بررسی ساختار و نحوه عملکرد سنسور اثر انگشت تلفن همراه

همه ما روزهایی را به خاطر داریم که گوشی های موبایل به صورت ابتدایی فقط وظیفه اصلی خود، یعنی مکالمه و پیام کوتاه را انجام می دادند. رفته رفته با گذشت سریع و سرعت بسیار بالای پیشرفت تکنولوژی و همچنین احساس نیاز روزانه بیشتر مردم و بالا رفتن سطح انتظارات از گوشی ها، این گجت دوست داشتنی شکل و شمایل جدید به خود گرفت.
این تغییر و تکامل در حدیست که امروزه اولویت مردم برای انتخاب این گوشی ها، طیف وسیعی به خود گرفته است. فردی گوشی خود را بر اساس کیفیت دوربین، فردی دیگر بر اساس سایز صفحه، یکی بر اساس مقاومت، جنس بدنه، حافظه داخلی، مقدار حافظه رم و ... انتخاب می کند.
لازم است بدانید در تمامی موارد و اولویت ها، گزینه امنیت و حفاظت از حریم خصوصی مهم ترین اولویت و بخش انتخاب یک گوشی است. امنیت گوشی موبایل به صورت پیش فرض و مشترک در تمامی گوشی ها به وسیله رمز عددی و پترن یا به اصطلاح الگو است. رمزها به صورت فراگیر در تمامی گجت ها از جمله لپ تاپ، گوشی، صفحات اینترنتی و ... استفاده می شوند، اما باید بدانید که از ضریب امنیتی نسبتا پایینی برخوردار هستند. به عنوان مثال اکثر افراد اقدام به ثبت رمز عبور ضعیف و یا در دسترس مانند کد ملی، تاریخ تولد و ... می کنند که در بعضی موارد به راحتی قابلیت دور زدن دارند.
الگوها نیز در صورتی که کسی نزدیک شما باشد و به صفحه گوشی و یا حرکت دست شما نگاه کند، به راحتی قابل دور زدن هستند.
پیشرفت تکنولوژی باعث شد تا روش های دیگری برای حفاظت از اطلاعات و حریم خصوصی جایگزین شود که بتواند ضعف های رمز و یا الگو را پوشش دهد. یکی از این روش ها استفاده از یک ماژول اسکنر اثر انگشت یا همان سنسور اثر انگشت است. روش های دیگر فیس آیدی و اسکنر عنبیه چشم بوده که ما در این مقاله قصد داریم فقط به سیستم امنیتی اثر انگشت و ساختار و نحوه عملکرد آن بپردازیم.

در ابتدا فقط گوشی های پرچمدار از این تکنولوژی بهره می بردند، اما خوشبختانه در حال حاضر گوشی های میان رده و اقتصادی نیز مجهز به سنسور اثر انگشت یا فینگرپرینت هستند.

تعریف
در ابتدا باید بدانیم که اثر انگشت هر شخص منحصر بفرد بوده و هیچ دو اثر انگشتی شبیه به هم نیست. استفاده از همین پارامتر بیومتریک و اسکن آن به وسیله سنسور اثر انگشت موجب بالا رفتن امنیت خواهد شد.
این اسکنر، اثر انگشت را به تصویر دو بعدی از اثر انگشت برای آنالیز تبدیل می کند و به صورت دیجیتالی در قسمتی امن از حافظه گوشی و به صورت رمزنگاری شده ذخیره می کند.
باید بدانید که اسکنر اثر انگشت و حسگر اثر انگشت دو قطعه متفاوت هستند. وظیفه اسکنر، تهیه و ذخیره یک نسخه دیجیتالی از اثر انگشت و وظیفه حسگر اثر انگشت، تبدیل الگوی اثر انگشت به سیگنال الکتریکی و تطابق آن با اسکن اثر انگشت و در نهایت اجازه دسترسی به اطلاعات را فراهم می کند.
در ابتدا این تکنولوژی در لپ تاپ قدیمی اچ پی OB3000 و بعدا در گوشی بی سیم ساژم 959  MC  مورد استفاده قرار گرفت. اما حسگر اثر انگشت به معنای امروزی، برای اولین بار توسط شرکت اپل و در سال 2013 برای نخستین بار با معرفی اپل iPhone 5S ، برای عموم کاربران شناخته شد و پس از آن سامسونگ در گوشی Galaxy S5 از این حسگر استفاده کرد.

