隱秘的驗證器：納米級的機電標簽

納米級的機電標簽可以打擊 假冒偽劣商品。

世界上最大規(guī)模的犯罪是什么？販毒？賭博？販賣人口？都不是。最大的非法行為是假冒商品的生產(chǎn)和貿(mào)易，預(yù)計明年相關(guān)金額將超過1萬億美元。你可能已經(jīng)不止一次遇到過這種事，以為自己在亞馬遜或易趣上購買的是名牌商品，最后卻發(fā)現(xiàn)是假冒偽劣商品。

這是一種極其常見的犯罪，合法的制造公司和分銷商因此蒙受了巨大損失。這種危險遠比你在討價還價時被敲竹杠要嚴重得多。比如，購買藥品時，如果你買到的不是處方里的真藥，你的健康就會陷入危險。然而，可悲的是，對于世界上大多數(shù)人來說，買藥時受到這種欺騙是常態(tài)。即使是發(fā)達國家的人也很容易受到假藥或劣質(zhì)藥的影響。

假冒電子產(chǎn)品也是一種威脅，因為它們會降低重要安全系統(tǒng)的可靠性，甚至?xí)蛊胀?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/39-96/" target="_blank">消費電子產(chǎn)品變得危險。比如，據(jù)我們所知，一些手機和電子煙在用戶面前爆炸就是因為里面裝有假電池。

把假冒偽劣商品的泛濫比作全球經(jīng)濟體系遭遇感染毫不夸張，國際反假聯(lián)盟(IACC)表示，這是另一種形式的全球大流行病，在過去20年里增長了100倍。因此，許多業(yè)內(nèi)人士長期以來一直在研究如何與這種禍患作斗爭。

打擊假冒偽劣商品的傳統(tǒng)策略是在真品中使用某種認證標記。這些措施包括顯示通用產(chǎn)品代碼（UPC）和二維碼（QR）圖案，有時還包括射頻識別（RFID）標簽。不過，UPC和二維碼必須位于顯眼位置以便進行光學(xué)掃描。因此它們易被刪除、克隆和重新應(yīng)用于假冒產(chǎn)品。射頻識別標簽不容易復(fù)制，但它們通常需要相對較大的天線，所以很難在難以察覺的情況下用它們標記物品，而且按照它們的用途來看，其成本可能過高。

我們提出了一個不同的解決方案，一個基于射頻（RF）納米機電系統(tǒng)（NEMS）的解決方案。和射頻識別標簽一樣，我們的RF NEMS設(shè)備也不需要被看見和掃描。它們的微小尺寸和組成結(jié)構(gòu)的性質(zhì)使這些標簽在很大程度上不受物理篡改或克隆的影響，而且每個標簽的成本最多幾分錢。

隱秘的NEMS標簽可以成為全球打擊假冒產(chǎn)品（甚至是假鈔）的有力武器。好奇嗎？下面我們將介紹這些設(shè)備的物理原理，以及它們的生產(chǎn)和操作會涉及哪些內(nèi)容。

