指纹传感器和包括指纹传感器的系统.pdf

公开了访问控制系统和指纹传感系统的各个实施例。经授权人员的一个或多个指纹和角度位置序列一起被记录在指纹数据库中。随后，经授权人员可根据角度位置的序列通过扫描经授权人员的手指或多个手指获得对受保护项目的访问权。还公开了用于确定传感器上的手指的角度位置的指纹传感器的各个实施例。

权利要求书一种操作访问控制系统的方法，所述方法包括：
记录对应于特定的经授权人员的一个或多个手指的指纹数据；
记录所述特定的经授权人员的手指位置序列；
从指纹传感器接收一系列的指纹信号；
确定对应于系列中按次序的所述指纹信号的角度位置序列；
确定所述指纹信号中的每一个是否与所记录的指纹数据对应；
确定所述角度位置序列是否与所记录的手指位置序列对应；以及
如果所述指纹信号与所述所记录的指纹数据对应并且所述角度位置序列与所记录的指纹位置序列对应，则提供授权信号。
根据权利要求1所述的方法，其中所述授权信号包括经授权人员的识别号。
根据权利要求1所述的方法，其中所述手指位置序列由所述经授权人员指定。
根据权利要求1所述的方法，其中所述指纹数据与指纹传感器上在多个角度位置定位的所述经授权人员的一个或多个手指对应。
根据权利要求1所述的方法，其中所述指纹数据与标准方向中的所述经授权人员的一个或多个指纹对应。
根据权利要求1所述的方法，其中所述指纹数据和所述特定的经授权人员的所述手指位置序列被记录在指纹数据库中的经授权人员记录中，所述指纹数据库包含多个经授权人员的经授权人员记录。
根据权利要求6所述的方法，包括在提供所述授权信号之前，需要所述特定的经授权人员识别其自己。
一种操作访问控制系统的方法，所述方法包括：
记录对应于指纹传感器上在多个角度旋转的特定的经授权人员的一个或多个手指的指纹数据；
记录所述特定的经授权人员的角度手指位置序列；
从指纹传感器接收一系列的指纹信号；以及
如果所述指纹信号中的每一个与所记录的指纹数据对应且与角度手指位置序列对应，则提供授权信号。
根据权利要求8所述的方法，其中所述授权信号包括所述特定的经授权人员的识别号。
根据权利要求8所述的方法，其中手指位置序列由所述特定的经授权人员指定。
根据权利要求8所述的方法，其中所述指纹数据和所述特定的经授权人员的所述手指位置序列被记录在指纹数据库中的经授权人员记录中，所述指纹数据库包含多个经授权人员的经授权人员记录。
根据权利要求11所述的方法，包括在提供所述授权信号之前，需要所述特定的经授权人员识别其自己。
一种操作指纹传感系统的方法，所述方法包括：
提供具有传感器管芯和边框的指纹传感器，其中边框具有多个驱动信号注入点；
将驱动信号注入所述驱动信号注入点中的每一个；
从所述指纹传感器接收指纹信号，其中所述指纹信号与所述驱动信号中的至少一个对应；以及
确定所述驱动信号或多个驱动信号与哪个所述指纹信号对应。
根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动信号注入点围绕所述边框间隔。
根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动信号注入点位于围绕所述边框的各个角度位置处。
根据权利要求13所述的方法，还包括改变某些或所有的所述驱动信号的大小以控制所述指纹信号的信噪比。
根据权利要求13所述的方法，还包括改变某些或所有的所述驱动信号的大小以控制从所述指纹信号获得的指纹图像中的线和间隔。
根据权利要求13至17中的任一项所述的方法，还包括确定在所述指纹传感器上定位的手指的角度方向。
根据权利要求13所述的方法，还包括重复接收指纹信号和确定所述驱动信号或多个驱动信号与哪个所述指纹信号对应的步骤，以及进一步包括记录对应于所接收的指纹信号的驱动信号序列。
根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动信号彼此不同。
根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动信号具有在时间上不同的活动阶段和非活动阶段。
根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动信号具有不同形状，每个驱动信号能够与其他驱动信号区分。
一种指纹传感系统，所述系统包括：
指纹传感器，其具有：
边框，所述边框具有多个信号注入点；以及
传感器管芯，所述传感器管芯与所述边框电绝缘；以及
控制器，所述控制器耦合至所述指纹传感器以接收指纹信号，其中所述控制器包括：
多个驱动信号块，其中每个驱动信号块耦合至对应的信号注入点以将驱动信号注入到所述对应的信号注入点。
根据权利要求23所述的系统，其中边框和传感器管芯被定位以允许所述驱动信号中的每一个通过与所述对应的驱动信号注入点和所述传感器管芯接触的手指耦合至所述传感器管芯。
根据权利要求23所述的系统，其中每个驱动信号是唯一的。
根据权利要求23或25所述的系统，其中所述驱动信号中的每一个具有活动阶段和非活动阶段，其中在任意特定时刻只有一个驱动信号处于活动阶段。
根据权利要求23所述的系统，其中所述控制器和所述指纹传感器通过有线通信链路耦合。
根据权利要求23所述的系统，其中所述控制器和所述指纹传感器通过无线通信链路耦合。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框由导电金属形成。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框由导电金属形成，所述导电金属选自导电塑料和金属。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框是连续边框。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框是连续边框，并且其中所述边框至少在某些相邻的信号注入点之间接地。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框是由多个边框段形成的分段的边框，并且其中至少某些信号注入点被设置在不同的边框段上。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框是由多个边框段形成的分段的边框，并且其中至少某些信号注入点被设置在不同的边框段上。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框至少在某些相邻的信号注入点之间接地。
