Konceptuell demonstration av NEMS-taggkonceptet. (a) en uppsättning mekaniska resonanslägen med olika frekvenser (fi), kvalitetsfaktorer (Qi), och vibrationsamplituder (Ai) exciteras vid trådlös avläsning. Den resulterande spektrala signaturen översätts till en digital sträng. (b) Topografin för en tillverkad NEMS-tagg, integrerad på ett glasunderlag. Tillverkningsosäkerheterna, inklusive filmtjockleksvariation, litografiska fel, och randomiserad kristallpolymorfism, inducerar inhomogena variationer i den spektrala signaturen för NEMS-taggar och resulterar i realiseringen av digitala strängar som är unika för varje tagg. Kredit:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Forskare inom cybersäkerhet strävar efter att realisera verkligt oklonbara identifierings- och autentiseringstaggar för att försvara globala system från ständigt ökande förfalskningsattacker. I en ny rapport som nu publiceras den Natur:Microsystems &Nanoengineering , Sushant Rassay och ett team av forskare inom el- och datorteknik vid University of Florida, U.S., demonstrerade nanoskala taggar för att utforska en elektromekanisk spektral signatur som ett fingeravtryck baserat på tillverkningsprocessens inneboende slumpmässighet. Ultraminiatyrstorleken och de transparenta beståndsdelarna i de nanoelektromekaniska (NEMS)-taggarna gav betydande immunitet mot fysisk manipulering och kloningsinsatser. NEMS kan vanligtvis omvandla former av mekanisk och vibrationsenergi från omgivningen till elektrisk kraft genom att utveckla pålitliga kraftkällor för trådlösa elektroniska enheter med ultralåg effekt. Teamet utvecklade också adaptiva algoritmer för att digitalt översätta den spektrala signaturen till binära fingeravtryck. Experimenten lyfte fram potentialen hos hemliga (smygande) NEMS för att säkra identifiering och autentisering över en rad produkter och konsumentvaror.
Utveckla teknik för att bekämpa förfalskning
Uppkomsten av förfalskningshandel kan avsevärt påverka det globala ekonomiska systemet, samtidigt som de eskalerar för att påföra breda sociala skador och utgöra internationella säkerhetshot som en källa till tjänstemannabrott. Förfalskningshandel bekämpas konventionellt med hjälp av fysiska taggar för att identifiera, autentisera, och spåra äkta föremål genom att generera digitala fingeravtryck eller vattenstämplar. Effektiviteten av en fysisk etikett kan definieras av dess tillämpbarhet på olika varor, allt från ätbara varor till elektronik, dess uthållighet att klona tillsammans med de tillhörande produktionskostnaderna. Forskare har utvecklat en mängd olika fysiska etikettteknologier för allmänna ändamål, inklusive quick response (QR) mönster, universell produktkod (UPC) och radiofrekvensidentifiering (RFID)-taggar. Dock, Sådana tekniker är begränsade och utgör därför säkerhetsrisker. Forskare hade därför nyligen utvecklat fysiska oklonbara funktioner i nanoskala eller nanofysiska oklonbara funktioner (PUF) för att identifiera betydande gränser för identifierings- och autentiseringstaggar. I den här studien, Rassay et al. presenterade ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt med hjälp av nanoelektromekaniska system (NEMS) för att realisera smygande fysiska taggar. Konstruktionerna bibehöll betydande immunitet mot manipulering och kloning med generisk tillämpbarhet över en rad produkter.
