納米級(jí)的機(jī)電標(biāo)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(jì)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(gòu)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(xiǎn)遠(yuǎn)比你在討價(jià)還價(jià)時(shí)被敲竹杠要嚴(yán)重得多。比如，購(gòu)買藥品時(shí)，如果你買到的不是處方里的真藥，你的健康就會(huì)陷入危險(xiǎn)。然而，可悲的是，對(duì)于世界上大多數(shù)人來說，買藥時(shí)受到這種欺騙是常態(tài)。即使是發(fā)達(dá)國(guó)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?yàn)樗鼈儠?huì)降低重要安全系統(tǒng)的可靠性，甚至?xí)蛊胀?a href="http://m.makelele.cn/soft/data/39-96/" target="_blank">消費(fèi)電子產(chǎn)品變得危險(xiǎn)。比如，據(jù)我們所知，一些手機(jī)和電子煙在用戶面前爆炸就是因?yàn)槔锩嫜b有假電池。

把假冒偽劣商品的泛濫比作全球經(jīng)濟(jì)體系遭遇感染毫不夸張，國(guó)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(zhǎng)了100倍。因此，許多業(yè)內(nèi)人士長(zhǎng)期以來一直在研究如何與這種禍患作斗爭(zhēng)。

打擊假冒偽劣商品的傳統(tǒng)策略是在真品中使用某種認(rèn)證標(biāo)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(shí)還包括射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽。不過，UPC和二維碼必須位于顯眼位置以便進(jìn)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(shí)別標(biāo)簽不容易復(fù)制，但它們通常需要相對(duì)較大的天線，所以很難在難以察覺的情況下用它們標(biāo)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(gè)不同的解決方案，一個(gè)基于射頻（RF）納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）的解決方案。和射頻識(shí)別標(biāo)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(biāo)簽在很大程度上不受物理篡改或克隆的影響，而且每個(gè)標(biāo)簽的成本最多幾分錢。

隱秘的NEMS標(biāo)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(huì)涉及哪些內(nèi)容。

我們可以把RF NEMS標(biāo)簽想象成一個(gè)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(jī)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?cè)谌髦沃形g刻了一個(gè)圖案，中間有一枚由4個(gè)細(xì)長(zhǎng)臂懸掛的環(huán)。這種設(shè)計(jì)讓圓環(huán)表面可以自由振動(dòng)。 當(dāng)然，構(gòu)成壓電薄膜的材料會(huì)受到壓電效應(yīng)的影響：材料在發(fā)生機(jī)械變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓。更重要的是，這種材料也會(huì)經(jīng)歷逆壓電效應(yīng)——外加電壓會(huì)引起機(jī)械變形。我們利用了這種現(xiàn)象來誘導(dǎo)標(biāo)簽的柔性部分發(fā)生振蕩。 為了達(dá)到這個(gè)目的，我們使用光刻技術(shù)在標(biāo)簽的周邊制作了一個(gè)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(biāo)簽置于振蕩磁場(chǎng)中會(huì)在壓電層上產(chǎn)生振蕩電壓。由此產(chǎn)生的壓電薄膜機(jī)械變形反過來會(huì)造成標(biāo)簽的柔性部分發(fā)生振動(dòng)。 當(dāng)激勵(lì)頻率與微小機(jī)械振蕩器的固有頻率匹配時(shí)，這種振動(dòng)最強(qiáng)烈。這是一種簡(jiǎn)單的共振現(xiàn)象，歌劇演員唱出正確的音符時(shí)（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(guó)曼徹斯特附近著名的布勞頓吊橋倒塌就是因?yàn)楣舱?，?dāng)時(shí)第60步槍軍團(tuán)的74名士兵在過橋，他們整齊的步伐與橋發(fā)生自然機(jī)械共振。（此次事件之后，英國(guó)軍隊(duì)要求士兵在過橋時(shí)改走便步?。┰谖覀兊脑O(shè)備中，相關(guān)的激勵(lì)是掃描儀施加的磁場(chǎng)振蕩，當(dāng)它與標(biāo)簽柔性部分的機(jī)械共振頻率匹配時(shí)，就會(huì)引起最大振幅的振動(dòng)。 事實(shí)上，情況比這復(fù)雜得多。標(biāo)簽的柔性部分并不是只有一個(gè)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(huì)隨著右側(cè)的下降而上升，反之亦然。或者，當(dāng)四周向下移動(dòng)時(shí)，中間可能會(huì)上升。鼓面在受到撞擊時(shí)會(huì)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(jí)標(biāo)簽設(shè)計(jì)得像微小的鼓面一樣會(huì)振動(dòng)，并且有許多可能的振蕩模式。這些標(biāo)簽非常小，只有幾微米寬，它們的振動(dòng)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(biāo)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(biāo)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(xì)微變化將影響設(shè)備的機(jī)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(jī)形成了立方晶體的錐形團(tuán)簇。這些微小圓錐體的隨機(jī)站位可以讓看似相同的標(biāo)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(jī)變化會(huì)造成惱人的缺陷。不過在這里，隨機(jī)變化不是故障，而是一種特性！有了它，制作出來的每個(gè)標(biāo)簽都是獨(dú)一無二的標(biāo)記。也就是說，雖然標(biāo)簽顯示的共振一般由其幾何形狀控制，但其每個(gè)共振的確切頻率、振幅和銳度是隨機(jī)變化的結(jié)果。這就能讓每一件物品都變得獨(dú)一無二，防止標(biāo)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(biāo)簽就是安全專家所說的“物理不可克隆功能”的一個(gè)示例。給一批藥品等物品分別貼上標(biāo)簽，以記錄其產(chǎn)地和證明其真實(shí)性，這正符合醫(yī)生的要求。