根据权利要求23所述的系统，其中所述边框是分段的边框，并且其中每个信号注入点被设置在不同的边框段上。
一种访问控制系统，所述系统包括：
指纹传感器；
控制器，所述控制器耦合至所述指纹传感器；以及
指纹数据库，所述指纹数据库耦合至所述控制器，其中所述指纹数据库包括多个经授权人员记录，所述经授权人员记录中的每一个包含对应于经授权人员和经授权角度序列的指纹数据。
根据权利要求37所述的系统，其中所述指纹数据包括对应于所述指纹传感器上在多个角度位置定位的一个或多个特定的经授权人员指纹的数据。

说明书指纹传感器和包括指纹传感器的系统
技术领域
所描述的实施例涉及指纹传感器，以及涉及包括指纹传感器的系统。
背景技术
各种安全系统需要使用生物识别系统来为经授权人员提供对产品、位置或服务的访问权或认证经授权人员在特定位置的存在。例如，安全锁可被配置成当核准的指纹在指纹扫描仪处扫描时被解锁。某些人员跟踪系统需要经授权人员在指纹扫描仪扫描核准的指纹，以证明经授权人员出现在指纹扫描仪的位置。使用用于识别经授权人员的生物特征（例如，指纹）的优点在于，经授权人员被明确地识别。其他人通常不共享相同的生物特征。根据扫描仪的性质，经授权人员有可能存在以二维或三维副本形式（例如，图像或模型或断指的一部分）的核准的指纹。指纹本质上是人的永久特征。能够提供经授权指纹的非授权人员只有通过取消授权指纹才可被阻止获得访问权。
某些安全系统通过使用密码（例如，密码或手势的序列）来避免使用经授权人员的不可变的生物特征带来的问题。密码可由经授权人员发行使用，并且在人不再需要被授权或需要新的密码时可被取消或替换。此外，密码的优点在于，它可被人记住或以其他方式记录，但不是不可变的物理特征。密码可按需改变。然而，密码遭受这样的问题：它们可被非授权人员利用键盘记录器、照相机窃取或猜出。密码还可因为粗心或疏忽而被透露给非授权人员。
发明内容
需要提供安全系统和方法，该系统和方法既具有通过使用生物特征提供的确定的识别又具有通过使用密码提供的灵活性。以下描述的实施例提供这样的系统和方法，从而允许明确地识别非授权人员，同时也需要经授权人员输入或键入密码以获得访问权或认证非授权人员在一个位置处的存在。
在第一方面，某些实施例提供指纹传感系统，包括：指纹传感器和控制器，所述指纹传感器具有：传感器管芯；耦合至传感器管芯的管芯连接层；以及两个或多个驱动信号注入点，其中，每个信号注入点与传感器管芯电隔离；所述控制器耦合至驱动信号注入点和管芯连接层，驱动信号注入点用于将驱动信号注入每个驱动信号注入点，管芯连接层用于从管芯传感器接收指纹信号，其中指纹信号不对应于所有驱动信号。
在某些实施例中，指纹传感器包括边框并且其中驱动信号注入点位于边框上。
在某些实施例中，信号注入点在至少部分地环绕传感器的连续边框中形成，使得手指可被定位成与传感器管芯和信号注入点中的一个接触，以将来自信号注入点的驱动信号耦合至传感器管芯。
在某些实施例中，边框在相邻的信号注入点之间接地。
在某些实施例中，系统进一步包括分段的边框，分段的边框具有互相电隔离的边框段，其中每个边框段包括单一信号注入点并且当手指被定位成与传感器管芯和一个边框段都接触时，驱动信号从边框段被耦合至传感器管芯。
在某些实施例中，控制器被配置成确定对应于指纹信号的角度。
在某些实施例中，该角度与一个或多个驱动信号注入点的位置对应。
在某些实施例中，指纹信号与驱动信号中的一个对应。
在某些实施例中，边框包括对应于驱动信号注入点位置的手指定位向导（guides）。
在另一方面，某些实施例提供一种授权行为（action）的方法，该方法包括：提供多个认证序列（其中每个认证序列包括：经授权人员标识符；两个或多个按次序的角度位置）；提供多个经授权人员记录（其中每个人员记录包括：人员记录标识符；以及指纹记录；两个或多个按次序的角度位置）；感测指纹；通过将感测的指纹与一个或多个人员记录中的指纹记录相比较来识别人；确定角度指纹位置同时感测指纹；至少一次重复感测、识别和确定的步骤，针对每次重复，记录每次重复的经识别的人和经识别的人的角度位置，以及如果在每次重复中的经识别的人与经授权人员对应并且所记录的角度位置序列与相同的经授权人员对应，则授权该行为。
在各个实施例中，指纹传感系统和访问控制系统可在低功率正常工作模式下操作。在某些实施例中，该系统可与其他访问控制和认证系统（例如，磁或RFID的卡和标签）结合。
在另一方面，某些实施例提供一种操作访问控制系统的方法，该方法包括：记录对应于特定经授权人员的一个或多个手指的指纹数据；记录特定经授权人员的指纹位置序列；从指纹传感器接收一系列指纹信号；确定对应于该系列中按次序的指纹信号的角度位置序列；确定指纹信号中的每一个是否与所记录的指纹数据对应；确定角度位置序列是否与所记录的手指位置序列对应；以及如果指纹信号与所记录的指纹数据对应并且角度位置序列与所记录的指纹位置序列对应，则提供授权信号。
在某些实施例中，授权信号包括经授权人员的识别号。
在某些实施例中，手指位置序列由经授权人员指定。
在某些实施例中，指纹数据与在指纹传感器上的多个角度位置定位的经授权人员的一个或多个手指对应。
在某些实施例中，指纹数据与标准方向上的经授权人员的一个或多个指纹对应。
在某些实施例中，指纹数据和特定的经授权人员的手指位置的序列被记录在指纹数据库中的经授权人员记录中，指纹数据库包括多个经授权人员的经授权人员记录。
在某些实施例中，该方法包括在提供授权信号之前需要特定的经授权人员识别其自己。
在另一方面，某些实施例提供一种操作访问控制系统的方法，该方法包括：记录对应于指纹传感器上在多种角度处旋转的特定的经授权人员的一个或多个手指的指纹数据；记录特定的经授权人员的角度手指位置的序列；从指纹传感器接收一系列的指纹信号；以及如果指纹信号中的每一个与所记录的指纹数据对应且与角度手指位置的序列对应，则提供授权信号。
