Fingerabdruck zum Entsperren

Fingerprint-Sensoren: So funktioniert die Technologie

Fingerabdruck-Scanner erleichtern den Umgang mit dem Smartphone ungemein. Sie dienen zum Entsperren, Bezahlen oder Einloggen. Doch sind unsere Fingerabdrücke auch sicher? Wir haben uns die Technologien hinter den Sensoren angeschaut.

Huawei Mate

© Huawei

Der Finger als Schlüssel: Das Entsperren über den Fingerabdruck-Sensor gehört heute zum Standard bei Smartphones.

Ein Fingerstreich entsperrt das Smartphone oder bestätigt die Bezahlung im App-Store. Als biometrische Sicherungsfunktion haben Fingerprintsensoren in Mobiltelefonen eine lange Tradition. Aber wie funktioniert die Technologie der Fingerabdruck-Scanner? Mit welchen Methoden erkennen Smartphones Ihre Fingerabdrücke und wie sicher werden diese Daten verarbeitet?

Mehr als ein Schnappschuss? 

Bei optischen Sensoren wird der Finger auf eine Glasplatte gelegt, die als Prisma dient. Dabei kommen die Papillarleisten (Erhebungen) des Fingerabdrucks in Kontakt mit dem Glas. Die Täler (Rillen) dazwischen sind mit Luft gefüllt und berühren die Glasplatte nicht. Eine Lichtquelle beleuchtet den Finger dann so, dass das Prisma die Lichtstrahlen auf einen Bildsensor reflektiert. 

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An den Stellen, an denen die Strahlen auf die Erhebungen treffen, wird die Reflexion gestört. Der Bildsensor interpretiert die zurückgeworfenen Strahlen und erzeugt so ein zweidimensionales Foto des Abdrucks. Das Problem: Auch wenn diese Methode Bilder mit hohen Auflösungen erzeugen kann, lässt sich das System relativ leicht mit Prothesen und einem Abbild des Abdrucks überlisten. Außerdem ist dieser Weg im Vergleich zu den anderen Methoden langsam und kam deshalb bei Smartphones länger nicht mehr zum Einsatz. Hersteller wie die chinesische Firma Vivo haben optische Sensoren jedoch kürzlich wieder für sich entdeckt, denn sie lassen sich etwas abgewandelt unter OLED- Displays verbauen.

Ladungsunterschied 

Kapazitive Sensoren sind aktuell die am häufigsten verbaute Technologie in Smartphones. Sie bestehen aus kleinen Kondensatoren, in denen eine elektrische Ladung gespeichert ist. Den Finger legt man hier auf eine leitfähige Oberfläche, die mit den Ladungsspeichern verbunden ist. Die Papillarleisten berühren die Oberfläche und ändern dadurch die elektrische Ladung der Kondensatoren leicht. 

Fingerprintsensoren - Optischer Sensor

© WEKA Media Publishing GmbH

Durch das Relief des Fingerabdrucks haben einige Stellen Kontakt mit der Glasplatte, andere nicht. Je nachdem, ob die Strahlen des Sensors auf einen Kontaktpunkt treffen oder nicht, wird das Licht unterschiedlich gestreut.

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Die Luft in den Rillen des Abdrucks isoliert, deshalb ändert sich die Ladung der Kondensatoren unter ihnen weniger. Anhand des Ladungsunterschiedes zwischen den Kondensatoren wird das Muster des Abdrucks berechnet. Da sich die Ladungsänderungen verschiedener Materialien unterscheiden, lässt sich diese Methode schwerer überlisten, als die optische. Aber auch hier haben es Forscher schon geschafft, wenn auch mit viel Zeitaufwand.​

Abtasten per Schallwelle 

Die neuesten Sensoren auf dem Markt arbeiten mit Ultraschall. Sie senden einen hochfrequenten Schallimpuls gegen den Finger, der von den Rillen, Papillarleisten und Poren unterschiedlich absorbiert und zurückgeworfen wird. Das Resultat ist ein dreidimensionales Abbild des Abdrucks, was die Sicherheit dank des Detailreichtums noch weiter erhöht. Ein von Qualcomm entwickelter Sensor erkennt per Ultraschall sogar die Blutzirkulation im Gewebe. Er lässt sich darüber hinaus unter Displays und Metall verbauen, was Herstellern künftig noch mehr Freiheiten beim Design einräumen dürfte.​

Mit Sicherheit 

Egal, welche Technik im Phone steckt, Ihr Fingerabdruck liegt nicht einfach als Bild im Speicher des Geräts. Genauso wie Passwörter sichern und verarbeiten Hersteller alle Daten zu Ihrem Abdruck in einem Trusted Execution Environment (TEE). Das ist ein isolierter Teil des Hauptprozessors, auf den nur autorisierte Software Zugriff hat. 