我們可以把RF NEMS標簽想象成一個小三明治。面包片是兩層50納米厚的氧化銦錫導(dǎo)電層，氧化銦錫是一種常用于制造透明電極的材料，例如手機觸摸屏的電極。中間是100納米厚的壓電薄膜，由摻鈧氮化鋁組成，同樣也是透明的。利用類似制造集成電路的光刻技術(shù)，我們在三明治中蝕刻了一個圖案，中間有一枚由4個細長臂懸掛的環(huán)。這種設(shè)計讓圓環(huán)表面可以自由振動。 當然，構(gòu)成壓電薄膜的材料會受到壓電效應(yīng)的影響：材料在發(fā)生機械變形時會產(chǎn)生電壓。更重要的是，這種材料也會經(jīng)歷逆壓電效應(yīng)——外加電壓會引起機械變形。我們利用了這種現(xiàn)象來誘導(dǎo)標簽的柔性部分發(fā)生振蕩。 為了達到這個目的，我們使用光刻技術(shù)在標簽的周邊制作了一個線圈。線圈的一端連接到頂部導(dǎo)電層，另一端連接到底部導(dǎo)電層。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將標簽置于振蕩磁場中會在壓電層上產(chǎn)生振蕩電壓。由此產(chǎn)生的壓電薄膜機械變形反過來會造成標簽的柔性部分發(fā)生振動。 當激勵頻率與微小機械振蕩器的固有頻率匹配時，這種振動最強烈。這是一種簡單的共振現(xiàn)象，歌劇演員唱出正確的音符時（如果演員真的很努力的話），共振甚至能使其聲音震碎酒杯。1831年英國曼徹斯特附近著名的布勞頓吊橋倒塌就是因為共振，當時第60步槍軍團的74名士兵在過橋，他們整齊的步伐與橋發(fā)生自然機械共振。（此次事件之后，英國軍隊要求士兵在過橋時改走便步?。┰谖覀兊脑O(shè)備中，相關(guān)的激勵是掃描儀施加的磁場振蕩，當它與標簽柔性部分的機械共振頻率匹配時，就會引起最大振幅的振動。 事實上，情況比這復(fù)雜得多。標簽的柔性部分并不是只有一個共振頻率，而是有許多共振頻率。它就像鼓上的膜一樣，可以以各種方式發(fā)生振蕩。左側(cè)可能會隨著右側(cè)的下降而上升，反之亦然?；蛘撸斔闹芟蛳乱苿訒r，中間可能會上升。鼓面在受到撞擊時會發(fā)生各種各樣的變形，而且每種振蕩模式都有自己的共振頻率。 我們將納米級標簽設(shè)計得像微小的鼓面一樣會振動，并且有許多可能的振蕩模式。這些標簽非常小，只有幾微米寬，它們的振動在80至90兆赫的無線電頻率范圍內(nèi)。在這種規(guī)模下，不僅僅是標簽的幾何結(jié)構(gòu)起著重要作用，制造上的變化也發(fā)揮了作用。 例如，“三明治”的厚度（標稱約200納米）并不是均勻分布的。不同樣品環(huán)形部分的直徑和圓度也不盡相同。這些制造上的細微變化將影響設(shè)備的機械性能，包括其共振頻率。 此外，在這種規(guī)模下，用于制造這種裝置的材料也不完全均勻。特別是在壓電層中，晶體結(jié)構(gòu)存在固有的變化。由于大量摻鈧，構(gòu)成氮化鋁晶粒的六方晶體矩陣中隨機形成了立方晶體的錐形團簇。這些微小圓錐體的隨機站位可以讓看似相同的標簽出現(xiàn)顯著的共振差異。

在某些微電子設(shè)備的制造過程中，這樣的隨機變化會造成惱人的缺陷。不過在這里，隨機變化不是故障，而是一種特性！有了它，制作出來的每個標簽都是獨一無二的標記。也就是說，雖然標簽顯示的共振一般由其幾何形狀控制，但其每個共振的確切頻率、振幅和銳度是隨機變化的結(jié)果。這就能讓每一件物品都變得獨一無二，防止標簽被克隆、偽造或以重現(xiàn)原版中所有共振特性的其他方式制造出來。 RF NEMS標簽就是安全專家所說的“物理不可克隆功能”的一個示例。給一批藥品等物品分別貼上標簽，以記錄其產(chǎn)地和證明其真實性，這正符合醫(yī)生的要求。

這時候，你可能想知道我們是如何檢測和描述這些微小標簽中的振蕩所具有的獨一無二的特征的。原則上，有一種方法是將設(shè)備放在測振顯微鏡下觀察其移動情況。雖然這是可能的，而且我們已經(jīng)在實驗室研究中這么做了，但這種策略在商業(yè)應(yīng)用中無效或并不實用。 不過事實證明，測量這些標簽的共振并不困難。這是因為激發(fā)標簽振動的電子掃描儀必須提供維持這些振動的能量。電子掃描儀要確定以這種方式消耗能量的頻率很簡單。 我們目前使用的掃描儀是一種名為“網(wǎng)絡(luò)分析儀”的標準電子測試設(shè)備。（這里的“網(wǎng)絡(luò)”一詞指的是測試電路中由電阻、電容和電感器組成的電子元件網(wǎng)絡(luò)，而不是像互聯(lián)網(wǎng)這樣的計算機網(wǎng)絡(luò)。）我們連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上的傳感器只是一個微小的線圈，位于標簽幾毫米范圍內(nèi)。

