DE10106838C2 - Sensoreinrichtung zur Erfassung von biometrischen Merkmalen, insbesondere Fingerminutien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von biometrischen Merkmalen, insbesondere Fingerminutien, mittels eines biometrischen Sensorchips.

Es ist bekannt, personenspezifische Merkmale, beispielsweise Fingerminutien, d. h. Fingerabdrücke, mittels biometrischer Fingerchipsensoren zu erfassen, um in Abhängigkeit des Erfas­ sungsergebnisses den Zugang zu einem Gerät, einem Raum usw. zu ermöglichen oder zu verweigern. Eine derartige Authentifi­ zierung von Personen mittels biometrischer Daten kann bei­ spielsweise bei Bankautomaten, Handys und Computern einge­ setzt werden.

Bekannte Sensoreinrichtungen dieser Art werden üblicherweise dadurch hergestellt, daß der Sensorchip auf eine Trägerplatte aufgesetzt wird, daß anschließend die Anschlußpads des Sen­ sorchips mit Leiterbahnen auf der Trägerplatte mittels eines Wirebonding-Verfahrens verbunden werden und der Sensorchip mit einer Masse eingekapselt wird, um ihn an der Trägerplatte stabil zu halten und zu schützen.

Obwohl Authentifizierungen mittels biometrischer Merkmale ei­ nen hohen Schutz vor Manipulation bieten, ist es möglich, durch einfache Maßnahmen einen derartigen Sensor zu überli­ sten. Beispielsweise kann ein Fingerabdruck durch Anhauchen des biometrischen Sensors wieder erkennbar gemacht werden. Beim Anhauchen kondensiert, abhängig vom Fettanteil auf dem biometrischen Sensor Wasserdampf, wodurch der ursprüngliche Fingerabdruck wieder sichtbar wird und für Manipulationen verwendet werden kann. Ebenso ist die Imitierung eines Fin­ gerabdrucks durch eine profilierte Folie denkbar, wodurch sich ein Unberechtigter Zugang zu an sich vertraulichen Daten verschaffen kann.

Aus der DE 198 30 058 A1 ist bekannt, ein Sensorsystem mit einem zusätzlichen Sensorelement zur Überprüfung der Unver­ sehrtheit des Körperteiles zu versehen. Das zusätzliche Sen­ sorelement kann ein Feuchtigkeitssensor, ein Sensor zur Prü­ fung der Oberflächenleitfähigkeit der Haut, ein Drucksensor, ein Sensor zur Prüfung von Blutströmungswerten, ein Sensor zur Prüfung des Blutzuckergehaltes oder ein Sensor zur Mes­ sung des Pulses sein. Zusätzlich kann dieser mit einer Akto­ rik zur Anregung des Körperteils rückgekoppelt sein.

