Demostración conceptual del concepto de etiqueta NEMS. (a) un conjunto de modos de resonancia mecánica con diferentes frecuencias (fi), factores de calidad (Qi), y las amplitudes de vibración (Ai) se excitan con la interrogación inalámbrica. La firma espectral resultante se traduce en una cadena digital. (b) La topografía de una etiqueta NEMS fabricada, integrado sobre un sustrato de vidrio. Las incertidumbres de fabricación, incluida la variación del espesor de la película, errores litográficos, y polimorfismo cristalino aleatorio, inducen variaciones no homogéneas en la firma espectral de las etiquetas NEMS y dan como resultado la realización de cadenas digitales únicas para cada etiqueta. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Los investigadores en ciberseguridad tienen como objetivo realizar etiquetas de identificación y autenticación verdaderamente no clonables para defender los sistemas globales de los crecientes ataques de falsificaciones. En un nuevo informe ahora publicado en Naturaleza:microsistemas y nanoingeniería , Sushant Rassay y un equipo de investigadores en ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Florida, NOSOTROS., demostraron etiquetas a nanoescala para explorar una firma espectral electromecánica como una huella digital basada en la aleatoriedad inherente del proceso de fabricación. El tamaño ultraminiatura y los componentes transparentes de las etiquetas nanoelectromecánicas (NEMS) proporcionaron una inmunidad sustancial a la manipulación física y los esfuerzos de clonación. Normalmente, el NEMS puede convertir formas de energía mecánica y vibratoria del medio ambiente en energía eléctrica mediante el desarrollo de fuentes de energía confiables para dispositivos electrónicos inalámbricos de potencia ultrabaja. El equipo también desarrolló algoritmos adaptativos para traducir digitalmente la firma espectral en huellas digitales binarias. Los experimentos destacaron el potencial de los NEMS clandestinos (sigilosos) para asegurar la identificación y autenticación en una variedad de productos y bienes de consumo.
Desarrollo de tecnologías para luchar contra el comercio de falsificaciones
La aparición del comercio de productos falsificados puede tener un impacto significativo en el sistema económico mundial, mientras se intensifica para imponer un daño social amplio y plantear amenazas a la seguridad internacional como fuente de delitos de cuello blanco. El comercio de falsificaciones se combate convencionalmente utilizando etiquetas físicas para identificar, autenticar, y rastrear artículos genuinos generando huellas digitales o marcas de agua. La eficacia de una etiqueta física se puede definir por su aplicabilidad a diversos productos que van desde comestibles hasta productos electrónicos, su perseverancia en la clonación junto con el costo de producción asociado. Los investigadores han desarrollado una variedad de tecnologías de etiquetas físicas de uso general, incluyendo patrones de respuesta rápida (QR), etiquetas de código de producto universal (UPC) y de identificación por radiofrecuencia (RFID). Sin embargo, tales técnicas son limitadas y, por lo tanto, plantean riesgos de seguridad. Por lo tanto, los científicos habían desarrollado recientemente funciones físicas no clonables a nanoescala o funciones nanofísicas no clonables (PUF) para identificar límites sustanciales de etiquetas de identificación y autenticación. En este estudio, Rassay y col. presentó un enfoque radicalmente diferente utilizando sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) para realizar etiquetas físicas sigilosas. Las construcciones mantuvieron una inmunidad sustancial a la manipulación y la clonación con aplicabilidad genérica en una variedad de productos.
