Ultraschall-Chip für Fingerabdrücke in 3D

Jeder Fingerabdruck ist einzigartig. Gerne nutzen Handyproduzenten dieses Erkennungs­merkmal, um über einen kleiner Scanner den legitimiertenZugriff zum Gerät zu erlauben. Doch die zweidimensionalen Bilder der Hautrillen bieten keine völlige Sicherheit. Nicht immer können die Scanner einen echten Finger von einer Kopie unterscheiden. Um diese Sicherheits­lücke zu schließen, entwickelten nun Forscher der University of California in Berkeley und Davis einen filigranen 3D-Scanner für Finger­abdrücke.

Mit Ultraschallwellen nahmen David Horsley und seine Kollegen vom Berkeley Sensor and Actuator Center hochaufgelöste und dreidimensionale Bilder eines Fingerabdrucks auf. Möglich wurde dies mit einem neu entwickelten Ultraschall-Chip, der sich klein genug bauen lässt, um ihn in ein Smartphone integrieren zu können. Das Team setzte dazu 196 winzige Ultraschall-Wandler auf ein Areal mit etwa einem Zentimeter Kantenlänge. Der Abstand der Wandler zueinander betrug hundert Mikrometer. Diese Wandler sendeten Ultraschallwellen aus, die von der filigranen Rillenstruktur einer Fingerkuppe reflektiert wurden. Der Aufbau des Chips erlaubte es zudem, die reflektierten Wellen wieder aufzufangen. Die so gewonnen Daten bildeten die Basis für ein dreidimen­sionales Abbild eines Fingerabdrucks mit einer Auflösung von etwa zweihundert Mikrometern.

Stolz sind Horsley und Kollegen auf ihr im Prinzip massen­taugliches Fertigungs­verfahren. Unter anderem kamen litho­grafische Methoden zum Einsatz, die in der Industrie für den Bau von Sensoren und mikro­elektro­mechani­schen Systemen (MEMS), bereits verbreitet sind. So schichteten sie mehrere Elektroden aus Silizium und Molybdän übereinander. In diese Sandwich­struktur integrierten sie eine achthundert Nanometer dünne Schicht aus Aluminium­nitrid. Mit diesem piezo­elektrischen Material ließen sich Ultra­schall­wellen erzeugen, die einen Schall­druck von etwa vierzehn Kilopascal erreichten.

Mit den Ultraschall-Wandlern konnten darauf auch die reflektierten Schall­wellen aufgenommen und über ein Areal aus Transis­toren unterhalb der piezo­elek­trischen Schicht verarbeitet werden. Horsley ist überzeugt, dass sein Verfahren für eine günstige Massen­produktion von Ultra­schall-Sensoren geeignet ist. Für die weiteren Entwicklung arbeiten die Forscher eng mit dem Unter­nehmen InvenSense in San José zusammen. So könnte durchaus in wenigen Jahren mit 3D-Scannern für Fingerabdrücke in Smartphones gerechnet werden. Aber auch weitere Anwendungen – etwa für günstige und schnelle Analysen von Material­oberflächen – sind mit diesen Ultra­schall-Chips durchaus vorstellbar.

Jan Oliver Löfken

OD