Det lille blålige vinduet midt på den svarte brikken inneholder et rutenett av mange små vibratorer som sender ultralyd ned i fingertuppen. Slik leses fingeravtrykk i dybden for å identifisere eieren. Slike fingeravtrykk er mye vanskeligere å forfalske enn de som bare ser mønsteret på overflaten av fingeren.  (Foto: Dave Horsley/University of California, Davis)
Det lille blålige vinduet midt på den svarte brikken inneholder et rutenett av mange små vibratorer som sender ultralyd ned i fingertuppen. Slik leses fingeravtrykk i dybden for å identifisere eieren. Slike fingeravtrykk er mye vanskeligere å forfalske enn de som bare ser mønsteret på overflaten av fingeren. (Foto: Dave Horsley/University of California, Davis)

Lås opp mobilen med fingeravtrykk i 3D

Ultralyd kan skanne både porene i huden og blodårene under.

Publisert

Forskere fra University of California, Davis har utviklet en sensor som ikke bare skanner fingeravtrykket i dybden, men også kan registrere blodårer og andre detaljer under huden.

Denne metoden er mye sikrere enn bare å se på overflatemønsteret slik som blant annet Apples iPhone gjør, ifølge studien i tidsskriftet Applied Physics Letters.

Vis dem finger’n

Fingeravtrykk har en lang historie. Leirtavler fra det gamle Babylon hadde fingeravtrykk. Romere, kinesere og arabere fulgte opp i århundrene som fulgte. Fingeravtrykk i leire, på silke og papir ble brukt som signaturer.  

På 1700-tallet begynte politifolk å bruke fingeravtrykk for å identifisere forbrytere. I 1892 ble det første mord oppklart ved at blodige tommelavtrykk avslørte gjerningskvinnen. Hun hadde drept sine to sønner i Argentina.

Da Apple lanserte fingerskanning på sin iPhone i 2013, fulgte de opp den gamle babylonske tradisjonen. Hensikten var ikke å avsløre, men å identifisere.

Fingeravtrykket var din signatur. Den åpnet telefonen for deg. Den gir analfabeter i fattige land en stemme. Slagordet  en tommel – en stemme viser hvordan fingeravtrykk gir analfabeter i fattige land en stemme i demokratiske valg.

Krigene i Irak og Afghanistan innebar nært samarbeid med sivile. Hvem var venn og hvem var fiende? Elektronisk innsamling av fingeravtrykk kunne gi svar.

For oss som surfer på velstand og høyteknologi, er fingeravtrykk forlokkende enkle i bruk. Farvel, pinkoder og passord. Din kropp er ditt beste bumerke. Eller – er den?

Utladning lager mønster

Apples teknologi brukte den samme metoden som lar oss sveipe over skjermen. Den har et tynt lag av elektrisk ledende materiale, oppdelt i mange små områder. I hvert område er det en liten elektrisk ladning.

Huden vår leder også elektrisk strøm. Når den berører skjermen, lades den delvis ut på dette området på skjermen. Skjermen registrerer at du tar på den i akkurat dette området.

Denne teknologien kan utnyttes videre til skanning av fingeravtrykk. Huden er jo ikke helt jevn. Områdene under porene i fingeren blir mindre utladet enn områdene der rillene i huden berører. Slik kan du gjenskape et elektronisk bilde av fingeravtrykket.

Hacket fingeravtrykk

Men metoden er ikke helt trygg. Svette og hudkrem kan tette igjen porene og gjøre iPhone usikker på om du er du. Og fingeravtrykket ditt kan forfalskes.

I september 2013 demonstrerte en gruppe tyske hackere at de kunne lure iPhone med et fotografert fingeravtrykk. Hackerne skrev ut fotografiet med tykt blekk, overførte dette tykke mønsteret til et gummiark og plasserte det på skjermen.

Ekko fra dypet

Den nye ultralydsensoren vil løse dette problemet, ifølge forskerne fra University of California, Davis.

Prinsippet er det samme som ved ultralyd av fostre og for den saks skyld ekkolodd eller seismiske målinger av jordas indre.

Du sender en trykkbølge ned i et stoff – med en ultralydsonde mot magen, med en sonar under fiskebåten eller med en dynamittladning i et hull ned i jorda.

 Forskjellige deler av stoffet leder lyden ulikt. Derfor kommer det forskjellige ekko tilbake til ulike tider. Jo mer forsinket ekkoene er, desto dypere nedenfra kommer de.

Disse ekkoene kan analyseres og danne et tredimensjonalt bilde – av barnet i mors liv, av fiskestimer i dypet eller berglag i jordskorpa.

Ekko fra sjokkbølger gjennom fjell kan gi opplysning om forskjellige berglag, på samme måte som ultralyd kan gi opplysninger om forskjellige typer vev hos fosteret i livmoren eller rugler på huden og under huden til fingertuppen. Slik tegnes et tredimensjonalt bilde i dybden. Figuren viser at refleksjonene, altså ekkoene, av en sprengning på overflaten er ulike for de ulike berglagene. Noen refleksjoner går direkte, andre reflekteres flere ganger. Refleksjonene fanges opp av en slags stor mikrofon og analyseres for å gi det tredimensjonale bildet. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no/Colourbox.))
Ekko fra sjokkbølger gjennom fjell kan gi opplysning om forskjellige berglag, på samme måte som ultralyd kan gi opplysninger om forskjellige typer vev hos fosteret i livmoren eller rugler på huden og under huden til fingertuppen. Slik tegnes et tredimensjonalt bilde i dybden. Figuren viser at refleksjonene, altså ekkoene, av en sprengning på overflaten er ulike for de ulike berglagene. Noen refleksjoner går direkte, andre reflekteres flere ganger. Refleksjonene fanges opp av en slags stor mikrofon og analyseres for å gi det tredimensjonale bildet. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no/Colourbox.))

