隐秘的验证器：纳米级的机电标签

来源:Amadeus发布时间:2021-09-06605浏览

作者：Roozbeh、Swarup

世界上最大规模的犯罪是什么？贩毒？赌博？贩卖人口？都不是。最大的非法行为是假冒商品的生产和贸易，预计明年相关金额将超过1万亿美元。你可能已经不止一次遇到过这种事，以为自己在亚马逊或易趣上购买的是名牌商品，最后却发现是假冒伪劣商品。
这是一种极其常见的犯罪，合法的制造公司和分销商因此蒙受了巨大损失。这种危险远比你在讨价还价时被敲竹杠要严重得多。比如，购买药品时，如果你买到的不是处方里的真药，你的健康就会陷入危险。然而，可悲的是，对于世界上大多数人来说，买药时受到这种欺骗是常态。即使是发达国家的人也很容易受到假药或劣质药的影响。假冒电子产品也是一种威胁，因为它们会降低重要安全系统的可靠性，甚至会使普通消费电子产品变得危险。比如，据我们所知，一些手机和电子烟在用户面前爆炸就是因为里面装有假电池。把假冒伪劣商品的泛滥比作全球经济体系遭遇感染毫不夸张，国际反假联盟(IACC)表示，这是另一种形式的全球大流行病，在过去20年里增长了100倍。因此，许多业内人士长期以来一直在研究如何与这种祸患作斗争。打击假冒伪劣商品的传统策略是在真品中使用某种认证标记。这些措施包括显示通用产品代码（UPC）和二维码（QR）图案，有时还包括射频识别（RFID）标签。不过，UPC和二维码必须位于显眼位置以便进行光学扫描。因此它们易被删除、克隆和重新应用于假冒产品。射频识别标签不容易复制，但它们通常需要相对较大的天线，所以很难在难以察觉的情况下用它们标记物品，而且按照它们的用途来看，其成本可能过高。

我们提出了一个不同的解决方案，一个基于射频（RF）纳米机电系统（NEMS）的解决方案。和射频识别标签一样，我们的RF NEMS设备也不需要被看见和扫描。它们的微小尺寸和组成结构的性质使这些标签在很大程度上不受物理篡改或克隆的影响，而且每个标签的成本最多几分钱。

隐秘的NEMS标签可以成为全球打击假冒产品（甚至是假钞）的有力武器。好奇吗？下面我们将介绍这些设备的物理原理，以及它们的生产和操作会涉及哪些内容。

我们可以把RF NEMS标签想象成一个小三明治。面包片是两层50纳米厚的氧化铟锡导电层，氧化铟锡是一种常用于制造透明电极的材料，例如手机触摸屏的电极。中间是100纳米厚的压电薄膜，由掺钪氮化铝组成，同样也是透明的。利用类似制造集成电路的光刻技术，我们在三明治中蚀刻了一个图案，中间有一枚由4个细长臂悬挂的环。这种设计让圆环表面可以自由振动。

当然，构成压电薄膜的材料会受到压电效应的影响：材料在发生机械变形时会产生电压。更重要的是，这种材料也会经历逆压电效应——外加电压会引起机械变形。我们利用了这种现象来诱导标签的柔性部分发生振荡。为了达到这个目的，我们使用光刻技术在标签的周边制作了一个线圈。线圈的一端连接到顶部导电层，另一端连接到底部导电层。根据法拉第电磁感应定律，将标签置于振荡磁场中会在压电层上产生振荡电压。由此产生的压电薄膜机械变形反过来会造成标签的柔性部分发生振动。当激励频率与微小机械振荡器的固有频率匹配时，这种振动最强烈。这是一种简单的共振现象，歌剧演员唱出正确的音符时（如果演员真的很努力的话），共振甚至能使其声音震碎酒杯。1831年英国曼彻斯特附近著名的布劳顿吊桥倒塌就是因为共振，当时第60步枪军团的74名士兵在过桥，他们整齐的步伐与桥发生自然机械共振。（此次事件之后，英国军队要求士兵在过桥时改走便步！）在我们的设备中，相关的激励是扫描仪施加的磁场振荡，当它与标签柔性部分的机械共振频率匹配时，就会引起最大振幅的振动。事实上，情况比这复杂得多。标签的柔性部分并不是只有一个共振频率，而是有许多共振频率。它就像鼓上的膜一样，可以以各种方式发生振荡。左侧可能会随着右侧的下降而上升，反之亦然。或者，当四周向下移动时，中间可能会上升。鼓面在受到撞击时会发生各种各样的变形，而且每种振荡模式都有自己的共振频率。我们将纳米级标签设计得像微小的鼓面一样会振动，并且有许多可能的振荡模式。这些标签非常小，只有几微米宽，它们的振动在80至90兆赫的无线电频率范围内。在这种规模下，不仅仅是标签的几何结构起着重要作用，制造上的变化也发挥了作用。例如，“三明治”的厚度（标称约200纳米）并不是均匀分布的。不同样品环形部分的直径和圆度也不尽相同。这些制造上的细微变化将影响设备的机械性能，包括其共振频率。此外，在这种规模下，用于制造这种装置的材料也不完全均匀。特别是在压电层中，晶体结构存在固有的变化。由于大量掺钪，构成氮化铝晶粒的六方晶体矩阵中随机形成了立方晶体的锥形团簇。这些微小圆锥体的随机站位可以让看似相同的标签出现显著的共振差异。

