佛罗里达大学研究团队开发了一种新型纳米机电标签

美国佛罗里达大学研究团队开发了一种纳米级标签，利用制造过程固有的随机性机电光谱签名作为指纹。纳米机电(NEMS)标签的超小尺寸和透明成分为物理篡改和克隆工作提供了实质性的免疫力。NEMS通常可以将环境中的机械能和振动能的形式转化为电能，为超低功耗无线电子设备开发可靠的电源。该团队还开发了自适应算法，将光谱签名数字化地转化为二进制指纹。展示了NEMS在一系列产品和消费品的安全识别和认证方面的应用潜力。

研究人员已经开发了各种通用的物理标签技术，包括快速反应(QR)模式、通用产品代码(UPC)和射频识别(RFID)标签。不过，这些技术都存在一定的安全风险。因此，科学家们最近开发了纳米级物理不可克隆功能(PUF)，以识别和认证标签的实质性限制。在这项研究中，Rassay等人提出了一种完全不同的方法，使用纳米机电系统(NEMS)来实现隐形物理标签。该构建体保持了对篡改和克隆的实质性免疫力，具有在一系列产品中的通用性。

NEMS标签显示了由一大组高质量因子(Q)共振峰组成的机电光谱特征。一般来说，Q因子描述了振荡器或谐振器的特性以及谐振器存储能量的性质，Q值越高，说明振荡分散得越慢，相对于谐振器的存储能量，能量损失率越低。这些物理特性加上它们的超小尺寸和透明成分确保了NEMS标签对物理篡改和克隆的免疫力。这种高性价比的标签可以在背景噪声和干扰较大的杂乱环境中使用。为了创建NEMS标签，Rassay等人在两个金属层之间夹了一层薄薄的压电薄膜，并通过选择透明材料形成分层来增强标签，然后在玻璃基板上实现标签，评估其透明度。这些成分提供了一个大的机电耦合系数，允许用微乎其微的磁功率激发机械共振模式。该团队最终将NEMS标签图案化，并使用扫描电子显微镜(SEM)观察该产品，以突出其光学透明度。

在开发NEMS标签的过程中，科学家们深入研究了机电光谱特征的特性，以方便识别。该团队设计了NEMS标签的横向几何形状，以在一个小的频率范围(80-90 MHz)内创建一大组高Q机械共振模式。基于共振模式对应的峰值的不同特征，Rassay等人为NEMS标签分配了一个二进制字符串。

材料分布的随机性使他们能够创造出视觉上相同的NEMS标签，这些标签具有独特的数字指纹，这些指纹只反映在其光谱签名中，因此几乎不可能进行反向工程。标签成分的随机和内在不确定性是可取的，因为它提供了两个不同的安全优势;首先，它允许团队为每个批量制造的设备创建独特的标识符或指纹。其次，基于材料的内在随机性有利于在其制造过程中保护信息，从而防止假冒产品。翻译程序包含了无线询问和数字翻译部分，团队实施了一系列精心设计的步骤，以生成指定给每个NEMS标签的唯一二进制字符串。

为了测量频谱特征标签，Rassay等人采用了跨越80至90兆赫频率跨度的近场无线问询。为了实现这一目标，他们将智能字符识别(ICR)磁性近场微探针定位在线圈半径为50微米的位置，通过磁耦合进行无线问询。该团队将微探针定位在距离标签2毫米以下的垂直距离，连接到网络分析仪上，测量整个频谱的反射响应。然后，团队比较了他们从阵列中随机挑选的四个NEMS标签的频谱信号。例如，分配给光谱签名指纹的31位字符串突出了秘密NEMS技术的熵。作为概念验证，该团队利用设备间汉明距离(比较两个二进制数据字符串的度量标准)量化了十个设计相同的NEMS标签在不同温度范围下的熵，以衡量对应光谱签名的二进制字符串的唯一性。

通过这种方式，Sushant Rassay及其同事展示了一种新的物理标签技术，以识别和鉴定秘密纳米机电(NEMS)标签的机电光谱信号的使用。该超小型装置提供了一种光学透明、视觉上无法检测的间接信息存储方法。他们设计了NEMS标签的光谱特征，使其具有大量的高Q机械共振峰。由于材料特性的内在变化和制造工艺的外在变化，该团队获得了NEMS标签的独特指纹。科学家们还开发了一种翻译算法，为每个标签的光谱特征指定一个二进制字符串。由此产生的大熵和NEMS标签的稳健性突出了该技术在识别和鉴定产品方面的潜力。论文标题为《Clandestine nanoelectromechanical tags for identification and authentication》。