Svingende krystaller

Den elektroniske brikken for lesing av fingeravtrykk går ikke så dypt. Likevel går den dypt nok til å gjøre en bedre jobb enn skjermen på en iPhone.

Brikken består av to lag. Underst er elektronikken som fanger opp og behandler data. Øverst er 192 ørsmå høyttalere, plassert i et 24 ganger 8 rutemønster. Skjønt, å kalle dem høyttalere er å overdrive – eller kanskje snarere å underdrive.

De små lydgeneratorene sender nemlig ut vibrasjoner langt over hva vi kan høre – 22 millioner svingninger i sekundet. Vibrasjonene lages i en bestemt type krystaller som beveger seg når de får elektrisk spenning. De kalles piezoelektriske krystaller.

Disse ultraraske vibrasjonene forplanter seg nedover gjennom huden i fingertuppen og videre ned i vevet under og sender ekko tilbake. De samme piezoelektriske krystallene virker da som mikrofoner og fanger opp ekkoene.

Tverrsnitt av elektronikkbrikken som sender ultralyd inn i fingertuppen og leser av ekkoene som kommer tilbake. De piezoelektriske krystallene virker både som høyttalere og mikrofoner. Vibrasjonene forplantes gjennom et koblingsmateriale opp til porene i fingeren, skissert øverst. (Foto: (Figur: Fra Open Access-studien i Applied Physics Letters.))
Tverrsnitt av elektronikkbrikken som sender ultralyd inn i fingertuppen og leser av ekkoene som kommer tilbake. De piezoelektriske krystallene virker både som høyttalere og mikrofoner. Vibrasjonene forplantes gjennom et koblingsmateriale opp til porene i fingeren, skissert øverst. (Foto: (Figur: Fra Open Access-studien i Applied Physics Letters.))

Ser svetteporer og blodårer

Hudkrem og svette er ikke lenger noe problem. Hudkremen lager bare et litt annerledes ekko enn huden, slik som muskler lager et annet ekko enn bindevev i fosteret, eller fisk lager et annet ekko enn havbunnen i et ekkolodd.

Mønsteret av fingeravtrykket kan derfor fortsatt gjenkjennes. Ultralyden trenger også ned under det ytterste hudlaget.

– Det viser seg at du har det samme fingeravtrykket i underhuden som i overhuden, sier en av forskerne, David Horsley, til den amerikanske allmennkringkasteren PBS.

Dypere nede finnes også svetteporer og blodårer og andre personlige kjennetegn som er mye vanskeligere å forfalske.

Kommer på mobiler til høsten

De amerikanske forskerne er ikke de eneste som utvikler ultralyd for gjenkjenning av fingeravtrykk. Den amerikanske elektronikkprodusenten Qualcomm viste fram en lignende teknologi på Mobile World Congress i Barcelona i begynnelsen av mars 2015.

Ifølge nettsidene til Qualcomm skal sensoren Snapdragon Sense ID brukes i mobiltelefoner som kommer på markedet høsten 2015.

Medlem av samme forskningssenter

Qualcomm er medlem av det samme forskningssenteret som David Horsley arbeider på, Berkeley Sensor and Actuator Center.

I en e-post til forskning.no skriver Horsley at han ikke kan kommentere for mye om de spesifikke forskjellene mellom teknologien han har vært med på å utvikle og arbeidet ved Qualcomm.

Likevel går det fram av materiale han har tilsendt at Qualcomms fingersensor bygger på teknologi fra et firma de kjøpte opp i mars 2013, Ultra-Scan Corporation. Ultra-Scan har utviklet sensorer blant annet for militær bruk.

Ulike teknologier

Av materialet går det også fram at Qualcomm og Ultra-Scans løsning bygger på tynnfilmtransistorer. Slike transistorer brukes oftest i skjermer med flytende krystaller, det vil si blant annet dataskjermer og mobilskjermer.

Horsley skriver at deres løsning er annerledes. Som figuren over viser, bygger de sensoren på silisiumbrikker og med vanlige datakretser, av samme type som brukes i blant annet mikroprosessorer i datamaskiner.

Referanse og lenker:

Y. Lu m.fl.: Ultrasonic fingerprint sensor using a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array integrated with complementary metal oxide semiconductor electronics, Applied Physics Letters, 106, 263503 (2015), DOI: 10.1063/1.4922915.

Ultrasound sensors dig deeper into your fingerprints and fat, nyhetsmelding på nettstedet til den amerikanske allmennkringkasteren PBS.

Ultrasonic Fingerprint Sensor May Take Smartphone Security to New Level, nyhetsmelding fra American Institute of Physics.

Qualcomm – Biometrics Within the Wireless and Mobile Computing Industry. Pdf av presentasjon holdt av John Schneider fra Qualcomm 17.9.2013, blant annet med informasjon om oppkjøpet av Ultra-Scan Corporation.

Breakthrough 3D fingerprint authentication with Snapdragon Sense ID, blogg på nettsidene til produsenten Qualcomm.

Qualcomm launches Snapdragon Sense ID 3D Fingerprint Technology, nyhetsmelding fra nettstedet News Medical.

Hackers claim to have defeated Apple’s Touch ID print sensor, nyhetsmelding fra nettstedet CNET, 22. September 2013.

Booming biometrics – how human data is transforming the battlefield, artikkel på nettstedet army-technology.com.