Sensor und TEE kommunizieren zudem nur direkt miteinander. Schadprogramme, die eventuell​ das System befallen haben, können Stand heute keine Informationen abgreifen. Hinzu kommt, dass der Abdruck nicht als Foto auf dem System liegt: Die Software analysiert die Verteilung und Position der Minuzien (Bild unten) untereinander und speichert diese als Code – aus dem sich übrigens kein ganzer Abdruck zusammenfügen lässt. 

Beim Abgleich wird ebenfalls nicht der gesamte Abdruck verglichen. Es muss lediglich eine gewisse Anzahl der Minuzien mit dem Referenzabdruck übereinstimmen. Problematisch ist dabei, dass Smartphone-Scanner aufgrund ihrer Größe oft nur einen Partialabdruck des Fingers nehmen. Diese Teilstücke sind wiederum nicht so einzigartig wie der gesamte Finger. 

Forschern ist es bereits gelungen, per Software aus 8200 Teilabdrücken einen universellen Master-Abdruck zu entwickeln. Dieser enthielt genügend Übereinstimmungen, um damit 65 Prozent der getesteten Phones zu entsperren. Gerade wenn Ultraschallsensoren zukünftig unter dem Display sitzen und den ganzen Finger scannen, wird sich die Sicherheit erhöhen. Wer bereits heute kein Risiko eingehen möchte, setzt auf ein komplexes Passwort.​

Fingerpritsensoren - Kapazitiver Sensor

© WEKA Media Publishing GmbH

Bei den Kondensatoren, die Kontakt zu den Papillarleisten (Erhebung) haben, ändert sich die elektrische Ladung. Die Ladung der Kondensatoren, die unter den Tälern (Rillen) liegen, hingegen kaum.

Zeitleiste: Die Entwicklung der Fingerprintsensoren

  • 2004
    Das südkoreanische Unternehmen Pantech brachte mit dem GI 100 das erste Handy mit integriertem Fingerprintsensor auf den Markt.
  • 2011
    Das Motorola Atrix war das erste reine Smartphone mit Fingerprintsensor. Dieser diente damals auch als Startbutton.
  • 2013
    Apple hat ihn nicht erfunden, aber mit dem iPhone 5s massentauglich gemacht. Mit der Touch ID ersparte man sich die Passworteingabe im App Store und bei iTunes.
  • 2014
    Das Samsung Galaxy S5 war das erste Smartphone, mit dem man per Fingerabdruck eine Bezahlung autorisieren konnte. In dem Fall bei Paypal.
  • 2016
    Zwar war es nur in China erhältlich, dennoch wollen wir es nicht unter den Tisch fallen lassen: Das Xiaomi Mi 5s hatte als erstes Smartphone einen Ultraschallsensor.
  • 06/2017
    Auf dem MWC in Shanghai stellten Qualcomm und Vivo einen ersten Prototypen mit Ultraschallsensor im Display vor. Basis war ein Vivo X Play 6.
  • 01/2018
    Vivo war es auch, die mit dem X 20 Plus UD das erste Serien-Phone mit Sensor unter dem Display auf den Markt brachten. Dieser funktioniert jedoch noch optisch.
  • 03/2018
    Mit dem Huawei Mate 10 RS Porsche Design ist erstmals ein Phone mit optischem Fingerprintsensor unter dem Display in Europa erhältlich. 
  • 05/2018
    Die Ultraschalltechnologie erobert mit dem Honor 10 den Massenmarkt. Dabei steckt der Sensor hier zwar unter dem Frontglas, aber nicht unter dem Display.
  • ?/2018
    Als nächstes werden wohl Ultraschallsensoren unter dem Display zum Breitenthema. Potenzielle Kandidaten wären das Huawei Mate 20 oder Samsung Galaxy S10

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