Die DE 24 03 753 A beschreibt ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Identifizierung einer Einzelperson wobei der Körper einer ersten Person mit einer sinusförmigen physikali­ schen Schwingungsenergie beaufschlagt wird und anschließend die Frequenzgang-Merkmale dieser Person durch Aufspüren des Frequenzganges ermittelt werden. Anschließend wird der Vor­ gang am Körper einer weiteren Person wiederholt und die Fre­ quenzgang-Merkmale der Personen miteinander verglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sen­ soreinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen verbesserten Schutz gegen die Verwendung von gefälsch­ ten Fingerabdrücken bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfin­ dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist ein elektro­ mechanischer Wandler auf der Trägerplatte vorgesehen, durch den der Sensorchip in Schwingungen versetzbar ist.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung bietet den Vorteil, daß mittels des in mechanische Schwingungen versetzten biome­ trischen Sensors detektiert werden kann, ob das aufgedrückte Objekt ein organisches Gewebe ist, ob das aufgedrückte Objekt einen pulsierenden Blutstrom aufweist oder ob zwischen dem aufgedrückten Objekt und dem Sensor eine Zwischenschicht, z. B. die eingangs genannte profilierte Folie, vorhanden ist. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung stellt somit sicher, daß nur beim Aufdrücken eines organischen Gewebes, d. h. eines Fingers einer lebenden Person, eine positive Authentifizie­ rung stattfinden kann. Die Verwendung gefälschter Imitate z. B. der profilierten Folie, führt hingegen keinesfalls mehr zu einer positiven Authentifizierung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensorchip auf dem elektro-mechanischen Wandler befestigt. Die Befesti­ gung erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung derart, daß der Sensorchip vollflächig auf dem elektro-mechanischen Wand­ ler gelegen ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Trägerplatte aus einem steifen, stabilen Material. Da der elektro-mechanische Wandler auf der Trägerplatte montiert ist, muß dieses derart beschaffen sein, daß es durch den elektro-mechanischen Wandler nicht oder nur wenig in Schwin­ gungen versetzt wird. Die Trägerplatte kann dabei aus einer dicken Metallplatte oder auch aus einem geeigneten isolieren­ den Material bestehen. Das Material sollte schwer genug sein und eine große Trägheit aufweisen. Bei der Verwendung eines schwingungstechnisch schlecht anregbaren Materials ist sicher gestellt, daß die von dem elektro-mechanischen Wandler er­ zeugte Schwingungsenergie vollständig oder zumindest beinahe vollständig in den biometrischen Sensor eingeleitet werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, den elektro-mechanischen Wandler mit einer Ansteuereinrich­ tung zu verbinden. Vorzugsweise ist der elektro-mechanische Wandler durch die Ansteuereinrichtung entweder impulsförmig oder sinusförmig ansteuerbar. Durch eine sinusförmige An­ steuerung ist es möglich, eine Veränderung der Resonanzfre­ quenz der Sensoreinrichtung fest zu stellen. Weiterhin kann eine Veränderung der Güte der Resonanz detektiert werden. Die sinusförmige Ansteuerung bietet weiterhin den Vorteil, daß Anteile mit veränderter Frequenz in der von einem Objekt re­ flektierten Schwingung, die beispielsweise durch bewegte Teilchen im Blut verursacht sind, registriert werden können. Eine impulsförmige Ansteuerung gibt Aufschluß über evtl. zwi­ schen dem aufgedrückten Objekt und dem Sensor gelegenen Zwi­ schenschichten mit unterschiedlicher Dichte. Die Auswertung basiert dabei auf der Reflexion der sich in dem elektro­ mechanischen Wandler und dem Sensor ausbreitenden Welle. Die Ansteuerung des elektro-mechanischen Wandlers könnte auch ab­ wechselnd sinusförmig und impulsförmig sein, wodurch ein be­ sonders guter Schutz erreichbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der elektro­ mechanische Wandler und der Sensor mit einer Auswerteeinrich­ tung verbunden. Die Auswerteeinrichtung wertet folglich das von dem biometrischen Sensor erfaßte biometrische Merkmal und gleichzeitig das von dem elektro-mechanischen Wandler erfaßte Signal auf und verknüpft dies. Die Verknüpfung resultiert darin, ob eine Authentifikation positiv oder negativ ist.

Der elektro-mechanischen Wandler kann ein piezoelektrischer Wandler (z. B. ein Dickenschwinger), ein kapazitiver oder ein magneto-striktiver Wandler sein.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Sensoreinrichtung und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Sensorvorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Sensoreinrichtung. Die Erfindung sieht eine Träger­ platte 10 vor, die aus einem steifen, stabilen Material be­ steht. Die Materialeigenschaften der Trägerplatte 10 müssen derart beschaffen sein, daß dieses durch einen elektromecha­ nischen Wandler 30, der sich auf einer ersten Hauptseite 13 der Trägerplatte 10 befindet, nicht in Schwingungen versetzt werden kann.

Der elektro-mechanische Wandler 30 ist beispielsweise als piezoelektrischer Dickenschwinger ausgeführt. Dieser weist auf seinen gegenüberliegenden Hauptseiten Elektroden 31, 32 auf. Mit der Elektrode 32 ist der elektro-mechanische Wandler 30 auf der ersten Hauptseite 13 der Trägerplatte 10 befe­ stigt. Die Befestigung kann beispielsweise durch eine Klebung oder eine andere geeignete Befestigungsmethode erfolgen. Auf der Elektrode 31 ist ein biometrischer Sensorchip 20 angeord­ net. Dieser ist, wie aus dem Querschnitt der Fig. 1 ersicht­ lich ist, vollflächig mit der Elektrode 31 des elektro­ mechanischen Wandlers 30 verbunden.