Fabricación de las etiquetas NEMS clandestinas. a el proceso de fabricación para la implementación de etiquetas NEMS clandestinas en un sustrato de vidrio:(1) deposición y modelado de una capa de sacrificio de SiO2 sobre el sustrato de vidrio y el ALD de HfO2 de 10 nm, (2) pulverización catódica y modelado de ITO de 50 nm (electrodo inferior) y Sc0.3Al0.7N de 100 nm, (3) patrón de la capa Sc0.3Al0.7N para acceder al electrodo ITO inferior, (4) deposición y modelado de los electrodos ITO superiores y la bobina, (5) grabado de zanjas en la pila de transductores para definir la geometría de la etiqueta NEMS, y (6) liberación de la etiqueta NEMS grabando el SiO2 de sacrificio. b Un sustrato de vidrio de 1 cm × 1 cm con una matriz integrada a gran escala de etiquetas NEMS con transparencia óptica. El recuadro muestra una ampliación de la imagen óptica, resaltando una matriz de etiquetas NEMS con diseños idénticos. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2 
Las etiquetas NEMS mostraron una firma espectral electromecánica compuesta por un gran conjunto de picos de resonancia de factor de alta calidad (Q). En general, el factor Q describe las propiedades de un oscilador o resonador y la naturaleza de la energía almacenada del resonador, donde una Q más alta indica que las oscilaciones se dispersan lentamente para causar una tasa más baja de pérdida de energía en relación con la energía almacenada del resonador. Estas características físicas, junto con su tamaño ultraminiatura y componentes transparentes, aseguraron la inmunidad de las etiquetas NEMS frente a la manipulación física y los esfuerzos de clonación. Las etiquetas rentables se pueden utilizar en entornos desordenados con gran ruido de fondo e interferencia. Para crear las etiquetas NEMS, Rassay y col. intercala una fina película piezoeléctrica entre dos capas metálicas y mejora la etiqueta eligiendo materiales transparentes para formar capas constituyentes, luego implementó las etiquetas en un sustrato de vidrio para evaluar su transparencia. Los componentes proporcionaron un gran coeficiente de acoplamiento electromecánico para permitir la excitación de los modos de resonancia mecánica con minúsculos poderes magnéticos. El equipo finalmente modeló la etiqueta NEMS y observó el producto utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) para resaltar su transparencia óptica.
Imágenes SEM de las etiquetas NEMS clandestinas. (a) una serie de etiquetas NEMS con los mismos diseños implementados en el mismo lote sobre un sustrato de vidrio; (b) una etiqueta NEMS individual con una antena de bobina integrada que permite la interrogación inalámbrica de la firma espectral a través del acoplamiento magnético. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Principio de acción y traducción digital
Durante el desarrollo de las etiquetas NEMS, los científicos profundizaron en las propiedades de la firma espectral electromecánica para facilitar la identificación. El equipo diseñó la geometría lateral de las etiquetas NEMS para crear un gran conjunto de modos de resonancia mecánica de alta Q en un pequeño rango de frecuencia de interés (80-90 MHz). Basado en las características variables de los picos correspondientes a los modos de resonancia, Rassay y col. asignó una cadena binaria a las etiquetas NEMS.
La naturaleza aleatoria de la distribución del material les permitió crear etiquetas NEMS visualmente idénticas con huellas digitales únicas que solo se reflejaban en su firma espectral. y por lo tanto es casi imposible realizar ingeniería inversa. Las incertidumbres aleatorias e intrínsecas de los componentes de la etiqueta eran deseables ya que proporcionaban dos beneficios de seguridad distintos; primero, permitió al equipo crear identificadores únicos o huellas digitales para cada uno de los dispositivos fabricados por lotes. Segundo, la aleatoriedad intrínseca basada en el material era ventajosa para proteger la información durante su fabricación, evitando así productos falsificados. El procedimiento de traducción contenía componentes de interrogación inalámbrica y traducción digital, donde el equipo implementó una serie de pasos elaborados para generar una cadena binaria única designada para cada etiqueta NEMS.