在某些实施例中，授权信号包括特定的经授权人员的识别号。
在某些实施例中，手指位置的序列由特定的经授权人员指定。
在某些实施例中，指纹数据和特定的经授权人员的手指位置的序列被记录在指纹数据库中的经授权人员记录中，指纹数据库包括多个经授权人员的经授权人员记录。
在某些实施例中，该方法包括在提供授权信号之前需要特定的经授权人员识别其自己。
在另一方面，某些实施例提供一种操作指纹传感系统的方法，该方法包括：提供具有传感器管芯和边框的指纹传感器，其中边框具有多个驱动信号注入点；将驱动信号注入驱动信号注入点的每一个中；从指纹传感器接收指纹信号，其中指纹信号与驱动信号中的至少一个对应；以及确定驱动信号或多个驱动信号与哪个指纹信号对应。
在某些实施例中，驱动信号注入点围绕边框间隔。
在某些实施例中，驱动信号注入点位于围绕边框的各个角度位置处。
在某些实施例中，该方法包括改变某些或所有驱动信号的大小以控制指纹信号的信噪比。
在某些实施例中，该方法包括改变某些或所有驱动信号的大小以控制从指纹信号获得的指纹图像中的线（lines）和间隔（gaps）。
在某些实施例中，该方法包括确定在指纹传感器上定位的手指的角度方向。
在某些实施例中，该方法包括重复接收指纹信号和确定驱动信号或多个驱动信号与哪个指纹信号对应的步骤，以及进一步包括记录对应于所接收的指纹信号的驱动信号的序列。
在某些实施例中，驱动信号彼此不同。
在某些实施例中，驱动信号具有时间上不同的活动阶段（active phase）和非活动阶段（inactive phase）。
在某些实施例中，驱动信号具有不同形状，每个驱动信号与其他驱动信号是可区分的。
在另一方面，某些实施例提供指纹传感系统，包括：指纹传感器和控制器，该指纹传感器具有：边框，该边框具有多个信号注入点；传感器管芯，该传感器管芯与边框电绝缘；该控制器耦合至指纹传感器以接收指纹信号，其中控制器包括：多个驱动信号块，其中每个驱动信号块耦合至对应的信号注入点以将驱动信号注入到对应的信号注入点。
在某些实施例中，该边框和传感器管芯被定位以允许驱动信号中的每一个通过与对应的驱动信号注入点和传感器管芯接触的手指被耦合至传感器管芯。
在某些实施例中，每个驱动信号是唯一的。
在某些实施例中，驱动信号中的每一个具有活动阶段和非活动阶段，其中在任意特定时刻只有一个驱动信号处于活动阶段。
在某些实施例中，控制器和指纹传感器通过有线通信链路耦合。
在某些实施例中，控制器和指纹传感器通过无线通信链路耦合。
在某些实施例中，边框由导电材料形成。
在某些实施例中，边框由导电材料形成，该导电材料选自导电塑料和金属。
在一些实施例中，边框是连续的边框。
在某些实施例中，边框是连续边框，并且其中该边框至少在某些相邻的信号注入点之间接地。
在某些实施例中，边框是由多个边框段形成的分段的边框，并且其中至少某些信号注入点被设置在不同的边框段上。
在某些实施例中，边框是由多个边框段形成的分段的边框，并且其中至少某些信号注入点被设置在不同的边框段上。
在某些实施例中，边框至少在某些相邻的信号注入点之间接地。
在某些实施例中，边框是分段的边框，并且其中每个信号注入点被设置在不同的边框段上。
在另一方面，某些实施例提供一种访问控制系统，包括：指纹传感器；控制器，该控制器耦合至指纹传感器；以及指纹数据库，该指纹数据库耦合至控制器，其中，该指纹数据库包括多个经授权人员记录，每个经授权人员记录包含对应于经授权人员和经授权角度序列的指纹数据。
在某些实施例中，指纹数据包括对应于指纹传感器上在多个角度位置处定位的特定的经授权人员的一个或多个指纹的指纹数据。
以下将讨论本发明的这些和其他方面。
附图说明
现参照附图详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1为指纹传感系统的局部剖视图；
图2为图1的系统的另一视图；
图3为示出了图1的系统中的某些信号的时序图；
图4是图1的系统的控制器的框图；
图5示出了使用中的图1的系统的指纹传感器；
图5a－5h示出了置于指纹传感器上的在各个角度位置的手指。
图6为另一指纹传感系统的框图；
图7为另一指纹传感系统的框图；
图8为示出了图7的系统中的某些信号的时序图；
图9为示出了访问控制系统的框图；
图10为示出了在指纹数据库中创建记录的方法的流程图；
图11为示出了允许经授权人员访问项目的方法的流程图；
图12为示出了另一访问控制系统的框图；
图13为示出了另一访问控制系统的框图；
图14示出了指纹；
图15a和15b示出了在各种情况下人的心跳期间的指纹；
图16a‑16c分别为指纹传感器的等距视图、俯视图和侧视图；以及
图17‑19示出了若干低功率指纹传感系统。
将理解，附图仅是示例性的。所有对附图的参照仅仅是用于说明目的，并不旨在以任何方式限制以下所描述的实施例的范围。为了方便起见，附图标记还可在全部附图中重复（具有或不具有后缀）以指示类似的部分或特征。
具体实施方式
首先参照图1和图2，图1和图2示出了指纹传感系统100的第一实施例。系统100包括指纹传感器102和控制器104。
指纹传感器102包括边框106、传感器管芯108、绝缘材料110和管芯连接层112。边框106为具有多个信号注入点114a‑114h的连续电阻环。边框106在每对相邻的信号注入点114之间接地。每个注入点114具有对应的驱动信号连接116a‑116h。在各个实施例中，边框可由包括导电塑料、金属和其他材料的各种导电材料形成。
控制器104通过电缆118和电缆120耦合至传感器102。控制器104包括处理器116、多个驱动信号块122a‑122h和信号传感器块124。电缆118可以为多芯电缆或并行或串行通信电缆或任何其他类型的通信链路。在某些实施例中，控制器和传感器可通过无线通信链路耦合。处理器116可以是任何类型的可编程处理设备，可编程处理设备包括编程计算机、微控制器、逻辑阵列（例如，编程门阵列或现场可编程门阵列）、可编程逻辑控制器、中央处理单元、数字信号处理器、通用计算机、微处理器或能够控制系统100进行如本文所描述的操作的任何硬件或软件设备。
