So funktionieren Fingerabdruck-Sensoren
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
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.
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.
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.