Simulación de la firma espectral de la etiqueta NEMS sujeta a variaciones estructurales aleatorias. (a) la firma espectral simulada de gran envergadura de las etiquetas NEMS, con variaciones aleatorias en su espesor, dimensión lateral, y perfiles cristalinos, y la firma de tramo corto sobre cada pico de resonancia en la respuesta espectral, destacando el efecto de las incertidumbres de la nanofabricación. (b) Una imagen SEM de la sección transversal de la etiqueta NEMS, destacando el hecho de que los conos cúbicos se formaron aleatoriamente durante el crecimiento Sc0.3Al0.7N. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Caracterización de la etiqueta NEMS
Para medir las etiquetas de firma espectral, Rassay y col. utilizó interrogación inalámbrica de campo cercano en el intervalo de frecuencia de 80 a 90 MHz. Para lograr esto, colocaron una microsonda magnética de campo cercano de reconocimiento inteligente de caracteres (ICR) con un radio de bobina de 50 µm para interrogación inalámbrica mediante acoplamiento magnético. El equipo colocó la microsonda a una distancia vertical inferior a 2 mm de la etiqueta, conectado a un analizador de red para medir la respuesta de reflexión en todo el espectro de frecuencias. Luego, el equipo comparó las firmas espectrales de cuatro etiquetas NEMS, que eligieron al azar de la matriz. Por ejemplo, la cadena de 31 bits asignada a las huellas digitales de la firma espectral resaltó la entropía de la tecnología clandestina NEMS. Como prueba de concepto, el equipo cuantificó la entropía en diferentes rangos de temperatura para diez etiquetas NEMS con diseños idénticos utilizando la distancia de Hamming entre dispositivos (una métrica para comparar dos cadenas de datos binarios) para medir la unicidad de las cadenas binarias correspondientes a las firmas espectrales.
IZQUIERDA:Diagrama esquemático del procedimiento de traducción digital utilizado para designar etiquetas binarias únicas a las etiquetas NEMS:la firma espectral medida de una etiqueta se compara con la firma de referencia extraída de las simulaciones COMSOL. La firma de referencia se divide en intervalos con bordes definidos por el promedio de las frecuencias de los picos adyacentes. En cada intervalo, se identifica el pico medido con la mayor magnitud, y su frecuencia se resta del pico de referencia. El valor decimal resultante se convierte en una subcadena binaria. Se utiliza una guía de conversión para asignar el bit más a la izquierda al signo de la resta, ceros adicionales para asegurar una longitud constante de las subcadenas, independientemente del desplazamiento de frecuencia relativo de las mediciones y la referencia en cada intervalo, y todos ceros cuando no existe ningún pico medido en un intervalo. Finalmente, las subcadenas se conectan en cascada para crear la etiqueta binaria designada para la etiqueta NEMS. DERECHA:interrogación espectral inalámbrica de las etiquetas NEMS. (a) la configuración de interrogación inalámbrica de campo cercano utilizada para la extracción de la firma espectral de las etiquetas NEMS. El recuadro muestra varios patrones de vibración mecánica correspondientes a modos de resonancia en la firma espectral, medido por el microscopio holográfico. (b) La firma espectral medida de tres etiquetas NEMS con diseños idénticos y fabricadas en el mismo lote. El recuadro muestra las cadenas binarias de 31 bits extraídas para cada etiqueta. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-00213-2
Perspectiva de la tecnología sigilosa contra la falsificación
De este modo, Sushant Rassay y sus colegas mostraron una nueva tecnología de etiquetas físicas para identificar y autenticar el uso de firmas espectrales electromecánicas de etiquetas nanoelectromecánicas clandestinas (NEMS). El dispositivo ultraminiatura proporcionó un método indirecto ópticamente transparente y visualmente indetectable para el almacenamiento de información. Diseñaron la firma espectral de la etiqueta NEMS para tener una gran cantidad de picos de resonancia mecánica de alta Q. El equipo obtuvo distintas huellas dactilares para las etiquetas NEMS debido a variaciones intrínsecas de las propiedades del material y variaciones extrínsecas del proceso de fabricación. Los científicos también desarrollaron un algoritmo de traducción para designar una cadena binaria a la firma espectral de cada etiqueta. La gran entropía resultante y la robustez de las etiquetas NEMS destacaron el potencial de la tecnología para identificar y autenticar productos.
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