سنسور اثر انگشت چگونه کار می‌کند؛ همه چیز درباره حسگرهای اثر انگشت

سنسور اثر انگشت: با پر رنگ‌تر شدن هر روزه نقش موبایل‌های هوشمند در زندگی تک تک افراد و عملکرد آنها به عنوان دوربین شخصی، آلبوم عکس خانوادگی، شعبه بانک خصوصی، دفترچه یادداشت، مسیریاب ماهواره‌ای، کنسول بازی و ده‌ها کاربرد بسیار مهم دیگر، محافظت از این عضو گران‌بها که باید آن را اینک عضو جدیدی از خانواده تلقی کرد بسیار پر اهمیت به نظر می‌رسد. محافظت از محتوای اسمارت‌فون‌ها تا مدت‌های مدید تنها با کلمات عبور و پترن‌های کشیدنی روی صفحه‌نمایش صورت می‌پذیرفت و نوآوری‌های گاه و بیگاهی همچون مکانیزم تشخیص چهره چندان با موفقیت و استقبال عمومی روبرو نشدند.

شرکت اپل اما در سال 2013 با معرفی iPhone 5s مجهز به سنسور اثر انگشت در دکمه زیر صفحه‌نمایش، به یکباره توجه جهانیان را به ساختار تازه‌ای معطوف ساخت که با وجود آنکه سال‌ها در دیگر صنایع مورد استفاده قرار گرفته بود تا پیش از این کمتر کسی به استفاده از آن برای بازگشایی قفل و محافظت از محتوای گوشی فکر کرده بود. آیفون 5s البته اولین اسمارت‌فون مجهز به این فناوری نبود و پیش از این دیوایس‌‌های دیگری که از آن میان می‌توان به موتورولا Atrix (ارائه شده در سال 2011) اشاره کرد از این گزینه بهره گرفته بودند.

تفاوت اپل در این میان علاوه بر استفاده از یک فناوری جدیدتر،‌ بدون شک به کاربران چند صد میلیونی گوشی‌های آیفون در سرتاسر دنیا تعلق داشت که نقش بسیار مهمی در هر چه پررنگ‌تر شدن این گزینه‌ امنیتی و ترغیب دیگر سازندگان به استفاده از آن در دیگر گوشی‌ها داشت.

سامسونگ در فاصله بسیار کوتاهی پس از رونمایی از iPhone 5s، پرچمدار جدید خود با نام Galaxy S5 را به این گزینه مجهز ساخت که با وجود تفاوت در اجرا، حداقل در کوتاه‌مدت کاربران این برند را راضی نگه می‌داشت. با پایان سال 2015، سنسور اثر انگشت نه‌تنها اینک در تمامی گوشی‌های پرچمدار برندهای مختلف دیده می‌شود بلکه گستره نفوذ این قابلیت به سطح میانی و حتی پایین بازار نیز کشیده شده است. دقت، راحتی و سرعت عملکرد این گزینه امنیتی تا حدی بالاست که حتی در سال جاری نیز با به میان آمدن قابلیت امنیتی بیومتریک جدید یعنی اسکن عنبیه چشم (معرفی شده در خانواده لومیا 950 مایکروسافت و Galaxy Note7 سامسونگ) حداقل در آینده نزدیک تهدیدی متوجه این قابلیت نیست.

عملکرد یک سنسور اثر انگشت در نگاه اول بسیار ساده به نظر می‌رسد؛ یک اسکنر اثر انگشت که در زیر یک سطح مشخص قرار گرفته، تصویر دو بعدی یا سه‌بعدی از خطوط سر انگشتان تهیه کرده و سپس آن را برای مقایسه با نمونه مرجع به نرم‌افزاری مشخص انتقال می‌دهد این عملکرد با اینکه ساده به نظر می‌رسد اما اجرای آن به گونه‌ای که کاربردی، قابل اطمینان، کوچک و سریع باشد چندان ساده نیز نخواهد بود در این مقاله سعی شده تا شیوه‌های اصلی کارکرد سنسورهای اثر انگشت همراه با نکات مثبت و منفی هریک تشریح شود.

