Dimostrazione concettuale del concetto di tag NEMS. (a) un insieme di modi di risonanza meccanica con frequenze diverse (fi), fattori di qualità (Qi), e le ampiezze di vibrazione (Ai) sono eccitate durante l'interrogazione wireless. La firma spettrale risultante viene tradotta in una stringa digitale. (b) La topografia di un tag NEMS fabbricato, integrato su un substrato di vetro. Le incertezze di fabbricazione, compresa la variazione dello spessore del film, errori litografici, e polimorfismo cristallino randomizzato, inducono variazioni disomogenee nella firma spettrale dei tag NEMS e portano alla realizzazione di stringhe digitali uniche per ciascun tag. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
I ricercatori nel campo della sicurezza informatica mirano a realizzare tag di identificazione e autenticazione davvero non clonabili per difendere i sistemi globali da attacchi contraffatti sempre crescenti. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Natura:microsistemi e nanoingegneria , Sushant Rassay e un team di ricercatori in ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della Florida, NOI., hanno dimostrato tag su nanoscala per esplorare una firma spettrale elettromeccanica come un'impronta digitale basata sulla casualità intrinseca del processo di fabbricazione. Le dimensioni ultraminiaturizzate e i componenti trasparenti dei tag nanoelettromeccanici (NEMS) hanno fornito un'immunità sostanziale alla manomissione fisica e agli sforzi di clonazione. Il NEMS può tipicamente convertire forme di energia meccanica e vibrazionale dall'ambiente in energia elettrica sviluppando fonti di alimentazione affidabili per dispositivi elettronici wireless a bassissima potenza. Il team ha anche sviluppato algoritmi adattivi per tradurre digitalmente la firma spettrale in impronte digitali binarie. Gli esperimenti hanno evidenziato il potenziale dei NEMS clandestini (invisibili) per garantire l'identificazione e l'autenticazione in una gamma di prodotti e beni di consumo.
Sviluppo di tecnologie per combattere la contraffazione
L'emergere del commercio di prodotti contraffatti può avere un impatto significativo sul sistema economico globale, mentre si intensifica per imporre un ampio danno sociale e porre minacce alla sicurezza internazionale come fonte di criminalità dei colletti bianchi. Il commercio di contraffazione viene convenzionalmente combattuto utilizzando tag fisici per identificare, autenticare, e traccia gli oggetti originali generando impronte digitali o filigrane. L'efficacia di un tag fisico può essere definita dalla sua applicabilità a diversi prodotti che vanno dagli edibili all'elettronica, la sua perseveranza nella clonazione insieme ai costi di produzione associati. I ricercatori hanno sviluppato una varietà di tecnologie di tag fisici di uso generale, compresi i modelli di risposta rapida (QR), codice prodotto universale (UPC) e tag di identificazione a radiofrequenza (RFID). Però, tali tecniche sono limitate e pertanto comportano rischi per la sicurezza. Gli scienziati hanno quindi sviluppato di recente funzioni fisiche non clonabili su scala nanometrica o funzioni non clonabili nanofisiche (PUF) per identificare limiti sostanziali dei tag di identificazione e autenticazione. In questo studio, Rassay et al. ha presentato un approccio radicalmente diverso utilizzando sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) per realizzare tag fisici furtivi. I costrutti hanno mantenuto una sostanziale immunità alla manomissione e alla clonazione con un'applicabilità generica su una gamma di prodotti.