每个驱动信号块122通过电缆118耦合至对应的信号注入点114。管芯连接层112通过电缆120耦合至信号传感器块124。
再参照图3，每个驱动信号块122a‑122h产生驱动信号126a‑126h，驱动信号126a‑126h被注入对应的信号注入点114a‑114h。每个驱动信号126a‑126h是唯一的，因为注入指纹传感器102的驱动信号可彼此区分。在该实施例中，每个驱动信号126具有活动阶段128和非活动阶段129。每个驱动信号与共同的时基同步，使得在任何特定时刻不超过一个信号是活动的。在该实施例中，每个驱动信号126a‑126h具有对应的时隙130a‑130h，在时隙130a‑130h期间，每个驱动信号126a‑126h具有各自的活动阶段。在分配给其他驱动信号126的时隙130期间，每个驱动信号处于其非活动阶段。在该实施例中，在非活动阶段期间，每个信号的大小为0。在活动阶段期间，每个驱动信号为具有1伏特峰峰值的1MHz方波。
参照图4，每个驱动信号块122a‑122h包括信号产生块134a‑134h和放大器136a‑136h。每个信号产生块134a‑134h产生驱动信号波形138a‑138h，驱动信号波形138a‑138h在本实施例中为方波。每个放大器136a‑136h耦合至处理器116，处理器116为每个信号产生块122a‑122h产生增益控制信号140a‑140h。每个放大器136响应于对应的增益控制信号140，通过选择性地放大对应的方波138来产生对应的驱动信号126。
参照图3，增益控制信号140a在时隙130a期间大小大于0，而在时隙130b‑130h期间大小为0。当增益控制信号140a为0时，对应的驱动信号126a，放大器136a产生大小为0的驱动信号126a。当增益控制信号140a为非零时，放大器136产生驱动信号126a，使得驱动信号126a为方波138a的放大形式。放大因数由增益控制信号140a的大小确定，从而允许处理器116控制驱动信号126a的大小。驱动信号126a‑126h中的每一个以对应的方式产生，使得驱动信号中的每一个的大小和时序由处理器116控制。
在某些实施例中，增益控制信号可以为具有高值和低值的数字信号。当增益控制信号为高值时，对应的驱动信号波形输出为驱动信号。当增益控制信号为低值时，驱动信号为零输出。在驱动信号不基于时间片或时隙区分的实施例中，增益控制信号可提供放大值。在驱动信号不基于时间片或时隙区分并且不需要控制驱动信号的大小的实施例中，通过信号产生块产生的驱动信号波形可输出为驱动信号。
再次参照图1和图2，每个驱动信号126通过电缆118被注入对应的信号注入点114。边框106是导电的，并且注入的驱动信号传播进入并通过边框106。边框106在信号注入点之间接地，从而限制在特定信号注入点114注入的驱动信号传播进入的边框106的部分。例如，在信号注入点114c注入的驱动信号126c可主要通过区域144传播。类似地，在其他信号注入点114注入的驱动信号通过与信号注入点相邻的边框的区域传播。
接下来参照图5，图5示出了使用中的系统100。在指纹传感器102上示出了人的手指142。手指142与区域144中的边框106接触，驱动信号126c通过区域144传播。手指142还与传感器管芯108接触，使得手指142上的指纹146压在传感器管芯上。
手指142是导电的。驱动信号126c从边框106的区域144耦合到手指142。然后，驱动信号126c从手指142耦合至传感器管芯108。绝缘材料110位于边框106和传感器管芯108之间，以防止驱动信号直接从边框到传感器管芯。手指142的真皮层通过耦合至手指142的驱动信号126c充电（当驱动信号为非零电平时）。
传感器管芯108为具有传感元件150的二维阵列的电容传感元件（图1）。手指142的导电真皮层和传感器管芯形成有效的电容器的板，通过耦合至手指的驱动信号进行充电。在真皮层和传感器管芯之间是手指142上的皮肤的不导电的表皮层，其中形成有指纹146的脊线和谷线。表皮层和指纹谷线中的空气提供有效的电容器的介电层。每个传感元件150感测来自手指142的相邻部分的电荷，并且提供对应于该电荷的强度的电荷强度信号。在不同传感元件处所感测的电荷根据指纹的脊线或指纹谷线中的空气的存在而不同。管芯连接层从每个传感元件接收电荷强度信号，并将指纹信号152传输至处理器116。通常，管芯连接层耦合至每个传感元件150并且包括产生指纹信号152的处理元件。因为本领域的技术人员将理解电容式指纹传感元件的操作，此处不详细描述传感器管芯和管芯连接层的操作。处理器116接收指纹信号并且形成对应于指纹146的指纹图像154。
指纹信号152对应于指纹146和从边框106耦合到传感器管芯108的特定驱动信号126。在系统100中，充电信号126a‑126h具有在时间上间隔的活动阶段。仅当手指142与其中注入（或传播）非零驱动信号的边框106的区域接触时，手指142将被充电。因此，仅当驱动信号126c处于其活动阶段时，指纹信号152将包含有关指纹146的信息。在其他时间，驱动信号126c处于非活动阶段并且不充电手指142。虽然其他驱动信号126a‑126b和126d‑126h也具有活动阶段并且被注入到边框中，但是通过在这些驱动信号各自的信号注入点114之间的边框上的接地连接基本上避免这些驱动信号耦合到手指142。因此，在驱动信号146c的活动阶段期间，指纹信号152将包含对应于指纹146的数据。在其他时间，指纹信号152通常将不包含对应于指纹的数据。
处理器116控制系统100的操作，使得驱动信号126被重复地传输至指纹传感器102，并且指纹信号152被重复地传输至处理器116。通常地，每个驱动信号的活动阶段每秒可被传输多次。在各个实施例中，每个信号的活动阶段每秒可被传输10次或更多次，以及可能每秒几百或更多次。在耦合至手指142的驱动信号的活动阶段期间，指纹信号152可被分析以识别手指的存在以及获得指纹图像154。
参照图2和3，处理器116能够基于指纹信号152包含对应于指纹的数据的时间来确定哪个驱动信号126被耦合至手指142。基于耦合的驱动信号126，处理器116可确定手指的角度位置。例如，在图5中，手指142在90度位置。