1- حسگرهای اثر انگشت خازنی

اسکنرهای خازنی که این روزها تقریبا در تمامی گوشی‌های مدرن دارای سنسور اثر انگشت به کار گرفته می‌شوند بر پایه یک اصل مهم و ساده ساخته شده‌اند که در طی آن از قابلیت انتقال الکتریسیته از یک خازن به سطح پوست (در صورتی که فاصله به اندازه کافی اندک باشد) بهره گرفته شده است.

در این فاصله کوتاه، چین و شکن‌های روی نوک انگشتان همجون قله‌ها و دره‌های مشخصی به نظر می‌رسند که هرچه فاصله آنها با خازن جای گرفته در سطح سنسور کمتر باشد در نتیجه میزان الکتریسیته بیشتری به سطح پوست منتقل می‌شود و بالعکس با افزایش فاصله انگشت با سنسور، میزان الکتریسیته انتقالی نیز کمتر خواهد بود. در این حالت اگر خازن‌های جای گرفته در اسکنر اثر انگشت را همانند پیکسل‌های یک سنسور تصور کنیم و بالاترین سطح انتقال الکتریسیته را با رنگ مشکی و کمترین آن را با رنگ سفید نشان دهیم در نتیجه خروجی این اسکنر یک تصویر دو بعدی با سطوح مختلف رنگ خاکستری خواهد بود که مفهوم قسمت‌های تیره‌تر نزدیک‌تر بودن چین و شکن‌های سطح پوست به اسکنر است.

نکات مثبت : این روش ساده در عمل بسیار کارآمد ظاهر می‌شود چرا که علاوه بر سرعت و دقت، تنها روی پوست قابل اجراست و در صورتی که حتی نمونه‌ای از سطح پوست روی یک قالب برای دور زدن این روش تهیه شود نیز به دلیل اینکه قالب تهیه شده لزوما دارای همان درجه رسانش پوست انسان نیست، امکان بازگشایی به این روش وجود ندارد. البته نگفته پیداست که این روش نیز غیر قابل هک کردن نبوده و در صورتی که ماده‌ای با درجه رسانش یکسان با پوست انسان برای پیاده کردن یک اثر انگشت مورد استفاده قرار بگیرد می‌توان به آن نفوذ کرد؛ روشی که البته به واقعیت چندان نزدیک نیست.

نکات منفی : نکته منفی اصلی این روش کار نکردن آن هنگام تمییز نبودن سطح پوست و یا مرطوب بودن آن است. به عنوان نمونه تغییرات ایجاد شده روی سطح انگشتان هنگام در تماس بودن پوست با رطوبت برای طولانی‌مدت (مثلا پس از استحمام) این سنسور را به اشتباه می‌اندازند. رطوبت یا عرق دست از سوی دیگر، درجه رسانش سطح پوست را نیز تغییر داده و سنسورهای خازنی را با مشکل روبرو می‌سازد. یک نکته منفی دیگر در این میان کار نکردن این فناوری از پشت پوشش‌هایی نظیر شیشه و فلز است و به همین علت سنسورهای اثر انگشت در گوشی‌های فعلی همواره یک جایگاه مشخص را روی گوشی به خود اختصاص داده‌اند.

2- سنسورهای اثر انگشت فراصوتی (التراسونیک)

این سنسورهای جدید که می‌توانند آینده این صنعت را متحول کنند به جای تهیه یک مدل دو بعدی از نوک انگشتان، یک نمونه سه‌بعدی را از آن تشکیل می‌دهند. در این نوع از سنسورها، با کمک امواج التراسونیک، مدلی سه‌بعدی از اثر انگشت ایجاد می‌شود که در آن تمامی چین و شکن‌های سطح پوست به همان صورتی که وجود دارند دیده می‌شود. در اسکنرهای اثر انگشت دو بعدی، تلاش سنسور برای “دیدن” الگوی اثر انگشت و سپس مطابقت دادن آن با اطلاعات حاضر در دیتابیس است؛ در فناوری التراسونیک اما روش کاملا متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فناوری امواج صوتی همانند یک رادار به سطح پوست فرستاده شده و سپس با کمک امواج بازگشتی از سطح جسم سختی که در مسیر آن قرار دارد (که در اینجا نوک انگشتان است) تصویری سه‌بعدی از سوژه تهیه می‌شود.

