依据外界反射光的数量，实现感光成像；背光源层3内设有背光源5，提供外界反射光的光源；
27.tft感光单元4通过驱动接口与传感器驱动模块连接，且通过读取接口与传感器读取模块连接。
28.tft感光单元4有多个，且多个tft感光单元4相互并联，并联后的tft感光单元4分别与传感器驱动模块、传感器读取模块连接。
29.tft感光单元4以阵列形式排列，形成tft感光阵列，且任意相邻两个tft感光单元4的间距相等。tft感光单元4为tft传感器，tft传感器为现有技术。
30.背光源5包括多个串联的背光灯，所述背光灯依次排列，且背光源5的每个背光灯与所述tft感光单元4交错设置。
31.背光灯发出的光线通过tft感光层2中与其对应的两个相邻tft感光单元4之间的空隙。
32.玻璃层1、tft感光层2及背光源层3依次贴合。tft感光层2为玻璃板。
33.如图2所示，本实用新型提出的指纹采集装置硬件构架由电源模块，处理器模块、传感器组件、传感器驱动模块、传感器读取模块、存储模块、通信模块组成。
34.电源模块：通过usb模块获取输入电压5v，进行稳压转换后，为处理器模块、传感器组件、传感器驱动模块、传感器读取模块、存储模块、通信模块提供5v、3.3v、1.8v、1.5v、1.3v电源，保证指纹采集装置正常工作。
35.处理器模块控制整个指纹采集装置的核心模块，它接受用户可动态配置的通讯协议，根据得到的配置信息对数据进行相应的采集、拼接、处理和分发。
36.处理器模块：是指纹采集装置的核心模块，它包括soc芯片以及处理器模块周边电路。soc芯片为zynq-7000s系列芯片，集成了一个arm9内核arm处理器核心和一个fpga，将软件可编程的硬核处理器与硬件可编程的fpga集成在一个芯片中,保证了整体电路结构的小型、轻薄化。处理器模块与电源模块，传感器驱动模块、传感器读取模块、存储模块、通信模块连接。电源模块为处理器模块提供工作电压。处理器模块连接传感器读取模块，为传感器读取模块提供驱动信号指令；连接传感器读取模块，获取传感器读取模块输出的图像信号；连接存储模块，对预处理图像信号进行缓存；连接通讯模块，控制usb电路完成输入、输出，从上位机获取用于控制逻辑的指令(接受用户可动态配置的通讯协议，根据得到的配置信息触发传感器进行单指平面采集、单指三面捺印采集，双指平面采集等)，向上位机发送图像及参数。soc芯片中fpga单元主要负责对传感器驱动模块、传感器读取模块、存储模块的驱动和读写，mcu单元负责驱动通讯模块，并对图像进行分割、滤波、增强、二值化、去噪、特征点提取、图像拼接等。
37.传感器组件是指纹采集装置的核心模块，与电源模块、传感器驱动模块、传感器读取模块连接。电源模块为其提供电源保障，传感器驱动模块可驱动传感器模块正常工作，传感器读取模块获取传感器生成的图像。传感器组件由玻璃层1、基于tft的感光阵列、背光源组成，三者紧紧贴合在一起。具有电源接口、驱动接口、读取接口。传感器组件的电源接口与电源模块连接，传感器组件的驱动接口与传感器驱动模块连接，传感器组件的读取接口与传感器读取模块连接。
38.基于光的全反射原理，背光源的光线透过玻璃层1垂直照射到压有指纹的玻璃层1，若射到指纹谷的地方，则在玻璃与空气的界面发生全反射；若射到指纹脊的地方，则被脊与玻璃的接触面吸收或漫反射到别的地方，最后由紧贴合玻璃层1的tft的感光阵列获取反射光线，反射光的数量依赖于压在玻璃层1指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分，这样就在tft的感光阵列上形成了指纹的图像。由于传感器的玻璃层1、基于tft的感光阵列、背光源紧紧贴合在一起，避免了传统棱镜光学系统折射、ccd清晰成像的光程要求等限制，实现了传感器结构的小型、轻薄化。