在某些微电子设备的制造过程中，这样的随机变化会造成恼人的缺陷。不过在这里，随机变化不是故障，而是一种特性！有了它，制作出来的每个标签都是独一无二的标记。也就是说，虽然标签显示的共振一般由其几何形状控制，但其每个共振的确切频率、振幅和锐度是随机变化的结果。这就能让每一件物品都变得独一无二，防止标签被克隆、伪造或以重现原版中所有共振特性的其他方式制造出来。

RF NEMS标签就是安全专家所说的“物理不可克隆功能”的一个示例。给一批药品等物品分别贴上标签，以记录其产地和证明其真实性，这正符合医生的要求。
这时候，你可能想知道我们是如何检测和描述这些微小标签中的振荡所具有的独一无二的特征的。原则上，有一种方法是将设备放在测振显微镜下观察其移动情况。虽然这是可能的，而且我们已经在实验室研究中这么做了，但这种策略在商业应用中无效或并不实用。
不过事实证明，测量这些标签的共振并不困难。这是因为激发标签振动的电子扫描仪必须提供维持这些振动的能量。电子扫描仪要确定以这种方式消耗能量的频率很简单。我们目前使用的扫描仪是一种名为“网络分析仪”的标准电子测试设备。（这里的“网络”一词指的是测试电路中由电阻、电容和电感器组成的电子元件网络，而不是像互联网这样的计算机网络。）我们连接到网络分析仪上的传感器只是一个微小的线圈，位于标签几毫米范围内。

有了这个装置，我们可以轻松地测量单个标签的独特共振。我们会测量各种共振频率峰值与相关几何结构的理想标签的峰值之间的偏移量，从而记录该签名。然后，我们会将这些频率偏移转换成一个二进制数，并将所有这些数位串在一起，形成每个标签特有的数字签名。我们目前使用的方案产生了31位长的标识符，这意味着可能有20多亿个不同的二进制签名，这足以独一无二地标记任何你能想到的可能需要验证的产品。

依靠标签细微的物理特性来定义其独一无二的签名可以防止克隆，但这会带来另一个问题：这些特性可能会改变。例如，在潮湿的环境中，标签可能会吸附空气中的一些水分，这会改变其共振特性。不过，在标签上覆盖一层薄薄的保护层（比如一些透明聚合物），就可以轻松防止这种可能性，而且不会干扰标签的振动。

我们也需要认识到，共振频率会随着标签温度的变化而变化。不过，我们可以避开这个复杂的问题。我们不是根据标签振荡模式的绝对频率来表征标签，而是测量不同共振频率之间的关系，当标签的温度变化时，这些共振频率会以相似的相对量发生变化。无论标签温度是热还是冷，这个程序都能确保测量的特性可转换为相同的31位数字。我们已经在相当大的温度范围内（从0℃到200℃）测试了这个策略，并且发现它非常稳健。

我们用作扫描仪的射频网络分析仪是一种昂贵的设备，与它相连的小线圈传感器需要贴在标签上。虽然在某些应用中，标签在产品上的位置可以标准化（例如用于验证信用卡），但在其他情况下，扫描产品的人可能不知道标签在物品的哪个位置。因此，我们现在正在努力开发一种更小、更便宜的扫描单元，使其传感器不必放置在标签正上方。

我们也在探索在标签制作完成后改变其共振的可行性，因为我们在研究中有意外发现。我们给标签选择的压电层材料有点不寻常。压电设备像我们手机中的一些滤波器一样，通常是由氮化铝制成的，而我们采用的材料中含有大量的钪掺杂，这增强了它的压电性能。决定使用这种更奇特的配方时，我们还不知道它会出现第二种特性：它会使材料变成铁电体，这意味着可以通过给它施加电压而实现电极化，即使消除施加电压后，极化仍然存在。这与我们的应用有关，因为材料的极化会影响其电气和机械性能。在标签制造完成后，给标签赋予一种特殊的极化模式，会改变其共振频率及其相对振幅。通过用这种方法形成的方案，小批量制造商甚至最终用户可以将签名“烧录”到这些标签中。我们对RF NEMS标签的研究得到了发现金融服务公司的部分资助，该公司是广泛使用的发现（Discover）信用卡的母公司。不过，许多其他类型的公司肯定会对我们一直研究的微小标签的应用感兴趣。甚至有一天政府也可能会采用纳米机械标签来鉴别纸币。当然，这些标签的用途究竟有多广泛，取决于我们正在设计的手持扫描仪的成功程度（手持扫描仪甚至可能成为智能手机的一个简单附加组件），以及我们的猜测（即这些标签可以在制造完成后进行定制）是否正确。不过，在朝着一项技术的商业化迈出第一步时，我们很高兴能够探索所有这些可能性，而且这项技术有朝一日可能有助于阻止世界上最广泛的犯罪活动。

作者：Roozbeh Tabrizian,Swarup Bhunia

新闻来源：中科院半导体所，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。

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