انواع حسگر اثر انگشت
حسگرهای اثر انگشت از لحاظ تکنولوژی در 6 دسته حسگر اپتیکال یا نوری، خازنی، حرارتی، فشاری، رادیویی و فراصوت طبقه بندی می شوند.
در تلفن های همراه امروزی، بیشتر از نوع خارنی استفاده می شود. در ادامه به معرفی انواع حسگرها می پردازیم:

حسگر اثر انگشت اپتیکال

حسگرهای نوری یا اپتیکال به وسیله گرفتن تصویری نوری از اثر انگشت، آن را شناسایی و تشخیص می دهند که از قدیمی ترین نوع حسگر برای ثبت و مقایسه اثر انگشت محسوب می شود. این حسگرها دارای رزولوشن بوده و هر چه میزان رزولوشن آن بالاتر باشد، جزئیات با کیفیت تری را ثبت و در نتیجه از امنیت بالاتری برخوردار است. در این نوع حسگر، آرایشی از LED، و فتودیود قرار گرفته که با تشخیص  و تحلیل تیره ترین و روشن ترین نقاط اثر انگشت، باعث شناسایی نوع اثر انگشت می شود.
حسگر نوری را در ابتدا در دستگاههای قدیمی استفاده می کردند و پس از آن به دلیل کاهش هزینه تولید و به صرفه بودن استفاده از حسگر خازنی، هم اکنون در گوشی های میان رده نیز حسگرهای خازنی به چشم می خورند. البته شایان ذکر است که در گوشی های پیشرفته امروزی به دلیل تولید گوشی های با صفحه نمایش بدون حاشیه، مجدد استفاده از حسگرهای نوری به دلیل اشغال کمتر فضا، قرار گرفتن در زیر صفحه نمایش و همچنین امکان تشخیص اثر انگشت مرطوب، متداول شده است.
این حسگرها در کنار ویژگی های خوبی که دارند، دارای معایبی نیز هستند. به دلیل اینکه اساس کار آن ها بر مبنای تولید تصاویر دو بعدی است، به راحتی با چاپ اثر انگشت بر روی کاغذ، می توان آن را فریب داد. همچنین عواملی مانند ایجاد خط و خش روی اسکنر و یا کثیفی و چربی، عملکرد آن ها را تحت تأثیر قرار می دهد.

حسگرهای خازنی

در حال حاضر، متداول ترین و پرکاربردترین نوع حسگرهای اثر انگشت، حسگرهای خازنی هستند که در بیشتر گوشی های هوشمند و با بالاترین سطح امنیت به کار می روند. اساس کار این نوع حسگر بر مبنای قطعه ای به نام "خازن" بوده که در آن به کار رفته است. خازن ها توانایی ذخیره جریان الکترونیکی را دارند و اگر به صفحه رسانای کوچک سطح اسکنر متصل شوند، توانایی ثبت مشخصات و تشخیص اثر انگشت را دارند. با این حساب اثر انگشت های خازنی دارای یک ضعف بزرگ هستندٍ؛ اگر سطح اسکنر چرب، خیس و یا کثیف باشد، به خوبی عمل نمی کنند. نحوه عملکرد آنها بدین گونه است که خازن قسمت های مختلف سطح پوست مانند قسمتهای برجسته یا فرو رفته را همانند نقاط روشن و تاریک پیکسل ها می بیند و نتیجه آن، خروجی یک تصویر دو بعدی از اثر انگشت است. یکی از شباهت‌های حسگرهای خازنی در مقابل نوری این است که هر چقدر رزولوشن با افزودن تعداد زیادتری از حسگرها بیشتر شود، امنیت آن‌ها هم به همان نسبت افزایش پیدا می کند.