這時(shí)候，你可能想知道我們是如何檢測(cè)和描述這些微小標(biāo)簽中的振蕩所具有的獨(dú)一無二的特征的。原則上，有一種方法是將設(shè)備放在測(cè)振顯微鏡下觀察其移動(dòng)情況。雖然這是可能的，而且我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(shí)用。 不過事實(shí)證明，測(cè)量這些標(biāo)簽的共振并不困難。這是因?yàn)榧ぐl(fā)標(biāo)簽振動(dòng)的電子掃描儀必須提供維持這些振動(dòng)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(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)電子測(cè)試設(shè)備。（這里的“網(wǎng)絡(luò)”一詞指的是測(cè)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(jì)算機(jī)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(gè)微小的線圈，位于標(biāo)簽幾毫米范圍內(nèi)。

有了這個(gè)裝置，我們可以輕松地測(cè)量單個(gè)標(biāo)簽的獨(dú)特共振。我們會(huì)測(cè)量各種共振頻率峰值與相關(guān)幾何結(jié)構(gòu)的理想標(biāo)簽的峰值之間的偏移量，從而記錄該簽名。然后，我們會(huì)將這些頻率偏移轉(zhuǎn)換成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，并將所有這些數(shù)位串在一起，形成每個(gè)標(biāo)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(zhǎng)的標(biāo)識(shí)符，這意味著可能有20多億個(gè)不同的二進(jìn)制簽名，這足以獨(dú)一無二地標(biāo)記任何你能想到的可能需要驗(yàn)證的產(chǎn)品。 依靠標(biāo)簽細(xì)微的物理特性來定義其獨(dú)一無二的簽名可以防止克隆，但這會(huì)帶來另一個(gè)問題：這些特性可能會(huì)改變。 例如，在潮濕的環(huán)境中，標(biāo)簽可能會(huì)吸附空氣中的一些水分，這會(huì)改變其共振特性。不過，在標(biāo)簽上覆蓋一層薄薄的保護(hù)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(huì)干擾標(biāo)簽的振動(dòng)。

我們也需要認(rèn)識(shí)到，共振頻率會(huì)隨著標(biāo)簽溫度的變化而變化。不過，我們可以避開這個(gè)復(fù)雜的問題。我們不是根據(jù)標(biāo)簽振蕩模式的絕對(duì)頻率來表征標(biāo)簽，而是測(cè)量不同共振頻率之間的關(guān)系，當(dāng)標(biāo)簽的溫度變化時(shí)，這些共振頻率會(huì)以相似的相對(duì)量發(fā)生變化。無論標(biāo)簽溫度是熱還是冷，這個(gè)程序都能確保測(cè)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(dāng)大的溫度范圍內(nèi)（從0℃到200℃）測(cè)試了這個(gè)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(biāo)簽上。雖然在某些應(yīng)用中，標(biāo)簽在產(chǎn)品上的位置可以標(biāo)準(zhǔn)化（例如用于驗(yàn)證信用卡），但在其他情況下，掃描產(chǎn)品的人可能不知道標(biāo)簽在物品的哪個(gè)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(biāo)簽正上方。 我們也在探索在標(biāo)簽制作完成后改變其共振的可行性，因?yàn)槲覀冊(cè)谘芯恐杏幸馔獍l(fā)現(xiàn)。我們給標(biāo)簽選擇的壓電層材料有點(diǎn)不尋常。壓電設(shè)備像我們手機(jī)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(qiáng)了它的壓電性能。 決定使用這種更奇特的配方時(shí)，我們還不知道它會(huì)出現(xiàn)第二種特性：它會(huì)使材料變成鐵電體，這意味著可以通過給它施加電壓而實(shí)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?yàn)椴牧系臉O化會(huì)影響其電氣和機(jī)械性能。在標(biāo)簽制造完成后，給標(biāo)簽賦予一種特殊的極化模式，會(huì)改變其共振頻率及其相對(duì)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(biāo)簽中。 我們對(duì)RF NEMS標(biāo)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(huì)對(duì)我們一直研究的微小標(biāo)簽的應(yīng)用感興趣。甚至有一天政府也可能會(huì)采用納米機(jī)械標(biāo)簽來鑒別紙幣。 當(dāng)然，這些標(biāo)簽的用途究竟有多廣泛，取決于我們正在設(shè)計(jì)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(jī)的一個(gè)簡(jiǎn)單附加組件），以及我們的猜測(cè)（即這些標(biāo)簽可以在制造完成后進(jìn)行定制）是否正確。不過，在朝著一項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化邁出第一步時(shí)，我們很高興能夠探索所有這些可能性，而且這項(xiàng)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(dòng)。

審核編輯 ：李倩