Démonstration conceptuelle du concept de balise NEMS. (a) un ensemble de modes de résonance mécanique avec différentes fréquences (fi), facteurs de qualité (Qi), et les amplitudes de vibration (Ai) sont excitées lors d'une interrogation sans fil. La signature spectrale résultante est traduite en une chaîne numérique. (b) La topographie d'une étiquette NEMS fabriquée, intégré sur un substrat de verre. Les incertitudes de fabrication, y compris la variation d'épaisseur de film, erreurs de lithographie, et polymorphisme cristallin aléatoire, induisent des variations inhomogènes dans la signature spectrale des tags NEMS et conduisent à la réalisation de chaînes numériques propres à chaque tag. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Les chercheurs en cybersécurité visent à réaliser des étiquettes d'identification et d'authentification vraiment impossibles à cloner pour défendre les systèmes mondiaux contre les attaques de contrefaçon toujours plus nombreuses. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Nature :Microsystèmes &Nano-ingénierie , Sushant Rassay et une équipe de chercheurs en génie électrique et informatique de l'Université de Floride, NOUS., ont démontré des étiquettes à l'échelle nanométrique pour explorer une signature spectrale électromécanique en tant qu'empreinte digitale basée sur le caractère aléatoire inhérent au processus de fabrication. La taille ultraminiature et les composants transparents des étiquettes nanoélectromécaniques (NEMS) ont fourni une immunité substantielle aux efforts de falsification physique et de clonage. Le NEMS peut généralement convertir des formes d'énergie mécanique et vibratoire de l'environnement en énergie électrique en développant des sources d'alimentation fiables pour les appareils électroniques sans fil à très faible consommation. L'équipe a également développé des algorithmes adaptatifs pour traduire numériquement la signature spectrale en empreintes binaires. Les expériences ont mis en évidence le potentiel des NEMS clandestins (furtifs) pour sécuriser l'identification et l'authentification d'une gamme de produits et de biens de consommation.
Développer des technologies pour lutter contre le commerce de la contrefaçon
L'émergence du commerce de la contrefaçon peut avoir un impact significatif sur le système économique mondial, tout en s'intensifiant pour imposer de vastes dommages sociaux et constituer une menace pour la sécurité internationale en tant que source de criminalité en col blanc. Le commerce de contrefaçon est traditionnellement combattu en utilisant des étiquettes physiques pour identifier, authentifier, et suivez les articles authentiques en générant des empreintes digitales ou des filigranes. L'efficacité d'une étiquette physique peut être définie par son applicabilité à divers produits allant des produits comestibles à l'électronique, sa persévérance au clonage avec le coût de production associé. Les chercheurs ont développé une variété de technologies d'étiquettes physiques à usage général, y compris les modèles de réponse rapide (QR), codes de produit universels (UPC) et étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID). Cependant, ces techniques sont limitées et présentent donc des risques pour la sécurité. Les scientifiques avaient donc récemment développé des fonctions physiques non clonables à l'échelle nanométrique ou des fonctions non clonables nanophysiques (PUF) pour identifier les limites substantielles des étiquettes d'identification et d'authentification. Dans cette étude, Rassay et al. a présenté une approche radicalement différente utilisant des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) pour réaliser des étiquettes physiques furtives. Les constructions ont maintenu une immunité substantielle à la falsification et au clonage avec une applicabilité générique à une gamme de produits.