有了這個裝置，我們可以輕松地測量單個標簽的獨特共振。我們會測量各種共振頻率峰值與相關(guān)幾何結(jié)構(gòu)的理想標簽的峰值之間的偏移量，從而記錄該簽名。然后，我們會將這些頻率偏移轉(zhuǎn)換成一個二進制數(shù)，并將所有這些數(shù)位串在一起，形成每個標簽特有的數(shù)字簽名。我們目前使用的方案產(chǎn)生了31位長的標識符，這意味著可能有20多億個不同的二進制簽名，這足以獨一無二地標記任何你能想到的可能需要驗證的產(chǎn)品。 依靠標簽細微的物理特性來定義其獨一無二的簽名可以防止克隆，但這會帶來另一個問題：這些特性可能會改變。 例如，在潮濕的環(huán)境中，標簽可能會吸附空氣中的一些水分，這會改變其共振特性。不過，在標簽上覆蓋一層薄薄的保護層（比如一些透明聚合物），就可以輕松防止這種可能性，而且不會干擾標簽的振動。

我們也需要認識到，共振頻率會隨著標簽溫度的變化而變化。不過，我們可以避開這個復(fù)雜的問題。我們不是根據(jù)標簽振蕩模式的絕對頻率來表征標簽，而是測量不同共振頻率之間的關(guān)系，當標簽的溫度變化時，這些共振頻率會以相似的相對量發(fā)生變化。無論標簽溫度是熱還是冷，這個程序都能確保測量的特性可轉(zhuǎn)換為相同的31位數(shù)字。我們已經(jīng)在相當大的溫度范圍內(nèi)（從0℃到200℃）測試了這個策略，并且發(fā)現(xiàn)它非常穩(wěn)健。

我們用作掃描儀的射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種昂貴的設(shè)備，與它相連的小線圈傳感器需要貼在標簽上。雖然在某些應(yīng)用中，標簽在產(chǎn)品上的位置可以標準化（例如用于驗證信用卡），但在其他情況下，掃描產(chǎn)品的人可能不知道標簽在物品的哪個位置。因此，我們現(xiàn)在正在努力開發(fā)一種更小、更便宜的掃描單元，使其傳感器不必放置在標簽正上方。 我們也在探索在標簽制作完成后改變其共振的可行性，因為我們在研究中有意外發(fā)現(xiàn)。我們給標簽選擇的壓電層材料有點不尋常。壓電設(shè)備像我們手機中的一些濾波器一樣，通常是由氮化鋁制成的，而我們采用的材料中含有大量的鈧摻雜，這增強了它的壓電性能。 決定使用這種更奇特的配方時，我們還不知道它會出現(xiàn)第二種特性：它會使材料變成鐵電體，這意味著可以通過給它施加電壓而實現(xiàn)電極化，即使消除施加電壓后，極化仍然存在。這與我們的應(yīng)用有關(guān)，因為材料的極化會影響其電氣和機械性能。在標簽制造完成后，給標簽賦予一種特殊的極化模式，會改變其共振頻率及其相對振幅。通過用這種方法形成的方案，小批量制造商甚至最終用戶可以將簽名“燒錄”到這些標簽中。 我們對RF NEMS標簽的研究得到了發(fā)現(xiàn)金融服務(wù)公司的部分資助，該公司是廣泛使用的發(fā)現(xiàn)（Discover）信用卡的母公司。不過，許多其他類型的公司肯定會對我們一直研究的微小標簽的應(yīng)用感興趣。甚至有一天政府也可能會采用納米機械標簽來鑒別紙幣。 當然，這些標簽的用途究竟有多廣泛，取決于我們正在設(shè)計的手持掃描儀的成功程度（手持掃描儀甚至可能成為智能手機的一個簡單附加組件），以及我們的猜測（即這些標簽可以在制造完成后進行定制）是否正確。不過，在朝著一項技術(shù)的商業(yè)化邁出第一步時，我們很高興能夠探索所有這些可能性，而且這項技術(shù)有朝一日可能有助于阻止世界上最廣泛的犯罪活動。

審核編輯 ：李倩