Стійкість до подряпин як ключовий диференціатор при виборі сканерів відбитків пальців

Подряпини – це поглиблення на інакше гладкій поверхні. Для сканерів відбитків пальців подряпини є актуальними, якщо вони розташовані на контактній поверхні, яка використовується для зняття відбитків пальців. Подряпини можуть бути спричинені щоденним використанням, наприклад, користувачами з кільцями на пальцях. Крім того, чистка сканера є потенційним джерелом подряпин, коли на чистячій тканині прилипають крихітні частинки пилу та бруду. У цій статті пояснюється подряпина, які стандарти та тести існують та як можна захистити сканери відбитків пальців від подряпин.

СТІЙКОСТІ ДРАПУ

Стійкість до подряпин матеріалу визначається його твердістю та стиранням.

Твердість – це механічна стійкість матеріалу до механічного проникнення іншим предметом. Для сканерів відбитків пальців матеріал поверхні сканування має значення з точки зору твердості.

Окрім твердості, ще одним важливим фактором, який впливає на стійкість поверхні до подряпин, є стійкість до стирання. Стирання – це втрата матеріалу на поверхні внаслідок механічних навантажень. Наприклад, поверхні можуть бути твердими, але все одно їх легко подряпати, якщо механічне навантаження (наприклад, тертя частинок пилу на поверхні під час чищення) призводить до відшарування матеріалу від поверхні.

Окрім типу матеріалу, його мікроскопічна структура також важлива для стійкості до стирання (наприклад, затверділе скло з розплаву скла порівняно зі скляним покриттям з газової фази, яке виросло внаслідок росту островів). На додаток до належної адгезії (сили зв’язування покриття та підкладки), когезія (сили зв’язування молекул, що не мають речовини) також визначає стійкість захисного шару до стирання.

ВИМІРЮВАННЯ ТВЕРДОСТІ І СТИХАННЯ

Твердість і стирання можна виміряти за допомогою різних методів випробувань. Слід бути обережними при порівнянні результатів випробувань, отриманих із використанням різних підходів до вимірювання.

Доступні різноманітні шкали твердості, наприклад універсальна твердість (твердість Мартенса), твердість Роквелла, твердість по Бринеллю, твердість по Кнупу та твердість по Шору. Не всі ваги однаково підходять для всіх матеріалів та випробувальних інструментів.

Однією шкалою, яка охоплює широкий діапазон твердості і може бути легко перевірена, є твердість Мооса. Це тест на стійкість до подряпин, при якому м’які матеріали подряплюються більш твердими матеріалами. Випробовуючи взаємну подряпину, випробувані матеріали можна класифікувати відповідно до їх твердості. Числове значення конкретності твердості за Моосом отримують, порівнюючи її з еталонними матеріалами, такими як штукатурка, кварц або алмаз (див. Таблицю 1). Однак ця шкала дозволяє лише дуже грубу класифікацію на матеріальні групи.

Таблиця 1: Твердість по Моосу та твердість по Віккерсу

Більш детальну класифікацію твердості надає твердість по Віккерсу [HV]. Для вимірювання твердості по Віккерсу певний алмазний наконечник вдавлюють у досліджуваний об’єкт із заданою силою випробування. Потім мірку тиску вимірюють мікроскопом. Твердість по Віккерсу розраховується на основі випробовуваної сили та площі точки тиску.

Рисунок 1 порівнює твердість за Віккерсом та твердість за Моосом. Це ілюструє, що шкала твердості по Моосу не є лінійною, і, отже, твердість за Віккерсом дозволяє отримати більш точні дані про твердість.

Рисунок 1: Твердість по Віккерсу та твердість по Моосу різних матеріалів

Опір стиранню можна оцінити за допомогою Крокметра (лінійний підйомний пристрій). Тут випробний штамп з відомою твердістю рухається по поверхні для випробування із визначеною кількістю повторень та із заданою та регульованою силою випробування. Згодом досліджувана поверхня аналізується на предмет подряпин, видаленого матеріалу, руйнування поверхні тощо.

Рисунок 2: Лінійний підйомний пристрій (Crockmeter)

МІЖНАРОДНІ СТАНДАРТИ ДЛЯ ТЕСТУВАННЯ ТВЕРДОСТІ І СТІЙКОСТІ ДО СТИХАННЯ

Залежно від різноманітних параметрів, таких як застосування, випробовувальні машини, геометрія інденторів, відстань випробувального навантаження випробувальних западин та метод оцінки, існує безліч стандартів для визначення твердості та стирання. Прикладами національних та міжнародних стандартів є:

Таблиця 2: Міжнародні стандарти для випробування твердості та стійкості до стирання

Військова специфікація MIL-C-675C визначає в пункті 3.8.4 випробування на стійкість до стирання оптичних компонентів з покриттям. У цьому тесті сильне стирання (“сильне стирання”) імітується гумкою (“ластик, що відповідає MIL-E-12397”), який розтирає поверхню протягом 20-40 циклів з додатковою вагою приблизно 1 кг. Потім поверхню візуально перевіряють на наявність пошкоджень.

