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基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態存儲器將在RFID電子標簽領域發揮重要作用

2022-05-05 13:46 RFID世界網
關鍵詞:RFID電子標簽

導讀:近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所科研團隊在《Advanced Materials》雜志發表題為“A Hierarchically Encoded Data Storage Device with Controlled Transiency”的論文,創新性地研制出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態存儲器,在存儲器機理、材料和結構方面取得突破。瞬態可溶存儲器是瞬態可溶電子植入器件中的重要組成部分和信息存儲媒介,該存儲器在實現可控降解的同時還需具備穩定的存儲和加密功能。

近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所科研團隊在《Advanced Materials》雜志發表題為“A Hierarchically Encoded Data Storage Device with Controlled Transiency”的論文,創新性地研制出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態存儲器,在存儲器機理、材料和結構方面取得突破。瞬態可溶存儲器是瞬態可溶電子植入器件中的重要組成部分和信息存儲媒介,該存儲器在實現可控降解的同時還需具備穩定的存儲和加密功能。

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該存儲器采用了全新的存儲器結構,將阻變憶阻器、太赫茲超材料、光學衍射元件三種不同信息類型的存儲單元通過工藝優化實現垂直高密度集成,實現單器件上電學、電磁和光學信息的同步穩定存儲。使用溶解特性可調節的蠶絲蛋白與可降解金屬(鎂、鋁)組成的存儲器材料體系,既保證各層存儲單元具備良好的電學、光學性能,又使存儲器具備逐層逐步降解、多層快速降解、選定區域可控層數降解等多種可控降解模式。多模態信息編碼和多種降解模式的組合極大地提升了瞬態存儲器的加密能力和信息存儲量,僅16個單元就能實現1055比特數量級信息的存儲;所制備的4×4陣列瞬態可溶存儲器樣機實現了字母表編碼、16位二進制編碼演示和校驗編解碼示例。得益于蠶絲蛋白的成膜均勻性和精準可控降解能力,存儲器信息誤讀率低、魯棒性強的特性,滿足了多模態信息存儲和高穩定性存儲的要求。小鼠皮下植入實驗進一步驗證了瞬態存儲器在體內逐層降解的可行性與生物安全性。

具有優異生物相容性的蠶絲蛋白不會引起組織免疫反應,預示著新型多層級瞬態可溶存儲器在植入式器件和芯片、生物體內信息存儲和生物電子標簽等領域將發揮重要作用。

RFID電子標簽與存儲器的關系

RFID電子標簽的檔次與存儲器的結構是密切相關的。由于存儲器的不同, 電子標簽分為只讀電子標簽、可寫入式電子標簽、具有密碼功能的電子標簽和分段存儲的電子標簽。其中, 只讀電子標簽檔次最低, 具有密碼功能的電子標簽和分段存儲的電子標簽檔次較高。

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一、只讀電子標簽

在識別過程中,內容只能讀出不可寫入的電子標簽是只讀型電子標簽。只讀型電子標簽所具有的存儲器是只讀型存儲器。

當RFID電子標簽進入讀寫器的工作范圍時, 電子標簽就開始輸出它的特征標記。通常,芯片廠家保證對每個電子標簽賦予唯一的序列號。電子標簽與RFID讀寫器的通信只能在單方向上進行, 即RFID電子標簽不斷將自身的數據發送給RFID閱讀器, 但讀寫器不能將數據傳輸給電子標簽。這種電子標簽功能簡單,結構也較簡單,價格較低廉,適合應用于對價格敏感的場合。只讀電子標簽主要應用在動物識別、車輛出入控制、溫濕度數據讀取以及工業數據集中控制等方面。

值得一提的是,只讀型電子標簽可以還分為以下3種:

(1) 只讀標簽

只讀標簽的內容在標簽出廠時就已被寫入,識別時只能讀出, 不可再寫入。只讀標簽的存儲器一般由ROM組成。

ROM所存儲的數據一般是裝入整機前事先寫好的, 整機工作過程中只能讀出,不像隨機存儲器那樣能快速、方便地加以改寫,ROM所存的數據穩定,斷電后所存的數據也不會改變,其結構較簡單,讀出較方便,因而常用于存儲各種固定的程序和數據。只讀電子標簽自身的特征標記一般用序列號表示,其在芯片生產的過程中已經固化了, 用戶不能改變芯片上的任何數據。

(2) 一次性編程只讀標簽

一次性編程(One Time Programmable,OTP)只讀標簽可在應用前一次性編程寫入,在識別過程中不可改寫。一次性編程只讀標簽的存儲器一般由PROM組成。