Tillverkning av hemliga NEMS-taggar. a tillverkningsprocessen för implementering av hemliga NEMS-taggar på ett glassubstrat:(1) avsättning och mönstring av ett offer-SiO2-skikt på glassubstratet och ALD för 10-nm HfO2, (2) sputtering och mönstring av 50 nm ITO (bottenelektrod) och 100 nm Sc0.3Al0.7N, (3) mönstring av Sc0.3Al0.7N-skiktet för att komma åt den nedre ITO-elektroden, (4) avsättning och mönstring av de översta ITO-elektroderna och spolen, (5) etsning av diken i givarstapeln för att definiera NEMS-taggeometrin, och (6) frigörande av NEMS-taggen genom etsning av offer SiO2. b Ett 1-cm×1-cm glassubstrat med mycket storskalig integrerad uppsättning NEMS-taggar med optisk transparens. Insatsen visar en förstoring av den optiska bilden, framhäver en rad NEMS-taggar med identiska layouter. Kredit:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038/s41378-020-00213-2 
NEMS-taggarna visade en elektromekanisk spektral signatur bestående av en stor uppsättning resonanstoppar med hög kvalitet (Q). I allmänhet, Q-faktorn beskriver egenskaperna hos en oscillator eller resonator och arten av den lagrade energin i resonatorn, där ett högre Q indikerar att oscillationer sprids långsamt för att orsaka en lägre hastighet av energiförlust i förhållande till den lagrade energin i resonatorn. Dessa fysiska egenskaper kopplade till deras ultraminiatyrstorlek och transparenta beståndsdelar säkerställde immuniteten hos NEMS-taggar mot fysisk manipulering och kloningsinsatser. De kostnadseffektiva taggarna kan användas i röriga miljöer med stort bakgrundsljud och störningar. För att skapa NEMS-taggarna, Rassay et al. placerade en tunn piezoelektrisk film mellan två metalliska lager och förbättrade taggen genom att välja transparenta material för att bilda beståndsdelar, implementerade sedan taggarna på ett glassubstrat för att utvärdera deras transparens. Beståndsdelarna tillhandahöll en stor elektromekanisk kopplingskoefficient för att möjliggöra excitation av de mekaniska resonanslägena med minimala magnetiska krafter. Teamet mönstrade slutligen NEMS-taggen och observerade produkten med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) för att framhäva dess optiska transparens.
SEM-bilder av de hemliga NEMS-taggarna. (a) en uppsättning NEMS-taggar med samma layouter implementerade i samma batch på ett glassubstrat; (b) en individuell NEMS-tagg med en integrerad spoleantenn som möjliggör trådlös avläsning av den spektrala signaturen genom magnetisk koppling. Kredit:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Handlingsprincip och digital översättning
Under utvecklingen av NEMS-taggarna, forskarna grävde i egenskaperna hos den elektromekaniska spektrala signaturen för att underlätta identifieringen. Teamet designade NEMS-taggarnas laterala geometri för att skapa en stor uppsättning mekaniska resonanslägen med hög Q över ett litet frekvensområde av intresse (80-90 MHz). Baserat på de varierande egenskaperna hos motsvarande toppar till resonanslägena, Rassay et al. tilldelade en binär sträng till NEMS-taggarna.
Materialdistributionens slumpmässiga karaktär gjorde det möjligt för dem att skapa visuellt identiska NEMS-taggar med unika digitala fingeravtryck som bara återspeglades i deras spektrala signatur, och därför nästan omöjligt att bakåtkonstruera. De slumpmässiga och inneboende osäkerheterna hos etikettens beståndsdelar var önskvärda eftersom det gav två distinkta säkerhetsfördelar; först, det gjorde det möjligt för teamet att skapa unika identifierare eller fingeravtryck för var och en av de batchtillverkade enheterna. Andra, den materialbaserade inneboende slumpen var fördelaktig för att skydda informationen under tillverkningen, och förhindrar därmed förfalskade produkter. Översättningsproceduren innehöll trådlösa förhör och digitala översättningskomponenter, där teamet implementerade en serie utarbetade steg för att generera en unik binär sträng utsedd för varje NEMS-tagg.
