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12.10.2017 - 00:00
Technik angeschaut

So funktionieren Fingerabdruck-Sensoren

Welche Technik gibt es und wie sicher sind sie

Inhaltsverzeichnis:

  1. Optisches & kapazitives Prinzip
  2. Verbreitung, Ultraschallprinzip
  3. Alles auf einer Seite lesen

Zahlreiche Smartphones werden in der heutigen Zeit mit biometrischen Funktionen ausgestattet, um den Zugriff durch Fremde zu erschweren. Auch wenn PIN oder Passwort als sicher gelten, so ist ein Finger­abdruck vergleichs­weise aufwändig zu fälschen. Der Chaos Computer Club hatte 2013 den erstmaligen Einsatz von Touch ID im iPhone 5s knacken können, indem ein Fingerabdruck hochauflösend fotografiert, ausgedruckt und mit weißem Holzleim ausgefüllt, erstellt wurde.

Auch wenn jeder Finger­abdruck theoretisch einmalig auf der Welt ist, selbst bei eineiigen Zwillingen, gibt es eine gewisse Fehler­quote, die aus dem Prinzip der Erkennung heraus resultiert. Denn zum Vergleich von Finger­abdrücken wird üblicherweise nur ein Teil­ausschnitt verwendet, nicht aber der gesamte mögliche Finger­abdruck, weshalb Gemeinsam­keiten zwischen zwei verschiedenen Finger­abdrücken potenziell deutlich größer ausfallen und zu der Fehler­quote führen.

Mittlerweile hat die Technik hinter den Fingerabdruck­sensoren ihren Weg sogar in Einsteiger-Modelle gefunden, wie das Gigaset GS170 oder Archos Neon 45 beweisen. Auch in der Mittel­klasse ist ein Großteil der erhältlichen Modelle mit einem Fingerabdruck­sensor ausgestattet und im Premium­bereich gehört die Technik quasi schon zur Grundausstattung.

Grund genug für teltarif.de einmal näher auf die dabei verwendete Technik selbst zu schauen. Drei Methoden, ein Ziel

Fingerabdrucksensor

Ohne geht fast nicht mehr: Der Fingerabdrucksensor im Smartphone
Bild: teltarif.de

Aktuell existieren drei verschiedene Technologien zur Erkennung von Finger­abdrücken für Smartphones, wovon zwei derzeit zur Anwendung kommen: Die optische und die kapazitive Methode. Beiden ist gemeinsam, dass sie zunächst ein Bild des Finger­abdrucks anfertigen und dieses bei dem Versuch das Gerät zu entsperren, als Vergleich heranziehen. Die dritte Methode basiert auf Ultraschall und steckt noch mitten in der Entwicklung.

Worin sich die zwei derzeit verwendeten Methoden unterscheiden ist lediglich die Art, wie das Abbild des Fingerabdrucks angefertigt und anschließend überprüft wird. Optischer Sensor Grundlage eines jeden optisch arbeitenden Fingerabdruck­sensors ist ein ladungs­gekoppeltes Bauteil unterhalb der Sensor­fläche, was gemeinhin als CCD bezeichnet wird. Prinzipiell handelt es sich dabei um einen Sensor wie er in einfachen Digital­kameras oder Camcordern zum Einsatz kommt.

Die auf dem Chip platzierten licht­empfindlichen Dioden wandeln ein aufgenommenes Bild mit Hilfe eines Analog-zu-Digital-Konverters in elektrische Signale um, quasi ein digitales Muster, die wiederum von der Software des Sensors verarbeitet werden. Üblicherweise hat ein solcher optischer Fingerabdruck­sensor eine eigene Licht­quelle, die Aufnahme wird jedoch zur besseren Verarbeitung invertiert gespeichert. Je dunkler ein Bild­bereich, umso stärker wird das Licht reflektiert. Dunkle Stellen stehen dabei für Papillar­leisten - das bekannte Muster eines Fingerabdrucks, beziehungs­weise die Fingerrillen - während helle Bereiche die Zwischenräume der Rillen sind.

Fingerabdrucksensor

Schematische Darstellung eines optischen Fingerabdrucksensors
Bild: Humboldt-Universität Berlin / Vortrag Fingerabdrucksysteme

Während des Scan-Vorgangs zum Entsperren nimmt der CCD-Sensor ein neues Bild des aktuell aufgelegten Fingers auf, um es mit dem gespeicherten Finger­abdruck zu vergleichen. Ist die Ausleuchtung zu gering oder zu stark, wird die Leuchtstärke der integrierten Leucht­dioden angepasst, um ein besseres Bild für den Vergleich aufzunehmen. Mittels verschiedener Algorithmen werden schließlich Vorlage und Aufnahme miteinander verglichen, ob es sich um denselben Abdruck handelt. Kapazitiver Sensor Vom Prinzip her arbeitet ein kapazitiver Sensor ähnlich wie sein optisches Gegenstück: Er nimmt ein (digitales) Muster der Papillar­leisten des Fingers auf. Allerdings nicht mit Hilfe von Leucht­dioden, sondern mit elektrischer Spannung. Dazu ist ein Array aus Tausenden winzig kleinen Kondensator­zellen auf dem Sensor-Chip untergebracht, deren elektrische Ladung sich durch das Auflegen des Fingers auf einer leit­fähigen Silizium­schicht als Platte ändert. Diese Zellen bilden zusammen mit der leitfähigen Finger­oberfläche einen Kondensator, woraus ein kapazitives Ladungs­bild erstellt wird. Dieses wiederum entsteht durch die Papillar­linien der Haut­oberfläche des Fingers, denn die Luft­schicht zwischen der Haut, den Rillen und der leitenden Oberfläche beeinflusst die Spannung der Kondensator­zellen gar nicht.

Über einen Operations­verstärker mit integrierten Schaltkreis - auch Op-Amp genannt - und einem simplen Analog-zu-Digital-Konverter, lassen sich die elektrischen Signale schließlich zu einem digitalen Bild umwandeln. Ab hier arbeitet ein kapazitiver Fingerabdruck­sensor wie es ein optischer Sensor: Das gescannte Muster wird mit der Vorlage verglichen, analysiert und bei Übereinstimmung das Gerät entsperrt.

Fingerabdrucksensor

Schematische Darstellung eines kapazitiven Fingerabdrucksensors
Bild: Vivek Hegde / Slideshare

Da die Preise für kapazitive Fingerabdruck­sensoren in den Anfangs­zeiten noch sehr hoch waren, versuchten manche Hersteller die Kosten durch eine Reduktion der Kondensatorzellen zu senken. Zu erkennen sind solche Sensoren dadurch, dass der Finger über diese gestrichen werden muss. Beispiele hierfür sind das Galaxy S5 und das Galaxy Note 4 von Samsung.

Auf der nächsten Seite lesen Sie, was die nächste Evolutions­stufe darstellt und wie es um die Sicherheit der Finger­abdrücke bestellt ist.

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