纳米技术如何挫败造假者

最大的是什么?世界上最大的犯罪集团?毒品吗?赌博吗?贩卖人口吗?

没有。最大的骗局是假冒商品的生产和贸易，预计明年将超过1万亿美元。你自己可能也不止一次遭受过这样的痛苦，在亚马逊或eBay上购买了你认为是名牌的商品，却发现它是质量低劣的假货。

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这是一种非常常见的策略，合法的制造公司和分销商因此遭受了巨大的损失。但这种危险远比你在寻找便宜货时被宰要严重得多。例如，在购买药品时，如果你没有收到处方上开的真正的药，你就会把自己的健康置于危险之中。然而对世界上大部分地区来说，以这种方式被欺骗买药是可悲的常态。即使在发达国家，人们也很容易接受假药或劣药的治疗。

与微芯片制造方法相同的微型机械谐振器(下图)可以用于鉴定各种商品。这些标签直径小于1微米且透明，基本上是看不见的。佛罗里达大学

假冒电子产品也是一种威胁，因为它们会降低安全关键系统的可靠性，甚至会使普通的消费电子产品变得危险。亚博技术支持专业彩票平台手机而且电子烟例如，由于电池内装有假冒电池，这种电池就会在用户面前爆炸。

将假冒商品的泛滥比作全球经济系统的感染并不夸张——一种不同类型的流行病，一种已经增长的流行病100倍据国际打假联盟的数据显示，在过去的20年里，中国的假冒伪劣产品数量大幅增加。因此，难怪许多业内人士长期以来一直在研究对抗这一祸害的方法。

打击造假者的传统策略是在真品上应用某种认证标记。这些努力包括显示通用产品代码(UPC)和快速响应(QR)模式，有时还包括射频识别(RFID)标签。但UPC和QR码必须明显，以便于光学扫描。这使得它们很容易被移除、克隆和重新应用于假冒产品。RFID标签不容易克隆，但它们通常需要相对较大的天线，这使得很难用它们在不知不觉中标记物品。而且根据它们的用途，它们可能太昂贵了。

我们提出了一种不同的解决方案，一种基于射频(RF)纳米机电系统(NEMS)的解决方案。像RFID标签一样，我们的RF NEMS设备不需要被扫描。由于其微小的尺寸和组成成分的性质，使得这些标签在很大程度上不受物理篡改或克隆的影响。而且每个最多只花几美分。

隐形NEMS标签可能成为全球打击假冒产品，甚至是假钞的有力武器。感兴趣吗?这里描述了这些设备所基于的物理原理，并简要概述了它们的生产和操作中涉及的内容。

你可以想想RF NEMS标签的一个小三明治。面包片是两层50纳米厚的氧化铟锡导电层，这种材料通常用于制作透明电极，比如手机触摸屏上的电极。填充物是一层100纳米厚的压电薄膜，由掺杂钪的氮化铝组成，同样透明。使用类似于制造集成电路的光刻技术，我们在三明治中蚀刻图案，其中包括由四个细长臂悬挂的中间环。这种设计让圆形表面可以自由振动。

当然，构成压电薄膜的材料要受到压电效应当机械变形时，材料就会产生电压。更重要的是，这种材料还会经历所谓的反向压电效应——外加电压会引起机械变形。我们利用这种现象在标签的柔性部分诱导振荡。

为了实现这一点，我们使用光刻技术在标签的外围制造一个线圈。该线圈一端连接到顶部导电层，另一端连接到底部导电层。将标签置于振荡磁场中，在压电层上产生振荡电压，如所述法拉第电磁感应定律．压电薄膜产生的机械变形反过来导致标签的柔性部分振动。

当激发频率与微小机械振荡器的固有频率相匹配时，这种振动将变得最强烈。这是一种简单的共振现象，当正确的音符被击中时，歌剧演唱者的声音就会打碎酒杯非常非常努力)．这也引发了著名的布劳顿吊桥1831年，在英国曼彻斯特附近，第60步枪兵团的74名成员穿过桥，他们的脚步随着桥的自然机械共振及时着陆。(在那次事件之后，英国士兵被指示在过桥时要放慢脚步!)在我们的例子中，相关的激励是扫描仪施加的磁场的振荡，当它与标签柔性部分的机械共振频率相匹配时，会引起最高振幅的振动。

事实上，情况比这更复杂。标签的柔性部分不只有一个谐振频率——它有很多。就像鼓上的膜，可以以各种方式振荡．左边向上，右边向下，反之亦然。或者当周长向下移动时，中间可能会上升。事实上，鼓的膜在受到撞击时有各种各样的变形方式。每一种振荡模式都有自己的共振频率。

我们设计的纳米级标签像小鼓面一样振动，有许多可能的振动模式。这些标签非常小——只有几微米宽——它们的振动发生在80到90兆赫的无线电频率范围内。在这种规模下，标签的几何形状并不重要:制造过程的变幻莫测也起了作用。

例如，三明治的厚度，名义上约为200纳米，会因地而略有不同。环形部分的直径或圆度在不同的样本中也不相同。这些细微的制造变化将影响器件的机械性能，包括谐振频率。

此外，在这种规模下，用于制造设备的材料并不是完全均匀的。特别是在压电层中，晶体结构存在固有的变化。由于大量的钪掺杂，在构成氮化铝晶粒的六方晶体基体中随机形成锥形立方晶体簇。这些微小锥的随机定位在看似相同的标签中产生的共振中产生了显著的差异。