نکته بسیار جالب در این روش آن است که تمامی موانع دیگری که در این مسیر از چگالی کمتری برای بازتاب امواج التراسونیک برخوردارند (همانند عرق سطح پوست، کرم روی دست و…) در ایجاد تصویر نهایی نادیده گرفته می‌شوند و بدین‌ترتیب یکی از مشکلات اصلی روش اسکنرهای خازنی در این روش وجود ندارد. برای مقایسه می‌توان این روش را با سونوگرافی برای مشاهده جنین در رحم مادر تا حدودی یکسان دانست.

مزیت مهم دیگر این روش تقریبا غیر ممکن بودن دور زدن آن است چرا که تصویر شکل گرفته در این اسکنر برخلاف روش قبلی سه‌بعدی بوده و شکل دادن یک تصویر سه‌بعدی کاملا یکسان همچون سر انگشتان یک شخص خاص بسیار دور از ذهن به نظر می‌رسد. در این روش همچنین نیاز به قرار دادن انگشت روی سنسور نبوده و در یک فاصله مشخص نیز عملیات تشخیص صورت می‌پذیرد کارکرد آن از پشت فلز و شیشه نیز دیگر مزیت مهم این فناوری است.

کوالکام یکی از اولین شرکت‌های بزرگی‌ست که نمونه واقعی این فناوری را با نام Sense ID به معرض نمایش گذاشته و LeTV Max Pro و LeTV Max 2 نیز نخستین اسمارت‌فون‌هایی هستند که از این قابلیت در دنیای واقعی بهره برده است.

نکات مثبت : کاهش بسیار شدید امکان هک شدن با تهیه نسخه سه‌بعدی از سطح انگشت به جای دوبعدی، کارکرد از پشت شیشه و فلز و همچنین تاثیر نپذیرفتن از رطوبت و دیگر موانع روی سطح پوست

نکات منفی : ظاهرا این روش از قیمت بالاتری در اجرا در مقایسه با روش معمول خازنی برخوردار است.

3- اسکنرهای اثر انگشت نوری

این روش که نمونه آن را در نسل قبلی لپ‌تاپ‌های دارای سنسور اثر انگشت و سفارت‌ها و ادارات تشخیص هویت می‌توان مشاهده کرد از روش نسبتا ساده‌ای در اجرا بهره می‌برد. در اینگونه اسکنرها، یک نور مرئی برای نمایان شدن سطح پوست به بیرون تابیده شده و سپس یک سنسور نوری، چین و شکن‌های سطح اثر  انگشت را به واسطه این نور رصد می‌کند. این روش با وجود سادگی، از کارکردی قابل اطمینان برخوردار است اما برای اجرای آن فضای بسیار بزرگ‌تری برای جای‌گذاری منبع نور نیاز خواهد بود. دور زدن این سیستم‌ به علت کارکرد آنها که همانند یک دستگاه فتوکپی عمل می‌کنند نیز ساده‌تر از سایرین به نظر می‌رسد.

در سال گذشته اما یک شرکت فناوری به نام Vkansee (با تلفظ wee can see) موفق به ساخت یک اسکنر اثر انگشت نوری با رزولوشن 2000dpi شده که این مقدار به گفته این شرکت 4 برابر بیشتر از وضوح تصویر سنسورهای معمول خازنی است. اطلاعات بیشتر در مورد این سنسور را در ویدئوی زیر می‌توانید مشاهده کنید.

نکات مثبت :‌ اجرای آسان و هزینه‌های کمتر مطمئنا مهم‌ترین نکات مثبت این روش هستند.