Fabbricazione dei tag NEMS clandestini. a il processo di fabbricazione per l'implementazione di tag NEMS clandestini su un substrato di vetro:(1) deposizione e modellazione di uno strato sacrificale di SiO2 sul substrato di vetro e l'ALD di 10 nm HfO2, (2) sputtering e patterning di ITO a 50 nm (elettrodo inferiore) e Sc0.3Al0.7N a 100 nm, (3) modellazione dello strato Sc0.3Al0.7N per accedere all'elettrodo ITO inferiore, (4) deposizione e modellazione degli elettrodi ITO superiori e della bobina, (5) attacco delle trincee nella pila del trasduttore per definire la geometria del tag NEMS, e (6) rilascio del tag NEMS mediante incisione di SiO2 sacrificale. b Un substrato di vetro di 1 cm × 1 cm con una serie integrata di tag NEMS su larga scala con trasparenza ottica. L'inserto mostra un ingrandimento dell'immagine ottica, evidenziando una serie di tag NEMS con layout identici. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:10.1038/s41378-020-00213-2 
I tag NEMS hanno mostrato una firma spettrale elettromeccanica composta da un ampio set di picchi di risonanza del fattore di alta qualità (Q). Generalmente, il fattore Q descrive le proprietà di un oscillatore o risonatore e la natura dell'energia immagazzinata del risonatore, dove un Q più alto indica che le oscillazioni si disperdono lentamente per causare una minore velocità di perdita di energia rispetto all'energia immagazzinata del risonatore. Queste caratteristiche fisiche, unite alle dimensioni ultraminiaturizzate e ai componenti trasparenti, hanno garantito l'immunità dei tag NEMS nei confronti della manomissione fisica e degli sforzi di clonazione. I tag convenienti possono essere utilizzati in ambienti ingombranti con grandi rumori di fondo e interferenze. Per creare i tag NEMS, Rassay et al. ha inserito un sottile film piezoelettrico tra due strati metallici e ha migliorato il tag scegliendo materiali trasparenti per formare strati costituenti, quindi implementato i tag su un substrato di vetro per valutarne la trasparenza. I componenti fornivano un grande coefficiente di accoppiamento elettromeccanico per consentire l'eccitazione dei modi di risonanza meccanica con minuscoli poteri magnetici. Il team alla fine ha modellato il tag NEMS e ha osservato il prodotto utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) per evidenziare la sua trasparenza ottica.
Immagini SEM dei tag NEMS clandestini. (a) una serie di tag NEMS con gli stessi layout implementati nello stesso lotto su un substrato di vetro; (b) un tag NEMS individuale con un'antenna a bobina integrata che consente l'interrogazione wireless della firma spettrale tramite accoppiamento magnetico. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Principio di azione e traduzione digitale
Durante lo sviluppo dei tag NEMS, gli scienziati hanno approfondito le proprietà della firma spettrale elettromeccanica per facilitare l'identificazione. Il team ha progettato la geometria laterale dei tag NEMS per creare un ampio set di modalità di risonanza meccanica ad alto Q su una piccola gamma di frequenze di interesse (80-90 MHz). In base alle diverse caratteristiche dei picchi corrispondenti ai modi di risonanza, Rassay et al. assegnato una stringa binaria ai tag NEMS.
La natura casuale della distribuzione del materiale ha permesso loro di creare tag NEMS visivamente identici con impronte digitali uniche che si riflettevano solo nella loro firma spettrale, e quindi quasi impossibile da decodificare. Le incertezze casuali e intrinseche dei componenti dell'etichetta erano desiderabili in quanto fornivano due distinti vantaggi di sicurezza; primo, ha permesso al team di creare identificatori univoci o impronte digitali per ciascuno dei dispositivi fabbricati in batch. Secondo, la casualità intrinseca basata sul materiale è stata vantaggiosa per proteggere le informazioni durante la sua fabbricazione, prevenendo così prodotti contraffatti. La procedura di traduzione conteneva interrogazione wireless e componenti di traduzione digitale, dove il team ha implementato una serie di passaggi elaborati per generare una stringa binaria univoca designata per ciascun tag NEMS.