Цей тест особливо підходить для тонких плівок, які погано прилягають до основи. Однак для твердих шарів або поверхонь з хорошою адгезією, як це має бути у сканерів відбитків пальців, у цьому тесті пошкодження поверхні не завдається.

Отже, специфікації MIL мають дуже обмежене застосування для оцінки стійкості до стирання сканерів відбитків пальців.

Захист від подряпин для сканерів відбитків пальців

Важливість захисту від подряпин

Подряпини на контактній поверхні сканера відбитків пальців можуть бути видно на зображенні відбитків пальців, так що зображення відбитків пальців спотворюється. Цю обставину можна спостерігати на всіх контактних сканерах відбитків пальців, будь то прилади зі скляними призмами або ємнісні, ультразвукові або фольговані датчики. Сканери відбитків пальців, які працюють з прямим датчиком, тобто там, де датчик великої площі (наприклад, датчик TFT) розташований безпосередньо під поверхнею контакту, подряпини можуть спричинити пошкодження датчика, унеможливлюючи безошибочне захоплення відбитків пальців.

Тому захисний шар сканерів відбитків пальців повинен бути достатньо твердим і стійким до стирання, щоб запобігти пошкодженню подряпинами під час типового використання. Типове використання включає розміщення пальців, включаючи кільця, та очищення контактної поверхні. Очищення може бути особливо проблематичною, оскільки більш тверді частинки бруду та пилу можуть легко подряпати непридатну поверхню сканера.

Концепції захисту від подряпин сканерів відбитків пальців

Контактна поверхня сканерів відбитків пальців на основі призми виконана зі скла. Скло зазвичай має твердість по Моосу від 5 до 6, а твердість по Віккерсу від 500 до 800. Цей ступінь твердості вважається достатнім для типових сценаріїв застосування для збору відбитків пальців. Крім того, належне очищення не пошкоджує поверхню такої твердості.

Сканери відбитків пальців із прямим датчиком не мають великого скляного блоку в якості опори та контактної поверхні. Контактна поверхня утворена датчиком і відносно тонким захисним компонентом або шаром поверх нього. Залежно від типу датчика (оптичного, ємнісного, ультразвукового) та конкретної технічної конструкції існують фізичні верхні межі максимальної товщини захисного компонента. Наприклад, 500-ppi система може використовувати від декількох 10 мкм до декількох 100 мкм для захисного шару.

Існують обмеження щодо того, які матеріали можна використовувати як захисні компоненти, залежно від типу датчика та технічних конструктивних параметрів сканера. Для сканерів з прямим оптичним датчиком захисний компонент повинен бути достатньо прозорим, якщо не використовується люмінесцентний шар, що складається з органічного матеріалу (полімерів). Використання цієї технології вимагає, щоб шар полімеру був досить твердим і стійким до стирання. Для ємнісних датчиків захисний шар повинен бути достатньо електропровідним і тому може бути зроблений лише дуже тонким.

Покриття прямого датчика – це одна з можливостей захисту від подряпин, яка забезпечує тверду поверхню з низькою товщиною. Хоча ці покриття можуть бути дуже твердими (наприклад, покриття SiO2 з твердістю по Віккерсу> 500), зазвичай вони недостатньо стійкі до стирання, оскільки когезія та адгезія обмежені.

Захист від подряпин для сканерів відбитків пальців

Принципова структура сканерів LIVETOUCH

На малюнку 3 показано поперечний розріз сканера відбитків пальців LIVETOUCH. Напівпрозорий оптичний прямий датчик оснащений додатковим покривним склом, що гарантує достатню стійкість до подряпин контактної поверхні. Підсвічування, або від дисплея, або від однорідного окремого джерела, розміщується під оптичним датчиком.

Рисунок 3: Принципова структура сканерів відбитків пальців LIVETOUCH

Вимірювання твердості та стирання сканера LIVETOUCH

i. Випробування на твердість

У незалежній лабораторії твердість скануючої поверхні за Віккерсом визначали з покривним склом відповідно до DIN EN ISO 6507-1: 2018-07. Це було зроблено шляхом прикладання випробувальної сили 50 г (HV 0,05) до поглиблень на поверхні, а потім їх вимірювання. Середня твердість за Віккерсом становила 690 (кг / мм2).

ii. Стійкість до стирання

Стійкість до стирання випробовували за допомогою Crockmeter відповідно до DIN 55654: 2015-08. Цей стандарт визначає метод визначення стійкості покриття до подряпин навантаженою поверхнею з лінійно рухомим соскобним матеріалом. Метод може застосовуватися також на інших поверхнях матеріалів, таких як пластмаси, покриття та метали.

Крокметр був оснащений штампом із використанням сталевої вати в якості подряпин із навантаженням 25 Н.

Як результат, навіть після 10000 циклів на захисному склі датчика не було видно подряпин.

Звіти про випробування, проведені незалежними інститутами, доступні за адресою sales@jenetric.com.

Спочатку ця публікація була опублікована за адресою https://www.linkedin.com/pulse/scratch-resistance-key-differenciator-selection-scanners-wolfer/.

Roberto Wolfer люб’язно дозволив нам перекласти і опублікувати цю статтю.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: