Demonstração conceitual do conceito de tag NEMS. (a) um conjunto de modos de ressonância mecânica com diferentes frequências (fi), fatores de qualidade (Qi), e as amplitudes de vibração (Ai) são estimuladas na interrogação sem fio. A assinatura espectral resultante é traduzida em uma string digital. (b) A topografia de uma etiqueta NEMS fabricada, integrado em um substrato de vidro. As incertezas de fabricação, incluindo a variação da espessura do filme, erros litográficos, e polimorfismo de cristal randomizado, induzem variações não homogêneas na assinatura espectral de tags NEMS e resultam na realização de strings digitais exclusivas para cada tag. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Os pesquisadores em cibersegurança visam realizar tags de identificação e autenticação verdadeiramente não clonáveis para defender os sistemas globais de ataques cada vez maiores de falsificações. Em um novo relatório agora publicado em Nature:Microsystems &Nanoengineering , Sushant Rassay e uma equipe de pesquisadores em engenharia elétrica e de computação da Universidade da Flórida, NÓS., demonstraram tags em nanoescala para explorar uma assinatura espectral eletromecânica como uma impressão digital com base na aleatoriedade inerente do processo de fabricação. O tamanho da ultraminiatura e os constituintes transparentes das etiquetas nanoeletromecânicas (NEMS) forneceram imunidade substancial a adulterações físicas e esforços de clonagem. O NEMS pode normalmente converter formas de energia mecânica e vibracional do ambiente em energia elétrica, desenvolvendo fontes de energia confiáveis para dispositivos eletrônicos sem fio de potência ultrabaixa. A equipe também desenvolveu algoritmos adaptativos para traduzir digitalmente a assinatura espectral em impressões digitais binárias. Os experimentos destacaram o potencial do NEMS clandestino (furtivo) para proteger a identificação e autenticação em uma variedade de produtos e bens de consumo.
Desenvolvimento de tecnologias para combater o comércio falsificado
O surgimento do comércio falsificado pode impactar significativamente o sistema econômico global, enquanto aumenta para impor um amplo dano social e representar ameaças à segurança internacional como uma fonte de crimes do colarinho branco. O comércio falsificado é convencionalmente combatido com etiquetas físicas para identificar, autenticar, e rastrear itens genuínos gerando impressões digitais ou marcas d'água. A eficácia de uma etiqueta física pode ser definida por sua aplicabilidade a diversos produtos, desde comestíveis a eletrônicos, sua perseverança na clonagem juntamente com o custo de produção associado. Os pesquisadores desenvolveram uma variedade de tecnologias de tags físicas de uso geral, incluindo padrões de resposta rápida (QR), códigos de produto universal (UPC) e etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID). Contudo, tais técnicas são limitadas e, portanto, representam riscos de segurança. Os cientistas desenvolveram recentemente funções não clonáveis físicas em nanoescala ou funções não clonáveis nanofísicas (PUFs) para identificar limites substanciais de etiquetas de identificação e autenticação. Neste estudo, Rassay et al. apresentou uma abordagem radicalmente diferente usando sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) para realizar tags físicas furtivas. As construções mantiveram imunidade substancial à adulteração e clonagem com aplicabilidade genérica em uma variedade de produtos.
Fabricação das tags NEMS clandestinas. a o processo de fabricação para a implementação de etiquetas NEMS clandestinas em um substrato de vidro:(1) deposição e padronização de uma camada sacrificial de SiO2 no substrato de vidro e o ALD de HfO2 de 10 nm, (2) pulverização catódica e padronização de 50 nm ITO (eletrodo inferior) e 100 nm Sc0.3Al0.7N, (3) padronização da camada Sc0.3Al0.7N para acessar o eletrodo ITO inferior, (4) deposição e padronização dos eletrodos ITO superiores e da bobina, (5) gravação de trincheiras na pilha de transdutores para definir a geometria da etiqueta NEMS, e (6) liberação da etiqueta NEMS por ataque ácido SiO2 sacrificial. b Um substrato de vidro de 1 cm x 1 cm com matriz integrada em larga escala de tags NEMS com transparência ótica. A inserção mostra uma ampliação da imagem ótica, destacando uma matriz de tags NEMS com layouts idênticos. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2 
As tags NEMS mostraram uma assinatura espectral eletromecânica composta por um grande conjunto de picos de ressonância de fator de alta qualidade (Q). Em geral, o fator Q descreve as propriedades de um oscilador ou ressonador e a natureza da energia armazenada do ressonador, onde um Q mais alto indica que as oscilações se dispersam lentamente para causar uma menor taxa de perda de energia em relação à energia armazenada do ressonador. Essas características físicas, juntamente com seu tamanho ultraminiatura e constituintes transparentes, garantiram a imunidade das tags NEMS em relação aos esforços de adulteração física e clonagem. As etiquetas econômicas podem ser usadas em ambientes desordenados com grande interferência e ruído de fundo. Para criar as tags NEMS, Rassay et al. imprensou um filme piezoelétrico fino entre duas camadas metálicas e aprimorou a etiqueta escolhendo materiais transparentes para formar camadas constituintes, em seguida, implementei as tags em um substrato de vidro para avaliar sua transparência. Os constituintes forneceram um grande coeficiente de acoplamento eletromecânico para permitir a excitação dos modos de ressonância mecânica com potências magnéticas minúsculas. A equipe finalmente padronizou a etiqueta NEMS e observou o produto usando microscopia eletrônica de varredura (SEM) para destacar sua transparência óptica.