Simulazione della firma spettrale dei tag NEMS soggetta a variazioni strutturali randomizzate. (a) la firma spettrale simulata di grandi dimensioni dei tag NEMS, con variazioni casuali del loro spessore, dimensione laterale, e profili cristallini, e la firma a breve termine su ciascun picco di risonanza nella risposta spettrale, evidenziando l'effetto delle incertezze della nanofabbricazione. (b) Un'immagine SEM della sezione trasversale del tag NEMS, evidenziando il fatto che i coni cubici si sono formati casualmente durante la crescita di Sc0.3Al0.7N. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Caratterizzazione del tag NEMS
Per misurare i tag di firma spettrale, Rassay et al. utilizzato l'interrogazione wireless in campo vicino nell'intervallo di frequenza da 80 a 90 MHz. Per realizzare questo, hanno posizionato una microsonda magnetica per campo vicino a riconoscimento intelligente dei caratteri (ICR) con un raggio della bobina di 50 µm per l'interrogazione wireless tramite accoppiamento magnetico. Il team ha posizionato la microsonda a una distanza verticale inferiore a 2 mm dall'etichetta, collegato ad un analizzatore di rete per misurare la risposta di riflessione attraverso lo spettro di frequenza. Il team ha quindi confrontato le firme spettrali di quattro etichette NEMS, che hanno scelto a caso dall'array. Per esempio, la stringa di 31 bit assegnata alle impronte digitali della firma spettrale ha evidenziato l'entropia della tecnologia NEMS clandestina. Come prova del concetto, il team ha quantificato l'entropia in diversi intervalli di temperatura per dieci tag NEMS con design identico utilizzando la distanza di Hamming tra i dispositivi (una metrica per confrontare due stringhe di dati binari) per misurare l'unicità delle stringhe binarie corrispondenti alle firme spettrali.
A SINISTRA:Schema della procedura di traduzione digitale utilizzata per designare tag binari univoci alle etichette NEMS:la firma spettrale misurata di un tag viene confrontata con la firma di riferimento estratta dalle simulazioni COMSOL. La segnatura di riferimento è suddivisa in intervalli con bordi definiti dalla media delle frequenze dei picchi adiacenti. In ogni intervallo, viene identificato il picco misurato con la magnitudo maggiore, e la sua frequenza viene sottratta dal picco di riferimento. Il valore decimale risultante viene convertito in una sottostringa binaria. Una guida alla conversione viene utilizzata per assegnare il bit più a sinistra al segno della sottrazione, zeri aggiuntivi per garantire una lunghezza coerente delle sottostringhe, indipendentemente dall'offset di frequenza relativo delle misurazioni e del riferimento in ciascun intervallo, e tutti zeri quando non esiste un picco misurato in un intervallo. Finalmente, le sottostringhe sono in cascata per creare il tag binario designato per l'etichetta NEMS. A DESTRA:interrogazione spettrale wireless dei tag NEMS. (a) la configurazione di interrogazione wireless in campo vicino utilizzata per l'estrazione della firma spettrale dei tag NEMS. L'inserto mostra vari modelli di vibrazione meccanica corrispondenti alle modalità di risonanza nella firma spettrale, misurata al microscopio olografico. (b) La firma spettrale misurata di tre tag NEMS con design identico e fabbricati nello stesso lotto. L'inserto mostra le stringhe binarie a 31 bit estratte per ogni tag. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Prospettive della tecnologia stealth anticontraffazione
In questo modo, Sushant Rassay e colleghi hanno mostrato una nuova tecnologia di tag fisici per identificare e autenticare l'uso delle firme spettrali elettromeccaniche dei tag nanoelettromeccanici (NEMS) clandestini. Il dispositivo ultraminiaturizzato ha fornito un metodo indiretto otticamente trasparente e visivamente non rilevabile per l'archiviazione delle informazioni. Hanno progettato la firma spettrale del tag NEMS per avere un gran numero di picchi di risonanza meccanica ad alto Q. Il team ha ottenuto impronte digitali distinte per i tag NEMS a causa delle variazioni intrinseche delle proprietà del materiale e delle variazioni estrinseche del processo di fabbricazione. Gli scienziati hanno anche sviluppato un algoritmo di traduzione per designare una stringa binaria per la firma spettrale di ciascun tag. La conseguente grande entropia e robustezza dei tag NEMS ha evidenziato il potenziale della tecnologia per identificare e autenticare i prodotti.
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