Fabrication des tags NEMS clandestins. a le procédé de fabrication pour la mise en place de tags NEMS clandestins sur un substrat de verre :(1) dépôt et structuration d'une couche sacrificielle de SiO2 sur le substrat de verre et l'ALD de 10 nm HfO2, (2) pulvérisation cathodique et structuration d'ITO 50 nm (électrode inférieure) et de Sc0.3Al0.7N 100 nm, (3) la structuration de la couche Sc0.3Al0.7N pour accéder à l'électrode ITO inférieure, (4) dépôt et modelage des électrodes supérieures d'ITO et de la bobine, (5) gravure de tranchées dans la pile de transducteurs pour définir la géométrie de l'étiquette NEMS, et (6) libération de l'étiquette NEMS par gravure de SiO2 sacrificiel. b Un substrat en verre de 1 cm × 1 cm avec un réseau intégré à très grande échelle de tags NEMS à transparence optique. L'encart montre un agrandissement de l'image optique, mettant en évidence un tableau de balises NEMS avec des mises en page identiques. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-00213-2 
Les balises NEMS ont montré une signature spectrale électromécanique composée d'un grand ensemble de pics de résonance de facteur de qualité (Q) élevé. En général, le facteur Q décrit les propriétés d'un oscillateur ou d'un résonateur et la nature de l'énergie stockée du résonateur, où un Q plus élevé indique que les oscillations se dispersent lentement pour provoquer un taux de perte d'énergie plus faible par rapport à l'énergie stockée du résonateur. Ces caractéristiques physiques, associées à leur taille ultraminiature et à leurs composants transparents, ont assuré l'immunité des étiquettes NEMS contre les tentatives de falsification physique et de clonage. Les balises économiques peuvent être utilisées dans des environnements encombrés avec un bruit de fond et des interférences importants. Pour créer les balises NEMS, Rassay et al. pris en sandwich un mince film piézoélectrique entre deux couches métalliques et amélioré l'étiquette en choisissant des matériaux transparents pour former des couches constitutives, puis mis en place les tags sur un substrat de verre pour évaluer leur transparence. Les constituants ont fourni un grand coefficient de couplage électromécanique pour permettre l'excitation des modes de résonance mécanique avec de minuscules puissances magnétiques. L'équipe a finalement modelé l'étiquette NEMS et observé le produit à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) pour mettre en évidence sa transparence optique.
Images SEM des tags NEMS clandestins. (a) un réseau d'étiquettes NEMS avec les mêmes dispositions mises en œuvre dans le même lot sur un substrat de verre ; (b) une étiquette NEMS individuelle avec une antenne à bobine intégrée permettant l'interrogation sans fil de la signature spectrale par couplage magnétique. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Principe d'action et traduction numérique
Lors du développement des balises NEMS, les scientifiques se sont penchés sur les propriétés de la signature spectrale électromécanique pour faciliter l'identification. L'équipe a conçu la géométrie latérale des balises NEMS pour créer un grand ensemble de modes de résonance mécanique à Q élevé sur une petite plage de fréquences d'intérêt (80-90 MHz). Sur la base des caractéristiques variables des pics correspondants aux modes de résonance, Rassay et al. attribué une chaîne binaire aux balises NEMS.
La nature aléatoire de la distribution des matériaux leur a permis de créer des étiquettes NEMS visuellement identiques avec des empreintes digitales uniques qui ne se reflétaient que dans leur signature spectrale, et donc presque impossible à rétroconcevoir. Les incertitudes aléatoires et intrinsèques des constituants de l'étiquette étaient souhaitables car elles offraient deux avantages distincts en matière de sécurité ; premier, cela a permis à l'équipe de créer des identifiants ou des empreintes digitales uniques pour chacun des appareils fabriqués par lots. Seconde, le caractère aléatoire intrinsèque basé sur le matériau était avantageux pour protéger l'information lors de sa fabrication, empêchant ainsi les produits contrefaits. La procédure de traduction contenait des éléments d'interrogation sans fil et de traduction numérique, où l'équipe a mis en œuvre une série d'étapes élaborées pour générer une chaîne binaire unique désignée pour chaque balise NEMS.
