Les différentes familles de capteurs

Les techniques utilisées pour la mesure sont diverses : capteurs optiques (caméras CCD/CMOS), capteurs ultrasoniques, capteurs de champ électrique, de capacité, de température...

Ces capteurs sont souvent doublés d'une mesure visant à établir la validité de l'échantillon soumis (autrement dit, qu'il s'agit bien d'un doigt) : mesure de la constante diélectrique relative de l'échantillon, sa conductivité, les battements de cœur, la pression sanguine, voire une mesure de l'empreinte sous l'épiderme...

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Les difficultés générales de toutes ces techniques sont principalement :

  • L’épaisseur très fine de certaines empreintes digitales dues parfois à l’origine ethnique de la personne ou encore de l’âge : ce problème se pose principalement pour les enfants et pour les asiatiques
  • La quantité énorme d’informations sur une très petite surface.
  • L’état du doigt (humidité, sécheresse, coupures...)
  • La pression plus ou moins forte exercée sur le détecteur.

 

D’où l’importance de bien choisir l’appareil recueillant l’empreinte.

Le but de tous ces capteurs converge : La capture de l'image d'une empreinte digitale consiste à trouver les lignes tracées par les crêtes (en contact avec le capteur) et les vallées (creux).

La méthode également : Le point commun à toutes les technologies utilisées pour la prise d'image d'une empreinte, est que l'image est constituée à partir des points de contact du doigt sur le capteur.

Nous retrouvons sept catégories de capteurs dont les plus importants sont en vert :

  • Le capteur optique
  • Le capteur thermique
  • Le capteur en silicium
  • Le capteur capacitif
  • Le capteur de champ électrique
  • Le capteur de pression
  • Le capteur ultra-sonique

 

1. Le capteur optique

 Ces capteurs s’assimilent à des minis-caméras : Ils sont composés d’un appareil-photo CCD (dispositif couplé chargé).Cet appareil photo est lui-même constitué d’une rangée de diodes sensibles légères appelées les photosites .Cet appareil photo est recouvert d’un plastique dur ou de quartz. Le principe physique utilisé est « la réflexion totale frustrée »

 

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 Fonctionnement des capteurs CCD :

ccd.gifLe CCD (Charge-Coupled Device, ou dispositif à transfert de charge) est simple à fabriquer et a une bonne sensibilité.

Inventé par George E. Smith et Willard Boyle dans les Laboratoires Bell en 1969 (cette invention leur rapportera la moitié du Prix Nobel de Physique en 2009), il a rapidement été adopté pour des applications de pointe (imagerie astronomique) puis popularisé sur les caméras et appareils photo.

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Le principe de base est que le capteur CCD transforme les photons captés en paires d’électrons-trous par effet photoélectrique 

puis collecte les électrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque photosite. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue.

 

Toutes ces charges sont collectées et transformées en tension avant d’être amplifiées et numérisées.

               

Pour pouvoir être sûr que le doigt sera assez éclairé  on intègre au capteur optique une série de diodes électroluminescentes qui éclairent les creux et les bosses de l’empreinte digitale.

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Ce capteur a ses avantages et ses inconvénients :

Un prix avantageux constitue le principal avantage des systèmes optiques.

Tandis que leurs inconvénients sont :

  • Qu’ils ne sont pas très efficaces quand il y a une pollution lumineuse.
  • Ils sont facilement détournables à cause des empreintes latentes présentes certaines fois sur le verre de l’utilisateur précédent.

On peut également les détourner grâce à une image suffisamment nette d’une empreinte digitale.

 Les principaux constructeurs des capteurs optiques : Delsy, Dermalog, Smith Heimann Biometrics.

 

2. Le capteur thermique

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 La méthode électrique-thermique est moins habituelle. Actuellement, le seul capteur thermique est le FingerChip  fabriqué par Atmel.

La méthode unique du FingerChip, pour reconnaître l’empreinte, consiste à faire glisser le doigt le long du capteur. Les images successives ainsi capturées sont analysées par un logiciel spécial qui reconstruit l'image de l’empreinte digitale. Cette méthode permet au FingerChip de renvoyer une haute qualité, 500 dpi et 256 niveaux de gris.

 

sche-ma.jpegLa technologie de ce capteur est basée sur une comparaison thermique selon que le doigt touche le capteur(les crêtes) ou qu’il ne le touche pas (les vallées), c’est donc le différentiel entre la température de l’air et la température corporelle qu’il calcule.

 

Le FingerChip est constitué d’une puce en silicium recouverte d’une couche de matériau pyro-électrique, c’est-à-dire sensible aux différences de température. La puce est elle-même formée d’une matrice de pixels adjacents. La différence de température, initialement apparue au contact du matériau pyro-électrique, est transformée de par les propriétés de ce matériau en charges électriques. Celles-ci sont alors amplifiées et mesurées par les pixels en silicium de manière à former une image en noir et blanc traduction fidèle de l’empreinte de l’utilisateur.