(3) 可重復編程只讀標簽

可重復編程只讀標簽的內容經擦除后可重復編程寫入, 但在識別過程中不可改寫??芍貜途幊讨蛔x標簽的存儲器一般由EEPROM組成。

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二、可寫入式電子標簽

在識別過程中,內容既可以讀出又可以寫入的RFID電子標簽,就是可寫入式電子標簽??蓪懭胧诫娮訕撕灴梢圆捎肧RAM或FRAM存儲器。

靜態隨機存儲器(SRAM)是一種具有靜止存取功能的內存。SRAM不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據,因此SRAM具有較高的性能。

鐵電存儲器(FRAM)是一個非易失性隨機存取儲存器,能提供與RAM一致的性能,但又有與ROM一樣的非易失性。FRAM非易失性是指記憶體掉電后數據不丟失,非易失性記憶體是源自ROM的技術。FRAM將ROM的非易失性數據存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優勢結合在一起,這就使得FRAM產品既可以進行非易失性數據存儲,又可以像RAM一樣操作。

在可寫入式電子標簽工作時,RFID讀寫設備可以將數據寫入RFID電子標簽。對電子標簽的寫入與讀出大多是按字組進行的,字組通常是規定數目的字節的匯總,字組一般作為整體讀出或寫入。為了修改一個數據塊的內容,必須從RFID讀寫器整體讀出這個數據塊,對其修改,然后再重新整體將數據讀入。

可寫人式電子標簽的存儲量,最少可以是1B,最高可達64KB。比較典型的電子標簽是16bit幾十到幾百字節。

三、具有密碼功能的電子標簽

對于可寫入式電子標簽,如果沒有密碼功能的話,任何讀寫器都可以對RFID電子標簽進行讀寫數據。為了保證系統數據的安全,應該阻止對電子標簽未經允許的訪問。這就可以采取多種方法對RFID電子標簽加以保護。對RFID標簽的保護涉及數據的加密,數據加密可以防止跟蹤、竊取或惡意篡改電子標簽的信息,從而保證數據的安全性。

(1) 分級密鑰

分級密鑰是指系統有多個密鑰,不同的密鑰訪問權限不同,在應用中可以根據訪問權限確定密鑰的等級。例如,某一系統具有密鑰A和密鑰B,RFID電子標簽與射頻讀寫器之間的認證可以由密鑰A和密鑰B確定,但密鑰A和密鑰B的等級不同。

電子標簽內部的數據分為兩部分,分別由密鑰A和密鑰B保護。密鑰A保護的數據由只讀存儲器存儲,該數據只能讀出,不能寫入。密鑰B保護的數據可寫入存儲器存儲,讀寫器1具有密鑰A,電子標簽認證成功后,允許讀寫器1訪問密鑰A保護的數據。讀寫器2具有密鑰B,電子標簽認證成功后,允許讀寫器2讀出密鑰B保護的數據,并允許讀寫器2寫該數據既能讀出,也能寫入。

(2) 分級密鑰在公共交通中的應用

在城市公交系統中,就有分級密鑰的應用實例?,F在,城市公交系統可以用刷卡的方式乘車的刷卡器(讀寫器),另一種是公交公司給卡充值的讀寫器。

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公交乘車的刷卡采用的是近距離接觸式刷卡,每刷一次從卡中扣除一次金額,這部分的數據存儲于該卡。城市公交系統的讀寫器有兩種,一種是公交汽車上鑰A認證。RFID電子標簽還可以充值,充值由密鑰B認證。公交汽車上的讀寫器只有密鑰A。電子標簽認證密鑰A成功后, 允許公交汽車上的讀寫器扣除電子標簽上的金額。

公交公司的讀寫器有密鑰B。電子標簽需要到公交公司充值, 電子標簽認證密鑰B成功后, 允許公交公司的讀寫器給電子標簽充值。

四、分段存儲的電子標簽

當電子標簽存儲的容量較大時,可以將電子標簽的存儲器分為多個存儲段。每個存儲段單元具有獨立的功能,存儲著不同應用的獨立數據。各個存儲段單元有單獨的密鑰保護,以防止非法的訪問。

一般來說, 一個讀寫器只有電子標簽一個存儲段的密鑰,只能取得電子標簽某一應用的訪問權,某一電子標簽具有汽車出人、小區付費、汽車加油和零售付費等多種功能,各種不同的數據分別有各自的密鑰;而一個讀寫器一般只有一個密鑰(如汽車出入密鑰),只能在該存儲段進行訪問(如對汽車出入進行收費)。

為使電子標簽實現低成本,一般電子標簽的存儲段都設置成固定大小的段,這樣實現起來較為簡單??勺冮L存儲段的電子標簽可以更好地利用存儲空間,但實現起來困難,一般很少使用。電子標簽的存儲段可以只使用一部分,其余的存儲段可以閑置待用。


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