Imagens SEM das tags NEMS clandestinas. (a) uma matriz de tags NEMS com os mesmos layouts implementados no mesmo lote em um substrato de vidro; (b) uma etiqueta NEMS individual com uma antena helicoidal integrada permitindo a interrogação sem fio da assinatura espectral por meio de acoplamento magnético. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Princípio de ação e tradução digital
Durante o desenvolvimento das tags NEMS, os cientistas investigaram as propriedades da assinatura espectral eletromecânica para facilitar a identificação. A equipe projetou a geometria lateral das tags NEMS para criar um grande conjunto de modos de ressonância mecânica de alto Q em uma pequena faixa de frequência de interesse (80-90 MHz). Com base nas características variáveis dos picos correspondentes aos modos de ressonância, Rassay et al. atribuiu uma string binária às tags NEMS.
A natureza aleatória da distribuição do material permitiu que eles criassem tags NEMS visualmente idênticas com impressões digitais exclusivas que eram refletidas apenas em sua assinatura espectral, e, portanto, quase impossível fazer engenharia reversa. As incertezas aleatórias e intrínsecas dos constituintes do rótulo eram desejáveis, pois fornecia dois benefícios de segurança distintos; primeiro, permitiu que a equipe criasse identificadores exclusivos ou impressões digitais para cada um dos dispositivos fabricados em lote. Segundo, a aleatoriedade intrínseca baseada no material foi vantajosa para proteger as informações durante sua fabricação, evitando assim produtos falsificados. O procedimento de tradução continha interrogação sem fio e componentes de tradução digital, onde a equipe implementou uma série de etapas elaboradas para gerar uma string binária exclusiva designada para cada tag NEMS.
Simulação de assinatura espectral de tag NEMS submetida a variações estruturais aleatórias. (a) a assinatura espectral simulada de grande amplitude das tags NEMS, com variações aleatórias em sua espessura, dimensão lateral, e perfis cristalinos, e a assinatura de curto alcance sobre cada pico de ressonância na resposta espectral, destacando o efeito das incertezas da nanofabricação. (b) Uma imagem SEM da seção transversal da tag NEMS, destacando o fato de que os cones cúbicos se formaram aleatoriamente durante o crescimento Sc0.3Al0.7N. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Caracterizando a tag NEMS
Para medir as marcas de assinatura espectral, Rassay et al. usado interrogatório sem fio de campo próximo na faixa de frequência de 80 a 90 MHz. Para conseguir isso, eles posicionaram uma microssonda de campo próximo magnética de reconhecimento inteligente de caracteres (ICR) com um raio de bobina de 50 µm para interrogação sem fio por meio de acoplamento magnético. A equipe posicionou a microssonda a uma distância vertical de menos de 2 mm da etiqueta, conectado a um analisador de rede para medir a resposta de reflexão em todo o espectro de frequência. A equipe então comparou as assinaturas espectrais de quatro rótulos NEMS, que eles escolheram aleatoriamente na matriz. Por exemplo, a sequência de 31 bits atribuída às impressões digitais de assinatura espectral destacou a entropia da tecnologia NEMS clandestina. Como prova de conceito, a equipe quantificou a entropia em diferentes faixas de temperatura para dez tags NEMS com designs idênticos usando a distância de Hamming entre dispositivos (uma métrica para comparar duas sequências de dados binários) para medir a singularidade das sequências binárias correspondentes às assinaturas espectrais.
ESQUERDA:Diagrama esquemático do procedimento de tradução digital usado para designar tags binárias exclusivas para os rótulos NEMS:a assinatura espectral medida de uma tag é comparada com a assinatura de referência extraída das simulações COMSOL. A assinatura de referência é dividida em intervalos com bordas definidas pela média das frequências de picos adjacentes. Em cada intervalo, o pico medido com a maior magnitude é identificado, e sua frequência é subtraída do pico de referência. O valor decimal resultante é convertido em uma substring binária. Um guia de conversão é usado para atribuir o bit mais à esquerda ao sinal da subtração, zeros adicionais para garantir o comprimento consistente das substrings, independentemente do deslocamento de frequência relativa das medições e referência em cada intervalo, e todos os zeros quando nenhum pico medido existe em um intervalo. Finalmente, as substrings são colocadas em cascata para criar a tag binária designada para o rótulo NEMS. À DIREITA:Interrogação espectral sem fio das tags NEMS. (a) a configuração de interrogação sem fio de campo próximo usada para extração da assinatura espectral das tags NEMS. A inserção mostra vários padrões de vibração mecânica correspondentes aos modos de ressonância na assinatura espectral, medido pelo microscópio holográfico. (b) A assinatura espectral medida de três tags NEMS com designs idênticos e fabricados no mesmo lote. A inserção mostra as strings binárias de 31 bits extraídas para cada tag. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Perspectiva da tecnologia furtiva anti-falsificação
Desta maneira, Sushant Rassay e colegas mostraram uma nova tecnologia de etiqueta física para identificar e autenticar o uso de assinaturas espectrais eletromecânicas de etiquetas nanoeletromecânicas clandestinas (NEMS). O dispositivo de ultraminiatura forneceu um método indireto opticamente transparente e visualmente indetectável para armazenamento de informações. Eles projetaram a assinatura espectral da etiqueta NEMS para ter um grande número de picos de ressonância mecânica de alto Q. A equipe obteve impressões digitais distintas para as tags NEMS devido a variações intrínsecas das propriedades do material e variações extrínsecas do processo de fabricação. Os cientistas também desenvolveram um algoritmo de tradução para designar uma string binária para a assinatura espectral de cada etiqueta. A grande entropia e robustez resultantes das tags NEMS destacaram o potencial da tecnologia para identificar e autenticar produtos.
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