Der Aufbau des biometrischen Sensorchips 20 ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so daß an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung verzichtet wird. Der Sensorchip 20 funktioniert in bekannter Weise und ist deshalb über Draht­ verbindungen 21 mit einer Leiterbahnstruktur 11, die sich auf der ersten Hauptseite 13 der aus einem isolierenden Material bestehenden Trägerplatte 10 verbunden. Beispielhaft sind drei Drahtverbindungen 21 eingezeichnet. Je nach Ausführungsform des Sensorchips 20 kann eine wesentlich größere oder auch kleinere Anzahl an Drahtverbindungen vorgesehen sein.

Die Elektroden 31, 32 des elektro-mechanischen Wandlers 30 sind gleichfalls mit einer Leiterbahnstruktur 12, welche sich ebenfalls auf der ersten Hauptseite 13 der Trägerplatte 10 befindet, verbunden. Die Elektrode 31 ist dabei beispielhaft mit einer Drahtverbindung 33 mit der Leiterbahnstruktur 12 verbunden. Die mit der ersten Hauptseite 13 der Trägerplatte 10 in Kontakt stehende Elektrode 32 ist hingegen über einen Leiterzug 34 mit der Leiterbahnstruktur 12 verbunden.

Die Leiterbahnstrukturen 11, 12 sind beide mit einer in der Figur nicht gezeigten Auswerte- bzw. Ansteuervorrichtung ver­ bunden, die auf der Trägerplatte 10 gelegen sein kann, aber nicht muß. Häufig ist es üblich, die Sensoreinrichtung mit einem Flachbandkabel mit entsprechender Ansteuer- bzw. Steu­ ervorrichtungen zu verbinden, die dann an anderer Stelle in einem Gehäuse gelegen sind.

Der Sensorchip 20 wird vorzugsweise auf den Wandler 30 aufge­ klebt. Denkbar sind jedoch auch andere geeignete Verbindungs­ technologien. Da mit Ausnahme der Trägerplatte 10 die gesamte Sensoreinrichtung in eine Schwingung versetzt ist, müssen die Drahtverbindungen 21,33 derart mit den entsprechenden Kon­ taktflächen befestigt sein, daß aufgrund der permanenten Schwingungen keine Delamination der Kontaktflächen oder kein Bruch der Drahtverbindung auftritt. Die Drahtverbindungen sind deshalb vorzugsweise möglichst dünn und leicht biegbar. Gegebenenfalls ist denkbar, die Drahtverbindungen in Form von Federn auszuführen. Der piezoelektrische Dickenschwinger kann aus einem Quarz oder einer piezoelektrischen Keramik beste­ hen.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Sensoreinrichtung, die sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel lediglich darin unterscheidet, daß die Trägerplatte 10 nunmehr aus einem Metall besteht. Hierdurch ist es erforderlich, die Leiterbahnstrukturen 11, 12 auf Iso­ latoren 14, 15 anzuordnen. Die Isolatoren 14, 15 können sich dabei ringförmig um den elektro-mechanischen Wandler 30 und den darauf aufgebrachten Sensorchip 20 erstrecken. Hierdurch ist es möglich, die Leiterbahnstrukturen 11, 12 auf einer Sei­ te der Sensoreinrichtung zu sammeln und mit einer Ansteuer- bzw. Steuervorrichtung zu verbinden.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist wie folgt. Der elektro-mechanische Wandler 30 wird durch ein elektrisches Signal angelegt. Ist der Wandler 30 als pie­ zoelektrischer Dickenschwinger ausgeführt, so bewirkt eine an den Elektroden 31, 32 angelegte Spannung, daß sich die Dicke D des Wandlers 30 ändert. Entsprechend einem Ansteuersignal, das durch die Ansteuervorrichtung erzeugt wird entstehen me­ chanische Schwingungen, die von dem Wandler in den Sensor­ chip 20 übertragen werden.

Damit möglichst die gesamte mechanische (Schwingungs-)Energie in den Sensorchip übertragen wird, ist es wichtig, daß die Trägerplatte 10 aus einem Material besteht, das sich durch den Wandler 30 nach Möglichkeit nicht oder nur schwer in Schwingungen versetzen läßt.

Die in dem Sensorchip 20 erzeugten Schwingungen dringen auch in ein auf die aktive Seite 22 des Sensorchips 20 aufgedrück­ tes Objekt ein und werden von diesem teilweise absorbiert und reflektiert. Die hierdurch entstehenden, geänderten mechani­ schen Schwingungen verursachen an dem Wandler 30 wiederum elektrische Signale, die der (in den Figuren nicht gezeigten Auswertevorrichtung) zugeführt werden können.