像这样的随机变化会在一些微电子器件的制造中引起麻烦的缺陷。不过，在这里，随机变化不是一个bug——它是一个特性!它允许每个被制造的标签作为一个唯一的标记。也就是说，虽然标签所显示的共振是由其几何形状以一般方式控制的，但其每个共振的确切频率、振幅和锐度是随机变化的结果。这使得每个标签都是独一无二的，并防止标签被克隆、伪造或以其他方式制造出来，从而重现原始标签中所见的所有共振特性。

RF NEMS标签就是安全专家所说的一个例子物理不可克隆功能．为一批药品贴上离散的标签，以记录其出处并证明其真实性，这正是医生所要求的。

你可能是在这一点上，我们想知道如何检测和描述发生在这些微小标签内的振荡的独特特征。原则上，一种方法是将设备放在振动计显微镜下并观察它的运动。虽然这是可能的——我们在实验室研究过程中已经做到了——但这种策略在商业应用中并不实用或有效。

但事实证明，测量这些标签的共振并不困难。这是因为激发标签振动的电子扫描仪必须提供维持这些振动的能量。对于电子扫描仪来说，确定能量以这种方式被消耗的频率是很简单的。

我们目前使用的扫描仪只是一种标准的电子测试设备，称为网络分析仪。(这个词网络这里指的是被测电路中的电气元件——电阻、电容器和电感——组成的网络，而不是像互联网这样的计算机网络。我们连接到网络分析仪的传感器只是一个微小的线圈，它位于标签的几毫米内。

有了这个装置，我们可以很容易地测量单个标签的独特共振。我们通过测量各种共振频率峰值与相关几何形状的理想标签的峰值的偏移量来记录该签名。我们将每个频率偏移量转换为二进制数，并将所有这些位串在一起，以构造每个标签唯一的数字签名。我们目前使用的方案产生了31位长的标识符，这意味着可能有超过20亿个不同的二进制签名——足以唯一地标记您能想到的任何可能需要身份验证的产品。

依赖标记的微妙物理属性来定义其唯一签名可以防止克隆，但它确实引起了另一个问题:这些属性可能会改变。

例如，在潮湿的环境中，标签可能会从空气中吸附一些水分，这将改变其共振的性质。这种可能性很容易防范，只需在标签上覆盖一层薄薄的保护层，比如一些透明聚合物，就可以在不干扰标签振动的情况下完成。

但我们也需要认识到，随着标签温度的变化，其共振频率也会发生变化。不过，我们可以解决这个问题。我们不是根据其振荡模式的绝对频率来描述标签，而是测量不同共振频率之间的关系，当标签的温度变化时，它们都以相似的相对量在频率上漂移。这个过程确保了无论标签是热的还是冷的，测量的特征都将转换为相同的31位数字。我们已经在相当大的温度范围内(从0到200°c)测试了这一策略，并发现它相当稳健。

标签的特征是其测量的谐振频率(红线中的下降)与理想标签的相应频率(黑线中的下降)之间的差异。这些差异被编码为短二进制字符串，填充到标准长度，用一位表示频率偏移是正还是负(右)。串联起来，这些字符串为标签提供了唯一的数字指纹(底部)佛罗里达大学

射频网络我们作为扫描仪使用的分析仪是一件昂贵的设备，并且连接在它上面的微型线圈传感器需要放在标签的正上方。虽然在某些应用中，标签在产品上的位置是标准化的(例如，用于验证信用卡)，但在其他情况下，扫描产品的人可能不知道标签在产品上的位置。因此，我们现在正在努力创造一种更小、更便宜的扫描单元，它的传感器不必位于标签的正上方。

我们也在探索修改标签共振的可行性后这是捏造的。这种可能性源于我们研究中的一点意外发现。你看，我们为标签中压电层选择的材料有点不寻常。压电器件，就像我们手机里的一些过滤器一样，通常是由氮化铝制成的。但我们采用的材料中含有大量的钪掺杂剂，增强了材料的压电性能。

当我们决定使用这种更奇特的配方时，我们不知道它赋予的第二个品质:它使材料成为一种铁电这意味着它可以通过施加电压而发生电极化，即使在施加电压后，极化仍然存在。这与我们的应用有关，因为材料的极化会影响其电气和机械性能。在标签上赋予特定的极化模式，这可以在标签制造之后完成，将改变其共振频率及其相对振幅。这种方法提供了一种策略，通过这种策略，小批量制造商，甚至最终用户可以将签名“刻录”到这些标签中。

我们对RF NEMS标签的研究部分由发现金融服务公司资助，该公司是流行的发现信用卡背后的公司。但我们一直在研究的微型标签的应用肯定也会引起许多其他类型公司的兴趣。甚至有一天政府也可能采用纳米机械标签来验证纸币。

当然，这些标签的广泛用途取决于我们在设计手持扫描仪方面的成功程度——这甚至可能是智能手机的一个简单附加组件——以及我们的猜测是否正确，即这些标签在制造后可以定制。但是，当我们朝着这项技术的商业化迈出试探性的第一步时，我们当然很兴奋能够探索所有这些可能性，这项技术有一天可能有助于阻止世界上最广泛的犯罪活动形式。

本文发表在2021年6月的印刷版上，题为“隐藏的验证者”。