حسگرهای اولتراسونیک

جدیدترین نسل حسگرهای اثر انگشت، حسگرهای اولتراسونیک هستند که بهترین گزینه برای جایگزینی با حسگرهای خازنی هستند. اساس کار این مدل حسگر، گرفتن تصویر سه بعدی از فرورفتگی ها و برآمدگی های پوست به جای دو بعدی است. حسگرهای اولتراسونیک، برای ثبت کامل و دقیق جزئیات اثر انگشت، دارای فرستنده و گیرنده هستند و پالس‌های فراصوتی روی سطح حسگر  را به سمت اثر انگشت فرستاده تا برخی از پالس‌ها جذب انگشت شده و برخی دیگر بسته به خطوط منحنی، فرورفتگی‌ها، برآمدگی ها و دیگر جزئیات سر انگشت، به سمت حسگر باز گردد. این مدل حسگر، نسبت به دیگر مدل ها از دقت بسیار بالاتری برخوردار بوده و توانایی اسکن و ثبت جزئیات از زیر شیشه و صفحه نمایش را نیز دارند. علاوه بر این نسبت به خیس بودن و چربی انگشتان حساس نیستند. البته باید به این نکته توجه کرد که هنوز این حسگرها با برخی از محافظ های صفحه نمایش سازگار نیستند و به خوبی کار نمی کنند. از طرفی به کار گیری این نوع حسگرها باعث کم شدن حاشیه گوشی و بزرگتر شده ال سی دی گوشی می شود که از نکات مثب طراحی گوشی قلمداد می شود. همچنین حسگرهای یکپارچه با صفحه نمایش ممکن است از نوع اپتیکال و یا اولتراسونیک باشند. این نوع حسگرها در صورت استفاده از محافظ صفحه نمایش نیز کارایی خود را حفط می کنند.

حسگرهای فشاری

این حسگرها متشکل از نوعی مواد پیزوالکتریک یا به عبارت ساده تر از موادی که به وسیله فشردن برق تولید می کنند، ساخته شده اند که نسبت به فشار حساس هستند. نحوه عملکرد آنها به این صورت است که زمانی که اثر انگشت بر روی حسگر قرار می گیرد، قسمت های برآمده انگشت موجب وارد کردن فشار به سطح حسگر شده در صورتی که قسمت های فرو رفته هیچ تغییری ایجاد نمی کنند و این فشار باعث تغییر آرایش موارد پیزوالکتریک و تولید ولتاژ و تبدیل آن به اثر انگشت می شود.

حسگرهای حرارتی

اسکنرهای حرارتی دارای حسگر هایی بوده که دارای موادی است که بر اثر حرارت، الکتریسیته تولید می کنند. مکانیسم عمل این حسگرها به گونه ای است که وقتی انگشت بر روی سطح اسکنر قرار می گیرد، یک نقشه دمایی از نقاط فرورفتگی و برآمدگی سطح انگشت و همینطور دمای هوایی که در بین این برآمدگی‌ها وجود دارد، ایجاد کرده و آن را به تصویر دیجیتالی تبدیل می‌ کند.

حسگرهای رادیویی

ساختار این نوع حسگرها مشتکل از عناصری است که هر کدام از آن ها به عنوان آنتن ها و گیرنده های کوچکی عمل می کنند. این حسگرها امواجی با شدت کم ایجاد کرده و آن‌ها را به سمت سطح اسکن‌ شده‌‌ انگشت ارسال می‌کنند؛ سپس هر یک از این آنتن‌ها، امواج بازتاب‌ شده از روی الگوهای اثر انگشت را دریافت می‌کنند. میزان نیروی محرکه‌ الکترونیکی القا‌ شده به هر یک از این آنتن‌ها به وجود یا نبود بالاترین نقاط اثر انگشت در نزدیکی آن‌ها بستگی دارد. در نهایت ماتریسی از امواج ارسالی و دریافتی از آنتن ها به تصویری دیجیتالی از اثر انگشت تبدیل می شود.

مکان قرار گرفتن حسگرهای اثر انگشت
فینگر پرینت ها یا همان حسگرهای اثر انگشت، در گوشی های مختلف ممکن است در مکان های متفاوتی قرار گرفته باشند. در ابتدا این حسگرها فقط در قسمت جلویی گوشی یا زیر دکمه هوم قرار می گرفتند. اما بعدا مکان آنها به پشت گوشی یا در زیر دوربین تغییر پیدا کرد. در مدل های جدید نیز به وسیله تکنولوژی خاص، این حسگر در زیر صفحه نمایش و به صورت یکپارچه با صفحه نمایش قرار گرفته اند و به صورت فیزیکی قابل مشاهده نیستند.