参照图14，图14示出了指纹1400。指纹1400包括对应于人的指纹中的脊线和谷线的变化的线1402和间隔1404。因为与谷线相比，指纹中的脊线从驱动信号耦合更多的能量到传感器管芯108的传感元件150中，因此形成线和间隔。如果驱动信号的值太高，那么线可能形成得太宽，在这些线之间具有较小间隔或没有间隔。如果驱动信号的值太低，那么线1402可能模糊或缺失。在某些实施例中，处理器116可响应于指纹信号152来改变某些或所有增益控制信号的大小。处理器可改变增益控制信号140以控制信噪比或控制指纹中的线1402和间隔1404的密度。在其他实施例中，处理器可能能够控制驱动信号块以改变某些或所有驱动信号的频率或形状，从而改善指纹图像。
参照图5a‑5h，示出了手指142，其指尖指向不同方向。在每个方向上耦合到手指142的驱动信号如下：
图手指位置驱动信号5a0度126a5b45度126b5c90度126c5d135度126d5e180度126e5f225度126f5g270度126g5h315度126h
接下来参照图6，图6示出了另一指纹传感系统600。系统600与系统100相似由对应的部件由相似的附图标记来标识。
系统600的指纹传感器602具有由边框段606a‑606h组成的分段的边框，而不是系统100的连续边框106（图1）。每个边框段606具有信号注入点614a‑614h，信号注入点614a‑614h耦合至控制器604以接收驱动信号626a‑626h（未示出）。系统600以与系统100类似的方式工作。控制器604产生驱动信号626a‑626h并将驱动信号626a‑626h注入每个边框段。与系统100相同，驱动信号中的每一个具有活动阶段和非活动阶段，使得每个驱动信号的活动阶段发生在其他信号中的每一个的非活动阶段期间。边框段606通过绝缘体610彼此电绝缘，使得注入每个边框段的驱动信号626不通过绝缘体610传播进入任何其他边框段。当手指置于指纹传感器602上，接触一个边框段606和传感器管芯608时，耦合至该边框段606的驱动信号626耦合到手指然后耦合到传感器管芯608。管芯连接层612产生指纹信号652，指纹信号652通过电缆620被传输至处理器616。如上所描述的相关系统100（图1），处理器616可被配置成通过确定哪个驱动信号626被耦合至传感器管芯608来确定手指的角度位置。
简要参照图1，在系统100中，根据信号注入点之间的接地连接和边框106的导电性，驱动信号126可能传播至超过其对应的信号注入点114的最接近的区域。由于边框段彼此隔离，因此系统100的边框段606在驱动信号之间提供更大程度的隔离。
在系统100和600中，驱动信号中的每一个的活动阶段在时间上是间隔的，使得耦合至各自的传感器管芯的特定驱动信号可基于时隙来确定，在该时隙中指纹信号包含指纹数据。
接下来参照图7，图7示出了指纹传感系统700。系统700与系统600相似并且对应的部件由相似的附图标记来标识。在系统700中，驱动信号726a‑726h可通过它们的不同的形状来区分，但不具有时间上不同的活动阶段和非活动阶段。参照图8，驱动信号726具有不同的形状，每个驱动信号726可与其它驱动信号区分。在系统700的工作期间，每个驱动信号726a‑726h被注入对应的边框段706a‑706h。被定位成与一个边框段706和传感器管芯708接触的手指将对应的驱动信号726从边框段耦合到传感器管芯。

再次参照图7，指纹传感器702可类似于与指纹传感器102或指纹传感器602。控制器704，包括驱动信号块722a‑722j，产生驱动信号726a‑726j，并将它们注入指纹传感器702。指纹传感器702具有十个驱动信号注入点（未示出），并且产生对应于驱动信号726a的一个的指纹信号752。
每个驱动信号块722包括指纹信号滤波器756。每个指纹信号滤波器756a‑756j接收对应的驱动信号726a‑726j和指纹信号752。每个指纹信号滤波器756a‑756j将其各个驱动信号726a‑726j与指纹信号752相比较，并产生匹配信号758a‑758h。每个匹配信号758a‑758j反映指纹信号752与各个驱动信号726a‑726h对应的程度。在该实施例中，每个匹配信号758具有0到255之间的值。如果各个驱动信号726和指纹信号752之间不对应或很少对应，则由每个指纹信号滤波器756产生的匹配信号758的值将为0或接近0。如果各个驱动信号726和指纹信号752之间高度对应或精确对应，则匹配信号758的值将为255或接近255。指纹信号滤波器通常（但不一定）将被配置成考虑驱动信号726和指纹信号752的产生之间的适当的延时（该延时可能是可变的并且可自动确定）。匹配信号758中的每一个被传输至处理器716。通常地，与所对应的其他驱动信号的程度相比，指纹信号752将在更大的程度上对应于驱动信号726中的一个。
通常地，当手指置于在指纹传感器702上时，驱动信号726将耦合至传感器管芯708（未示出）。处理器716利用匹配信号758来确定手指的角度方向。处理器716可被配置成以各种方式进行这种操作。例如，在该实施例中，处理器716被配置成假定具有最大值的匹配信号对应于手指的角度方向。在其他实施例中，处理器可被配置成确定匹配信号值的加权平均值，并且基于匹配信号的相对大小来估计角度位置。在某些实施例中，在计算加权平均值时可忽略所具有的值低于阈值的匹配信号。这可与其中的驱动信号注入点被定位成充分接近以使得超过一个驱动信号注入点通过手指耦合至传感器管芯的实施例尤其相关。手指的特定角度位置可通过计算匹配信号的加权平均值来估计，匹配信号的加权平均值对应于在所得到的指纹信号中所反映的两个或多个驱动信号。
接下来参照图9，图9示出了用于控制对项目（例如，人可能需要访问的活动、系统、位置、设施、数据或其他项目）的访问权的访问控制系统900。系统900包括指纹传感器902、控制器904和指纹数据库960、输入设备962和输出设备964。指纹传感器902和控制器904可对应于系统100、600或700。