Simulering av NEMS-taggspektralsignatur utsatt för randomiserade strukturella variationer. (a) NEMS-taggarnas simulerade spektrala signatur med stort spann, med randomiserade variationer i deras tjocklek, sidodimension, och kristallina profiler, och korttidssignaturen över varje resonanstopp i det spektrala svaret, belysa effekten av nanotillverkningsosäkerheten. (b) En SEM-bild av NEMS-taggens tvärsnitt, belyser det faktum att de kubiska konerna bildades slumpmässigt under Sc0.3Al0.7N-tillväxten. Kredit:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Karakteriserar NEMS-taggen
För att mäta de spektrala signaturtaggarna, Rassay et al. använde trådlös närfältsutfrågning över frekvensområdet 80 till 90 MHz. För att åstadkomma detta, de placerade en intelligent teckenigenkänning (ICR) magnetisk närfältsmikrosond med en spolradie på 50 µm för trådlös utfrågning genom magnetisk koppling. Teamet placerade mikrosonden på ett mindre än 2 mm vertikalt avstånd från etiketten, ansluten till en nätverksanalysator för att mäta reflektionssvaret över frekvensspektrumet. Teamet jämförde sedan spektralsignaturerna för fyra NEMS-etiketter, som de slumpmässigt valde från arrayen. Till exempel, den 31-bitars sträng som tilldelats de spektrala signaturfingeravtrycken framhävde entropin hos den hemliga NEMS-tekniken. Som proof of concept, teamet kvantifierade entropin under olika temperaturintervall för tio NEMS-taggar med identisk design med hjälp av interdevice Hamming-avstånd (ett mått för att jämföra två binära datasträngar) för att mäta unikheten hos de binära strängarna som motsvarar de spektrala signaturerna.
VÄNSTER:Schematiskt diagram av den digitala översättningsproceduren som används för att utse unika binära taggar till NEMS-etiketterna:den uppmätta spektrala signaturen för en tagg jämförs med referenssignaturen som extraherats från COMSOL-simuleringar. Referenssignaturen är uppdelad i intervall med gränser definierade av medelvärdet av frekvenserna för intilliggande toppar. I varje intervall, den uppmätta toppen med den högsta magnituden identifieras, och dess frekvens subtraheras från referenstoppen. Det resulterande decimalvärdet konverteras till en binär delsträng. En omvandlingsguide används för att tilldela biten längst till vänster till subtraktionens tecken, ytterligare nollor för att säkerställa konsekvent längd på delsträngarna, oberoende av den relativa frekvensförskjutningen för mätningarna och referensen i varje intervall, och alla nollor när ingen uppmätt topp existerar i ett intervall. Till sist, delsträngarna kaskadkopplas för att skapa den avsedda binära taggen för NEMS-etiketten. HÖGER:Trådlös spektral förfrågning av NEMS-taggarna. (a) den trådlösa närfältsutfrågningsuppsättningen som används för att extrahera den spektrala signaturen för NEMS-taggarna. Insatsen visar olika mekaniska vibrationsmönster som motsvarar resonanslägen i den spektrala signaturen, mätt med holografiskt mikroskop. (b) Den uppmätta spektrala signaturen för tre NEMS-taggar med identisk design och tillverkade i samma batch. Insättningen visar de 31-bitars binära strängar som extraherats för varje tagg. Kredit:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Utsikter om stealth-tekniken mot förfalskning
På det här sättet, Sushant Rassay och kollegor visade en ny fysisk taggteknologi för att identifiera och autentisera användningen av de elektromekaniska spektrala signaturerna för hemliga nanoelektromekaniska (NEMS) taggar. Ultraminiatyrenheten gav en optiskt transparent och visuellt oupptäckbar indirekt metod för informationslagring. De konstruerade den spektrala signaturen för NEMS-taggen för att ha ett stort antal mekaniska resonanstoppar med hög Q. Teamet fick distinkta fingeravtryck för NEMS-taggarna på grund av inneboende variationer av materialegenskaperna och yttre variationer av tillverkningsprocessen. Forskarna utvecklade också en översättningsalgoritm för att ange en binär sträng till den spektrala signaturen för varje tagg. Den resulterande stora entropin och robustheten hos NEMS-taggarna framhävde potentialen hos tekniken för att identifiera och autentisera produkter.
© 2020 Science X Network