Abhängig von der Art der Anregung, die sinusförmig oder im­ pulsförmig sein kann, ergeben sich unterschiedliche erwartete Eigenschaften.

Bei einer sinusförmigen Ansteuerung, bei der Wandler mit ei­ ner vorgegebenen Frequenz angeregt wird, kann eine Verände­ rung der Resonanzfrequenz der Sensoreinrichtung detektiert werden. Weiterhin können Veränderungen der Güte der Resonanz erfaßt werden. Schließlich können Anteile mit veränderter Frequenz in der vom Objekt reflektierten Schwingung, die bei­ spielsweise durch bewegte Teilchen (Blut) verursacht sind, detektiert werden. Es erfolgt dabei eine Messung, welche Fre­ quenzen an der Grenzfläche des auf die aktive Seite des Sen­ sorchips 20 aufgelegten Objekts anliegen. Aufgrund des sog. "Dopplereffektes" kann festgestellt werden, mit welcher Strö­ mungsgeschwindigkeit bewegte Teilchen im Blut fließen. Dies wiederum gibt Aufschluß darüber, ob ein organisches Gewebe auf der aktiven Seite 22 des Sensorchips aufliegt oder nicht. Das Auflegen einer Imitierung eines Fingerabdrucks, bei­ spielsweise durch eine profilierte Folie, kann auf diese Wei­ se registriert werden. Die Auswerteeinrichtung, die ein ande­ res Ergebnis erwartet, zeigt dann eine negative Authentifi­ zierung an.

Alternativ ist eine impulsförmige Ansteuerung des elektro­ mechanischen Wandlers 30 durch eine Ansteuereinrichtung mög­ lich. Durch die impulsartige Anregung wird eine "Schallwelle" erzeugt. Nach dieser wird der Wandler 30 wieder in einen Ru­ hezustand verbracht. Ein empfindlicher Verstärker wertet re­ flektierte Wellen an einer Grenzfläche Finger/Luft aus. So­ bald ein Finger auf die aktive Seite 22 des Sensorchips 20 aufgelegt ist, dauert die Reflexion länger, als wenn kein Finger aufgelegt ist. Für die Auswertung, ob ein organisches Objekt auf den Sensorchip aufgelegt ist, werden die Anzahl der Echos, die unterschiedlichen Grenzflächen entsprechen, sowie die Phasenlage der jeweiligen Echos ausgewertet. Auf­ grund dieser Informationen können Rückschlüsse auf den inne­ ren Aufbau eines auf den Sensorchip 20 aufgelegten Objekts geschlossen werden. Es ist somit möglich, ein organisches von einem nicht organischen Objekt zu unterscheiden. Der Aufwand, ein nichtorganisches Objekt so nachzubilden, dass es als or­ ganisches Objekt (lebender Finger) gedeutet wird, ist bei ei­ ner geeigneten Ansteuer- und Auswerteeinrichtung sehr groß.

Bezugszeichenliste

10

Trägerplatte

11

Leiterbahnstruktur

12

Leiterbahnstruktur

13

Hauptseite

14

Isolator

15

Isolator

20

biometrischer Sensorchip

21

Drahtverbindung

22

aktive Seite

30

elektro-mechanischer Wandler

31

Elektrode

32

Elektrode

33

Drahtverbindung

34

Leiterzug

Claims (8)

1. Sensoreinrichtung zur Erfassung von biometrischen Merk­ malen, insbesondere Fingerminutien, mittels eines biometri­ schen Sensorchips (20), die eine Trägerplatte (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektro-mechanischer Wandler (30) auf der Trägerplatte (10) vorgesehen ist, durch den der Sensorchip (20) in Schwin­ gungen versetzbar ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorchip (20) auf dem elektro-mechanischen Wandler (30) befestigt ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorchip (20) vollflächig auf dem elektro-mechanischen Wandler (30) befestigt ist.

4. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (10) aus einem steifen, stabilen Material besteht.

5. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-mechanische Wandler (30) mit einer Ansteuerein­ richtung verbindbar ist.

6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-mechanische Wandler (30) durch die Ansteuerein­ richtung pulsförmig oder sinusförmig ansteuerbar ist.

7. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-mechanische Wandler (30) und der Sensor (20) mit einer Auswerteeinrichtung verbindbar sind.

8. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-mechanische Wandler (30) ein piezoelektrischer, ein kapazitiver oder ein magneto-striktiver Wandler ist.