Simulation de la signature spectrale des tags NEMS soumise à des variations structurelles aléatoires. (a) la signature spectrale simulée à grande échelle des étiquettes NEMS, avec des variations aléatoires de leur épaisseur, dimension latérale, et profils cristallins, et la signature à courte portée sur chaque pic de résonance dans la réponse spectrale, mettant en évidence l'effet des incertitudes de la nanofabrication. (b) Une image SEM de la section transversale de l'étiquette NEMS, mettant en évidence le fait que les cônes cubiques se sont formés aléatoirement au cours de la croissance de Sc0.3Al0.7N. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Caractérisation de la balise NEMS
Pour mesurer les balises de signature spectrale, Rassay et al. utilisé une interrogation sans fil en champ proche sur la plage de fréquences de 80 à 90 MHz. Pour y parvenir, ils ont positionné une microsonde magnétique de champ proche à reconnaissance intelligente de caractères (ICR) avec un rayon de bobine de 50 µm pour une interrogation sans fil par couplage magnétique. L'équipe a positionné la microsonde à une distance verticale inférieure à 2 mm de l'étiquette, connecté à un analyseur de réseau pour mesurer la réponse de réflexion à travers le spectre de fréquences. L'équipe a ensuite comparé les signatures spectrales de quatre étiquettes NEMS, qu'ils ont choisi au hasard dans le tableau. Par exemple, la chaîne de 31 bits attribuée aux empreintes de signature spectrale a mis en évidence l'entropie de la technologie NEMS clandestine. Comme preuve de concept, l'équipe a quantifié l'entropie sous différentes plages de température pour dix balises NEMS avec des conceptions identiques en utilisant la distance de Hamming inter-dispositif (une métrique pour comparer deux chaînes de données binaires) pour mesurer l'unicité des chaînes binaires correspondant aux signatures spectrales.
A GAUCHE :Schéma de principe de la procédure de traduction numérique utilisée pour désigner des tags binaires uniques vers les labels NEMS :la signature spectrale mesurée d'un tag est comparée à la signature de référence extraite des simulations COMSOL. La signature de référence est divisée en intervalles avec des frontières définies par la moyenne des fréquences des pics adjacents. Dans chaque intervalle, le pic mesuré avec l'amplitude la plus élevée est identifié, et sa fréquence est soustraite du pic de référence. La valeur décimale résultante est convertie en une sous-chaîne binaire. Un guide de conversion permet d'affecter le bit le plus à gauche au signe de la soustraction, des zéros supplémentaires pour assurer une longueur cohérente des sous-chaînes, quel que soit le décalage de fréquence relative des mesures et de référence dans chaque intervalle, et tous les zéros lorsqu'aucun pic mesuré n'existe dans un intervalle. Finalement, les sous-chaînes sont mises en cascade pour créer l'étiquette binaire désignée pour l'étiquette NEMS. DROITE :interrogation spectrale sans fil des balises NEMS. (a) la configuration d'interrogation sans fil en champ proche utilisée pour l'extraction de la signature spectrale des balises NEMS. L'encart montre divers modèles de vibrations mécaniques correspondant à des modes de résonance dans la signature spectrale, mesuré par le microscope holographique. (b) La signature spectrale mesurée de trois étiquettes NEMS avec des conceptions identiques et fabriquées dans le même lot. L'encart montre les chaînes binaires de 31 bits extraites pour chaque balise. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-00213-2
Perspectives de la technologie furtive anti-contrefaçon
De cette façon, Sushant Rassay et ses collègues ont montré une nouvelle technologie de balise physique pour identifier et authentifier l'utilisation des signatures spectrales électromécaniques des balises nanoélectromécaniques clandestines (NEMS). Le dispositif ultraminiature a fourni une méthode indirecte optiquement transparente et visuellement indétectable pour le stockage d'informations. Ils ont conçu la signature spectrale de l'étiquette NEMS pour avoir un grand nombre de pics de résonance mécanique à Q élevé. L'équipe a obtenu des empreintes digitales distinctes pour les étiquettes NEMS en raison des variations intrinsèques des propriétés des matériaux et des variations extrinsèques du processus de fabrication. Les scientifiques ont également développé un algorithme de traduction pour désigner une chaîne binaire à la signature spectrale de chaque étiquette. La grande entropie et la robustesse des balises NEMS qui en résultent ont mis en évidence le potentiel de la technologie pour identifier et authentifier les produits.
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