控制器904包括处理器916，处理器916耦合至数据库960。处理器916还耦合至授权终端966，处理器916在授权终端966处提供授权信号968。
指纹数据库960包括多个经授权人员记录，其中每个经授权人员记录包括：

人员记录标识符字段对应于人。每个角度指纹字段可记录对应于在指纹传感器上定位的人的指纹（通常为特定手指，例如，食指）的图像或其他数据。经授权角度序列是角度手指位置的序列。
输入设备962可以为键盘、按键、鼠标、触摸屏或可以被人用来将输入提供到处理器916的其他设备。输出设备964可以是显示屏幕或向使用系统900的人提供视频和/或音频输出的其他设备。
接下来参照图10，图10示出了方法1000，通过方法1000将每条记录填入指纹数据库。方法1000在处理器916的控制下执行，处理器916可以与使用输入设备962和输出设备964的人进行通信。
方法1000从步骤1002开始，在步骤1002中，为人创建经授权人员记录。记录该人的经授权人员标识符。在某些实施例中，经授权人员标识符可通过处理器916自动地产生。在其他实施例中，该人可以使用输入设备962输入经授权人员标识符。经授权人员标识符被记录在经授权人员标识符字段中。指纹数据库中的每个人员记录的经授权人员标识符是唯一的。
方法1000然后前进至步骤1004，在步骤1004中，该人将其手指放在指纹传感器902上，手指的指尖在0°位置（角度A）。处理器916接收指纹信号952并确定（i）该人的手指的角度位置和（ii）该人的指纹的图像（或对应的数据）。如果角度位置对应于角度A，那么指纹图像被记录在角度A指纹字段。如果角度位置与角度A不对应，那么可重新扫描该人的指纹，或替代地，方法1000可能结束。当人的指纹已经被记录在角度A中时，方法1000从步骤1004继续。在某些实施例中，可能需要该人记录每个角度A‑H的指纹数据。在其他实施例中，可允许该人跳过某些或所有角度A‑H。如果允许该人跳过角度A，并且选择这样做了，则方法1000可从步骤1004继续。
在步骤1004之后，方法1000前进至步骤1006（除非方法1000在步骤1004期间被终止），在步骤1006中，通过在角度B处定位的其手指记录该人的指纹，允许该人跳过角度B或方法结束。
以这种方式，方法1000从步骤1004前进到1018，在步骤1004到1018中，记录在角度A‑H处或角度A‑H中的至少某些角度处的该人的指纹。
在步骤1018之后，方法1000前进至步骤1020，在步骤1020中，允许该人指定指纹位置的序列。例如，该人可指定序列ADHC。该序列被记录在经授权角度序列字段。
然后，方法1000结束。在指纹数据库960中具有记录的人可被称为经授权人员。
针对多个人，重复方法1000。
接下来参照图11，图11示出了方法1100，通过方法1100系统900可用于允许经授权人员访问活动或设备、访问数据或为了某些其他目的。
方法1100从步骤1102开始，在步骤1102中，人将其手指置于指纹传感器902上。处理器916接收指纹信号952并确定（i）该人的手指的角度位置和（ii）该人的指纹的指纹图像（或对应的数据）。然后，处理器916将指纹图像与指纹数据库960中所记录的指纹数据相比较。如果指纹图像对应于任何所记录的指纹，处理器则将指纹图像的角度位置与对应的所记录的指纹的角度位置相比较。如果两个角度位置匹配，则处理器将角度位置记录为角度位置的序列中的第一角度位置。处理器还将经授权人员标识符记录在其中找到对应的所记录指纹的经授权人员记录中。
然后，方法1100前进至步骤1104，在步骤1104中，处理器916确定角度位置的序列是否完整。如果序列是完整的，则方法1100前进至步骤1106。如果角度位置的序列不完整，则方法1100返回至步骤1102。在某些实施例中，指纹数据库960中所记录的每个经授权角度序列可以是预确定长度的，并且重复步骤1102直到角度位置的序列和对应的经授权人员标识符达到预确定的长度。在其他实施例中，人可指示其是否希望将另一角度位置添加至序列。如果这样，方法1100返回至步骤1102。如果人指示为序列是完整的，则方法1100继续至步骤1106。
在步骤1106中，处理器916确定在所记录的序列中每个角度位置所记录的经授权人员标识符是否相同。如果相同，经授权人员标识符可被称为候选经授权人员标识符，并且方法1100继续至步骤1108。否则，方法1100在步骤1110中报告错误并且结束。在步骤1110中报告的错误可指示经授权人员还未输入序列、序列无效或可提供另一消息。
在步骤1108中，处理器916将步骤1102的重复中所记录的角度位置的序列与对应于候选经授权人员标识符的经授权人员记录中所记录的经授权角度序列相比较。如果角度位置的序列与经授权角度序列相匹配，那么候选经授权人员被认证为对应于经授权人员记录的经授权人员，并且方法1100前进至步骤1112。否则，方法1100前进至步骤1110。
在步骤1112中，处理器916传输授权信号968，授权信号968指示应当允许该人访问活动、设备、数据或接收对应于候选经授权人员标识符的某些其他访问。
例如，系统900可用于控制对项目（例如，设施、洗车台（car wash））或数据（例如，银行账户或其他账户）的访问权。经授权人员必须使用指纹扫描仪902顺序地扫描其手指，并且使其手指定位在正确的角度位置，从而对应于此人的经授权人员记录中的经授权角度序列。如果人成功地这样做了，处理器916传输授权信号968，授权信号968允许经授权人员访问设施、活动、数据或由系统900保护的其他项目。
在系统900中，经授权人员在步骤1102中首次扫描其手指之前，不需要识别其自己。假定该人的身份与对应于每个指纹扫描的经授权人员标识符对应。（如果每个指纹扫描不对应于相同的经授权人员记录和相同的经授权人员标识符，则方法1100在步骤1106后退出。）此系统可用来在被访问的项目不专属于经授权人员时允许访问，但确保防止非授权人员访问该项目。系统900还可用于控制对专属于经授权人员的项目的访问权，例如，在自动柜员机（ATM）处对银行账户的访问权。在此实施例中，给予利用方法1100认证为经授权人员的人对账户的访问权，该账户与对应于步骤1102中的每个指纹扫描的经授权人员标识符相对应。