 

Les principaux avantages  et inconvénients de cette technique sont :

 

  • Les conditions de prise de l’empreinte peuvent être extrêmes :forte humidité, haute température ambiante , poussière ,etc.
  • Cette méthode à l’avantage de nettoyer le capteur évitant ainsi que les empreintes digitales restent après le passage de chaque personne.c2.jpg
  • Et enfin le relief de l’empreinte peut n’être que très peu prononcé.

  • Un premier inconvénient est que la qualité de l’image dépend des compétences de l’utilisateur à savoir manipuler le capteur.
  • Le deuxième inconvénient est le chauffage du capteur qui augmente la consommation électrique. La chaleur du capteur est nécessaire afin d’éviter un équilibre thermique entre le capteur et la surface du doigt. 

 

3. Le capteur capacitif


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Après la lecture optique, la mesure de la capacité électrique (La capacité représente la quantité de charge électrique stockée pour un potentiel électrique donné. Elle est définie comme étant la somme des charges électriques d'un élément divisée par le potentiel de cet élément) entre la peau et le pixel est l'effet physique le plus souvent mis en œuvre: celle-ci varie comme l'inverse de la distance, ce qui permet de distinguer crêtes et vallées.Comme le champ électrique mesuré entre la peau et le pixel est très faible, la protection surfacique doit être très mince (quelques microns) afin d'obtenir une sensibilité correcte. Un défaut connu est la sensibilité aux forts champs électriques, comme ceux provoqués par les décharges électrostatiques ESD

 

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Les compagnies  qui proposent (ou ont proposé) des capteurs d'empreintes capacitifs sont:

Veridicom, Fujitsu, Infineon, Sony, Upek, Hitachi, LightTuning, Melfas, Atrua, NTT, Symwave, ...ss1.jpgfujitsu.jpg

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Les avantages notables de ce système sont ...

  • Qu’il détecte tous les matériaux
  • Qu’il n’y a pas de contact avec le matériau
  • Ce qui créer peu d’usure

 

...tandis que les inconvénients les plus dérangeants sont :

 

  • Que le matériau doit être dense
  • Qu’il ne détecte que les objets proches (voire très proches)

4. Capteurs en silicium

Il utilise l’un de quatre effets observables sur les semi-conducteurs : l’effet piézo-électrique, l’effet capacitif, l’effet thermoélectrique et l’effet photo-électrique.

Il est en général de très petite taille, d’une durée de vie assez longue, et son coût est très intéressant.

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  • Mais, comme tout composant, il est fragile aux décharges électrostatiques et il peut-être détruit si des règles de fabrication et d’installation ne sont pas observées.
  •  Ces nouvelles technologies visent surtout les applications de masses, grâce à une taille réduite et des coûts moins importants que les lecteurs optiques.

 

5. Autres capteurs

 

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a)    Capteur de pression

 

Le principe du capteur de pression réside dans le fait que lorsqu’un doigt est placé au-dessus de la zone du capteur, seules les bosses de l'empreinte digitale rentrent en contact avec lesrayons piezo du capteur. Les creux en contraste n’ont aucun contact avec les cellules du capteur. Une des différences fondamentales pour la reconnaissance et la comparaison d’empreinte digitale, par rapport aux capteurs sur le marché, demeure le capteur de pression qui génère une image binaire de 1-bit. Une image de 1-bit contient moins d’information qu’une image de niveau de gris de 8-bit.

Un capteur de pression est capable d’enregistrer des doigts aussi bien humides que secs. De plus, sa large zone d’enregistrement permet de scanner complètement l’empreinte digitale ce qui amène à un faible taux d’erreur (EER = Equal-Error-Rate).

 

b)    Capteur de champ-électrique

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Le capteur de champ-électrique fonctionne avec un champ-électrique et le mesure au delà de la couche extérieure de la peau où l'empreinte digitale commence.  La technologie dechamp-électrique peut être utilisée dans des conditions extrêmes, c’est-à-dire même si le doigt est sale ou sec.

On parvient à une image plus claire que ce que peuvent donner les technologies optiques ou capacitives. Cela permet à la technologie de champ- électrique d’obtenir des images d’empreinte digitale que d’autres technologies ne parviendraient pas à avoir. Un des avantages majeurs est qu’il permet d’aller plus loin que la surface de la peau en sondant l’intérieur même de la peau.

 

 

c)    Le capteur ultrasonique

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Ce capteur provient directement de la technologie des sonars : Il utilise une onde ultra sonore qu’il envoie vers le doigt, puis calcule le temps mis par l’onde pour faire un aller-retour et,point par point, fournit l’image de l’empreinte. Les infimes variations de délai entre les lignes et les creux suffisent à dessiner très précisément l'empreinte.

 

Il est très précis, et hérite des propriétés des ultrasons de traverser certains matériaux (gants en latex, saletés, etc.). Mais il est volumineux et très coûteux. Il est intéressant pour une population d’utilisateurs très hétérogène.