نکات منفی :‌ دقت پایین و امکان دور زدن آسان آنها (حداقل در نسخه‌های معمول) بی‌شک اصلی‌ترین موارد منفی در مورد این روشن را تشکیل می‌دهند. از نگاهی دیگر فضای نسبتا زیادی نیز برای اجرای این قابلیت مورد نیاز است و حضور آنها به همین دلیل در گجت‌های همراه از جمله اسمارت‌فون‌ها با محدودیت‌های مشخصی همراه است.

4- اسکنرهای اثر انگشت کشیدنی

اسکنرهای اثر انگشت کشیدنی (Swipe) در مقابل نمونه‌های ایستا (Static) قرار گرفته و نمونه آشنا و مشخص آن را می‌توان در پرچمداران سال 2014 سامسونگ یعنی Galaxy S5 و Note 4 مشاهده کرد. این شیوه که در حال حاضر تقریبا جایی در اسمارت‌فون‌ها و تبلت‌ها ندارد از یک ردیف تکی و یک بعدی از سنسورها (همانند یک خط از پیکسل‌ها) استفاده کرده و کاربران باید انگشت خود روی این سطح (با زاویه و سرعت مناسب) برای ایجاد یک تصویر دو بعدی از سطح انگشت حرکت دهند. این روش به دلیل احتمال بالای حرکت داده نشدن صحیح انگشت (از لحاظ سرعت و زاویه) از دقتی در سطح سنسورهای معمول استاتیک برخوردار نیست هرچند نمونه‌های حاضر در گلکسی S5 و Note 4 در عمل سنسورهای چندان بدی نیز به حساب نمی‌آمدند.

نکات مثبت :‌ هزینه کمتر اجرا شاید تنها نکته مثبت قابل ذکر در مورد این روش باشد.

نکات منفی : ‌دقت کمتر و نیاز به اجرای چندین باره عملیات در صورت حرکت ندادن صحیح انگشت روی سنسور مهم‌ترین نکته منفی این روش به حساب می‌آید.

5- دیگر روش‌های اسکن اثر انگشت که در دیوایس‌های معمول کاربران دیده نمی‌شوند

اسکنرهای اثر انگشت حرارتی :‌

این روش هماند اسکنرهای خازنی نوع اول عمل می‌کند اما به جای اندازه‌گیری جریان الکتریکی گذر کرده از سطح پوست، در این روش تغییرات حرارت پوست در قسمت‌های مختلف، مبنای تشخیص قرار می‌‌گیرد به این صورت که نقاط نزدیک‌تر پوست به سنسور (قله‌ها) حرارت بیشتری نسبت به نقاط دورتر پوست (دره‌ها) ایجاد می‌کنند و بدین‌ترتیب یک تصویر دو بعدی از سطح پوست ایجاد می‌شود. نکته جالب در مورد این روش این است که طبیعتا نیاز به یک پوست گرم (بخوانید انسان زنده!) برای تشخیص اثر انگشت خواهد بود.

اسکنرهای اثر انگشت فشاری :

• همانطور که از نام این روش می‌توان حدس زد، مبنای تشخیص اثر انگشت در این شیوه تشخیص اختلاف فشار ایجاد شده توسط چین و شکن‌های سطح پوست و استفاده از آن برای تعیین هویت است. این روش از دقت بسیار بالایی برخوردار است و سنسورهای بیش از اندازه حساسی در آن به کار می‌روند. نکته منفی این روش این است که به دلیل حساسیت بسیار بالای سطح سنسور، پوشش رویی آن می‌تواند در برابر شوک و خراشیدگی آسیب‌‌پذیر باشد و در صورت محافظت آن با هر سطح خارجی همچون شیشه نیز میزان حساسیت آن کاهش پیدا می‌کند.

اسکنرهای اثر انگشت با تشخیص فرکانس رادیویی (RF) :

در این روش برای هر پیکسل تصویر نهایی دو بعدی، یک آنتن در نظر گرفته شده که می‌توانند اندکی از سطح پوست فراتر رفته و داده‌های داخلی آن را نیز رصد کنند (اندکی همانند سونوگرافی). این روش می‌تواند در هنگام خراشیدگی‌های جزئی سطح پوست نیز کارآمد باشد.