在其他实施例中，在步骤1102之前，可能需要人来识别其自己。例如，可能需要该人输入经授权人员标识符或可通过处理器916关联至经授权人员标识符的其他数据。在某些实施例中，经授权人员可通过向适当的扫描仪展示身份证、标签（例如，RFID标签）、条形码或其他识别码或设备来识别其自己。通常地，扫描仪将与指纹扫描仪902放置在一起并且耦合至控制器904，以允许对应于识别码或设备的经授权人员记录被识别和访问。在步骤1102中进行的每个指纹扫描必须与对应的经授权人员记录中所记录的指纹数据相对应，以便使该人得到访问权。
在系统900中，控制器904可访问指纹数据库960。在其他实施例中，可能需要允许从多个位置和系统访问指纹数据库。
接下来参照图12，图12示出了另一访问控制系统1200。访问控制系统1200与访问控制系统900相似并且相似的部件由对应的附图标记来标识。访问控制系统1200包括多个访问控制模块1270，每个访问控制模块包括指纹扫描仪1202、控制器1204、输入设备962和输出设备964。每个控制器1204通过通信网络1271耦合至指纹数据库1260。指纹数据库1260可位于中央位置，而某些或所有访问控制模块远离指纹数据库1260设置。通信网络1271可以是任何类型的通信网络。在某些实施例中，一个或多个访问控制模块1270可直接耦合至指纹数据库。
访问控制系统1200可用于控制多个授权用户从多个位置对系统的访问权。例如，系统1200可用于控制对ATM的访问权。银行可将访问控制模块1270集成到它的某些或所有ATM中。银行的客户可通过到银行所在地并且利用银行所在地的访问控制模块1270根据方法1000在指纹数据库1260中创建经授权人员记录来注册对该客户的银行账户的ATM访问权（图10）。随后，该人可利用方法1100在ATM处认证其自己（图11）。当客户成功完成方法1100时，允许该客户在ATM处访问银行业务。在某些实施例中，控制器1204中的处理器（未示出）还可控制在ATM处的其他操作。在其他实施例中，控制器1204可产生授权信号，该授权信号耦合至用于其他ATM功能的控制器。授权信号可指示经授权用户的身份，允许给予客户账户对其自己的账户的访问权。
在系统900中，指纹数据库960包括每个经授权人员多个角度位置的指纹图像或对应数据。在某些实施例中，指纹数据库可仅包括每个经授权人员的单个指纹图像或对应数据。
接下来参照图13，图13示出了另一访问控制系统1300。系统1300具有多个访问控制模块1370、指纹数据库1360和授权序列数据库1372。
指纹数据库1360包括多个指纹记录，每个指纹记录包括：
字段内容经授权人员标识符经授权人员的标识符指纹数据经授权人员的手指的图像或对应数据
授权序列数据库1372包括多个序列记录，每个序列记录包括：
字段内容经授权人员标识符经授权人员的标识符经授权角度序列角度位置的序列
与系统900和1200相似，系统1300可用于控制对项目的访问权。对于每个经授权人员，指纹记录被记录在指纹数据库1360中以及序列记录被记录在经授权序列数据库1372中。
为了认证或识别一个人为经授权人员，在访问控制模块1370中的处理器获得指纹信号的序列，并收集角度位置的序列和对应的指纹图像（类似于方法1100的步骤1102和1104（图11））。处理器访问指纹数据库1360以确定每个指纹图像是否对应于相同的经授权人员。如果不是，该人不被认证为经授权人员（类似于步骤1106）。处理器访问授权序列数据库1372以确定角度位置的序列是否对应于所记录的相同的经授权人员的经授权角度的序列。如果是，则该人被认证为通过将指纹数据库1360中和授权序列数据库1372中的经授权人员标识符相匹配来识别的经授权人员。
系统1300的指纹数据库1360可以是由第三方维护的指纹数据库。例如，个人可在指纹数据库1360中注册其指纹。随后，个人可注册以访问受系统1300保护的项目。然后，个人可将经授权角度序列记录在经授权序列数据库1372中，经授权序列数据库1372可由系统1300的操作者或第三方维护。
在其他实施例中，系统可包括超过一个指纹数据库，指纹数据库可包含在系统中，从而允许已经向各个指纹数据库注册其指纹的个人使用该系统。
某些指纹数据库不包括指纹数据的角度信息。在此系统中，如果指纹在任意角度处被扫描，则该指纹可与对应于最初在不同角度处所扫描的指纹相匹配。系统1300可与此系统一起使用。通过确定扫描指纹时手指的角位置以及独立地验证指纹匹配，系统1300允许使用现有的指纹数据库，且伴随着由角度授权序列提供的附加的安全性。
在上述系统中，每个经授权人员记录单个手指的一个或多个指纹。在其他实施例中，人可记录超过一个手指的一个或多个指纹，从而允许授权序列包括不同手指的序列和序列中每个手指的不同角度位置。
在某些实施例中，经授权序列可包括不同手指的序列，而不需要特定的角位置。
在某些实施例中，可能需要仅在两个或多个人被认证时才允许访问。在某些实施例中，人可被独立地认证。在其他实施例中，经授权序列可包括来自每一个人的指纹，需要他们配合以扫描它们的手指到经授权序列中。
在上述实施例中，为每个经授权人员记录一个经授权角度序列。在其他实施例中，可为某些或所有经授权人员记录两个或多个经授权角度序列。每个经授权序列可用于允许对相同项目的访问，或某些经授权角度序列可用于触发对不同项目的访问。例如，经授权人员可使用不同的经授权角度序列来获得对设施的不同部分的访问权。在某些实施例中，某些角度序列可触发特定的功能。例如，在正常情况下，银行客户可使用一个经授权角度序列来获得在ATM处对该人的银行账户的访问权，但是在客户受胁迫而被强制访问其账户时，其可使用不同的经授权角度序列。第二经授权角度序列可触发紧急响应（减少所显示的用户账户的余额、减少所提供的取款限制或这些和其他行为的组合）。在某些实施例中，可为经授权人员产生一系列的单次使用经授权角度序列。该系列的单次使用经授权角度序列被记录在经授权序列数据库中并且还被提供给经授权人员。每一次经授权人员使用访问控制系统来访问项目，经授权人员必须使用不同的单个经授权角度序列。一旦经授权角度序列已被使用，该经授权角度序列不再有效。