39.传感器驱动模块是使能并驱动传感器正常工作的模块。采用的gate ic芯片为hx8695-b01。hx8695-b01是提供800/768/720多通道的栅级驱动器，用于驱动指纹识别传感器中tft模组，提供高达200khz的操作频率，保证传感器可及时响应处理器模块的指令。指纹识别传感器栅级总数若高于800通道，可并行扩展。hx8695-b01选择cog/cof封装工艺，也保证了整个电路的小型、轻薄化。
40.传感器读取模块是指纹识别传感器的ro ic(readout ic)电路，用于获取指纹识别传感器生成的指纹图像。ro ic电路使用tl5109sr作为核心器件，tl5109sr芯片具有256个通道的adc阵列，将基于tft薄膜晶体管的指纹识别传感器的电流转换为电压信号，且提供信号增益，以便于更好地区分信号与噪音，获得最大化信噪比。ro ic单片芯片可一次读取指纹识别传感器256个通道的数据，指纹识别传感器输出通道若高于256个通道，可并行扩展。提供高达4mhz的快速数据传输速度，保证处理器模块快速获取传感器图像，保证每秒达到10帧以上的图像采集。
41.通讯模块，包括usb转接驱动器、usb pd-phy和cc逻辑控制器。usb转接驱动器，芯片为ptn38003a，是有源信号再生器，利用均衡器和放大器来重塑旁通信号，以消除抖动并重新打开差分信号眼，实现更长信道的传输并降低误码率。usb pd-phy和cc逻辑控制器提供usb数据链接，usb pd-phy芯片为ptn5110，usb type-c，cc逻辑控制器芯片为ptn5150ahx。usb协议的传输可能收到外界环境的干扰，传输速度存在较大波动。
42.通讯模块还可以采用从主机到设备或从设备到主机的电源。通讯模块既支持与pc usb通讯，也支持与安卓手机usb接口通讯，且支持安卓手机usb接口供电。
43.存储模块，包含spi flash和ddr3两块存储芯片。spi flash用于存储固件程序，以及为硬件的程序更新提供存储单元；ddr3用于采集图像的缓存。
44.处理器模块通过传感器读取模块将数据读入处理器模块自身的内部存储器，并将数据存储于ddr3存储器单元实现缓存。处理器模块对实时读取的图像实现分割、滤波、增强、二值化、去噪、特征点提取，存储为“最近的一帧采集图片”。soc读取自身的内部存储器中“最近一帧拼接图片”，将“最近的一帧采集图片”与“最近的一帧拼接图片”进行拼接，生成拼接图，再将拼接图存入soc自身的内部存储器，并定义为“最近的一帧拼接图片”。按以上方法，递归遍历实时采集的所有图像，实现实时拼接。全部拼接完成后，soc读取自身的内部存储器中“拼接完成图片”，发送至ddr3存储器，数据缓存。soc读取ddr3存储器数据，按usb协议发送至通讯模块，由通讯模块与上位机进行数据交互。usb协议的传输可能收到外界环境的干扰，传输速度存在较大波动。ddr3存储器主要起到缓存的作用，保证数据传输的可靠，若soc自身存在较大存储空间，可省略ddr3存储器单元。
45.本实用新型的工作原理如下：
46.如图1所示，手机接触传感器组件的玻璃层上，传感器组件的背光源层3的背光源5的光线透过tft感光层2(玻璃板)垂直照射到压有指纹的玻璃层1，即玻璃表面，若射到指纹谷的地方，则在玻璃与空气的界面发生全反射；若射到指纹脊的地方，则被脊与玻璃的接触面吸收或漫反射到别的地方，由紧贴合玻璃层1的tft的感光阵列获取反射光线，反射光的数量依赖于压在玻璃层1指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分，这样就在tft的感光阵列上形成了指纹的图像。
47.如图2所示，处理器模块通过传感器读取模块将数据读入处理器模块自身的内部存储器，并将数据存储于存储模块实现缓存。处理器模块对实时读取的图像进行处理并存储；递归遍历实时采集的所有图像，实现实时拼接。全部拼接完成后，处理器模块读取自身的内部存储器中处理后的图像，并发送至存储模块缓存。处理器模块读取存储模块，按usb协议发送至通讯模块，由通讯模块与上位机进行数据交互。