上述访问控制系统结合若干安全特征以将一个人认证为经授权人员。如果人输入正确的生物指纹数据并且输入正确的序列或代码，则该人被认证。由于非授权人员可能不知道经授权人员的授权序列，因此碰巧具有与经授权人员指纹匹配的指纹的非授权人员不可能被认证。由于非认证人员不可能具有必要的指纹，因此知道正确授权序列的非授权人员不可能被认证。通过结合生物特征和基于安全概念的代码，该访问控制系统比仅使用一种安全技术的系统更安全。
接下来参照图15a和图15b。上述系统描述了使用导电手指将驱动信号从边框或边框段耦合至传感器管芯。在某些情况下，已从人身上移除的手指将足够耦合驱动信号以允许利用切断的手指来认证一个人。通常地，人的心跳会引起包括指尖的皮肤表面的波动，这导致手指和传感器管芯之间的压力有节奏的变化。图15a示出了当手指以较小压力压在传感器管芯上时获得的指纹图像。图15b示出了当手指以较大压力压在传感器管芯上时获得的指纹图像。在某些实施例中，处理器可检查某些或所有指纹图像以确定线1502的宽度是否随着通常心率的心跳频率扩张和收缩，而如果不是，则处理器可被配置成拒绝认证该人。以这种方式，如果使用切断的手指，则处理器可能能够拒绝认证。
接下来参照图16a‑16c，图16a‑16c示出了指纹传感1602。指纹传感器1602具有连续边框1606，在某些实施例中，连续边框1606由金属制成。在边框中形成五个手指向导1607a‑1607e以引导用户正确地将其手指放到五个角度位置（在图16b中示出为‑90°、‑45°、0°、45°和90°位置）中的一个角度位置上。驱动信号注入点1616a‑1616e被设置在每个手指向导1607a‑1607e中。任选的接地点1617a‑1617e位于手指向导1607之间。指纹传感器1602具有传感器管芯1608，传感器管芯1608通过绝缘体1610与边框1608绝缘。
指纹传感器1602适用于根据系统100和700的实施例和上述各种访问控制系统。
在某些实施例中，可能需要降低功耗。接下来参照图17、18和19，图17、18和19示出了若干指纹传感器，指纹传感器包括用户存在检测系统。当系统不使用时，系统可进入低功率模式，在低功率模式中用户存在检测系统是活动的，但其他功能不活动以降低功耗。在电池供电系统或由低功率电源（例如，USB端口）供电的系统中可能尤其需要降低功耗。当检测到用户时，该系统被激活。
图17示出了指纹传感系统1700。对应于上述实施例的系统1700的部件由相似的附图标记来标识。指纹传感器1702和控制器1704通过通信链路1718和1720耦合在一起。系统1700包括活动传感子系统，活动传感子系统包括高增益块1770。管芯连接层1712通过高增益块1770耦合至控制器1704。
在工作时，当系统1700不使用（即，在一段时间内没有被使用）时，控制器1704使系统1700进入低功率模式。在低功率模式中，控制器1704可停止产生和注入驱动信号、可停止获取和分析指纹信号以及可采取其他措施以降低功耗。当人触摸传感器管芯1718时，该人通常会将相对较小的信号耦合到传感器管芯。较小信号通常对应于该人周围的静电噪声或电磁噪声，例如，电力线信号、静电荷等等。经耦合的信号通过高增益块1770放大，高增益块1770产生“唤醒”信号1780。响应于唤醒信号1780，处理器1704激活系统1700进入正常工作模式并且如上所述的开始运行系统1700。在正常工作期间，控制器1704可关闭高增益块1770以降低功耗。
图18示出了另一指纹传感系统1800。对应于上述实施例的系统1800的部件由相似的附图标记来标识。系统1800包括活动传感子系统，活动传感子系统包括光发射器1872、光接收器1874和高增益块1870。与系统1700相似，当系统不活动时，系统1800在低功率模式下运行。在低功率模式中，光发射器1872（可以是低功率LED或IR源）在传感器管芯1808之上发射光。该光通过光接收器1874检测。如果光束被中断（通常被放置在传感器管芯上的手指）并因此在光接收器1874处接收不到光，则高增益块1870产生唤醒信号1880并且控制器1804将系统1800返回其正常工作模式。可任选地，由光发射器1872发射的光信号可以是脉冲调制的以降低功率，并且光接收器1874同步地检测被发射的光。
接下来参照图19，图19示出了另一指纹传感系统1900。对应于上述实施例的系统1900的部件由相似的附图标记来标识。系统1900包括活动传感块，活动传感块包括加速计或振动传感器1976和高增益块1970。系统1900具有低功率模式，在低功率模式中，高增益块1970监测加速计1976。加速计1976响应于指纹传感器1902的运动（movement）并产生对应于指纹传感器的运动的运动信号1982。如果运动信号1982指示运动超过阈值，则高增益块1970产生唤醒信号1980，响应于该唤醒信号控制器1904使系统1900返回其正常工作模式。通过选择阈值，系统1900可被配置成响应于小振动、通过手指在传感器管芯上重复轻敲或其他振动水平来唤醒并且返回其正常工作模式。
指纹传感系统和访问控制系统可与其他安全或授权系统结合以控制对项目的访问权。例如，在ATM系统中，上述的访问控制系统可与磁条或其他扫描仪结合以允许银行客户使用基于访问控制系统或传统银行卡/密码认证系统两者或其中之一。
在用于跟踪员工在他们工作地点的存在的考勤系统（或需要验证人出现在一个场所的其他系统）中，访问控制系统可用于根据进入和退出设施来跟踪员工或其他人。在某些情况下，当进入该设施时，可使用人的手指中的一个手指（例如，食指）。当离开该设施时，可使用第二手指（中指）。第三手指可用来表示遇险或求救，例如在非授权人员强迫员工使非授权人员获得对设施的访问权的情况下。
访问控制系统还可代替或结合磁或RFID的卡或钥匙，用于提供对酒店客房和其他场所的访问权。当在酒店注册时，用户可扫描指纹并记录访问序列。然后，用户可在房间门的指纹扫描仪处重复访问序列以进入房间。
本文仅通过示例描述本发明。可对这些示例性实施例进行各种修改和变型，而不背离本发明的精神和范围。