Terahercios - Grupo de etiquetas EAS de Changchun

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12474 (2023) Citar este artículo

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Los productos falsificados plantean importantes riesgos económicos, de seguridad y de salud. Un enfoque para mitigar estos riesgos implica establecer la procedencia del producto rastreándolo hasta sus orígenes de fabricación. Sin embargo, los métodos de identificación actuales, como los códigos de barras y los RFID, tienen limitaciones que los hacen vulnerables a la falsificación. De manera similar, las memorias no volátiles, las funciones físicamente no clonables y las técnicas emergentes como la etiqueta de seguridad no clonable Diamond y las huellas dactilares de ADN también tienen sus propias limitaciones y desafíos. Para que una solución de trazabilidad obtenga una adopción generalizada, debe cumplir ciertos criterios, incluido ser económica, única, inmutable, fácilmente legible, estandarizada y no clonable. En este artículo, proponemos una solución que utiliza láseres pulsados ultracortos para crear etiquetas físicas únicas, no clonables e inmutables. Luego, estas etiquetas se pueden leer de forma no destructiva mediante espectroscopia de terahercios (THz) de campo lejano. El objetivo principal de este artículo es investigar la viabilidad de nuestro enfoque propuesto. Nuestro objetivo es evaluar la capacidad de distinguir marcas láser con diferentes profundidades, evaluar la sensibilidad de la lectura de THz a los parámetros de grabado láser, examinar la capacidad de capturar marcas de alta densidad de información y explorar la capacidad de capturar etiquetas subterráneas. Al abordar estos aspectos, nuestro método tiene el potencial de servir como una solución universal para una amplia gama de aplicaciones de trazabilidad.

Los productos falsificados1,2 imponen importantes riesgos económicos, de seguridad y de salud para los gobiernos, las industrias y las sociedades. La microelectrónica falsificada causa miles de millones de dólares en pérdidas anuales, mientras que los productos farmacéuticos falsificados ponen en peligro miles de vidas diariamente. Evitar el uso de productos falsificados es quizás la acción más eficaz para mitigar estos riesgos, lo que requiere establecer la procedencia del producto rastreándolo hasta sus orígenes de fabricación. Actualmente, se emplean varias técnicas para abordar este problema3, incluidos códigos de barras, RFID pasivos y activos, entre otros. Sin embargo, a pesar de su eficacia parcial para abordar ciertos problemas de trazabilidad, persisten varios desafíos. Un desafío importante es que estos métodos de identificación son en sí mismos susceptibles a la falsificación4. Los falsificadores pueden clonar fácilmente identificadores existentes, como códigos de barras, para disfrazar sus productos como auténticos. Si bien se han propuesto métodos más sofisticados, a menudo conllevan altos costos de implementación, dificultades de manejo, complejidades de lectura y problemas de usabilidad. Las memorias no volátiles (NVM), que pueden usarse para chips, son costosas y pueden no ser adecuadas para chips más pequeños5. La utilización de memorias no volátiles (NVM) requiere el encendido del dispositivo, lo que resulta poco práctico cuando se trata de una gran cantidad de piezas que requieren investigación dentro de sus paquetes. De manera similar, las funciones físicas no clonables (PUF), que también son aplicables a los chips electrónicos6, enfrentan el mismo desafío de requerir el encendido del dispositivo y tienen limitaciones adicionales con respecto al almacenamiento de información. De hecho, si bien las PUF permiten la creación de una firma única, no permiten la incrustación selectiva de datos en el dispositivo. Los nuevos métodos emergentes también plantean sus propios desafíos. Por ejemplo, la etiqueta de seguridad no clonable de diamante (DUST, por sus siglas en inglés) es un método de tendencia que proporciona una identidad a prueba de manipulaciones para elementos físicos mediante el uso de nanocristales de diamante de ingeniería cuántica incrustados en polímeros de alto rendimiento7. Sin embargo, esta solución es cara y plantea dificultades de implementación. Además, no se concibe como una solución práctica para su aplicación a nivel de chip, lo que altera la trazabilidad de la cadena de custodia. De manera similar, las soluciones de huellas dactilares de ADN, como la desarrollada por Haelixa, enfrentan desafíos similares cuando se aplican a la microelectrónica8. En general, una solución de trazabilidad eficaz debe cumplir los siguientes criterios para que las industrias y los gobiernos puedan adoptarla ampliamente como medio para superar los problemas de falsificación existentes: (1) La incorporación de identificadores en los productos debe ser económica; (2) Los identificadores deben ser únicos; (3) Los identificadores deben ser inmutables en el sentido de que cualquier intento de mutarlos debe ser identificable y provocar la destrucción del identificador; (4) Los identificadores deben ser fácilmente legibles, preferiblemente de forma pasiva (es decir, sin necesidad de encendido) para que sean adecuados para aplicaciones de campo y de gran volumen; (5) Los identificadores deben estandarizarse para que puedan adoptarse ampliamente, lo cual es clave para su eficacia; y (6) Los identificadores no deben poder clonarse. Introducimos un enfoque novedoso que potencialmente puede abordar todos los criterios enumerados anteriormente. La técnica propuesta utiliza un láser pulsado ultracorto para crear etiquetas físicas únicas, no clonables e inmutables, de una manera rápida y económica. Además, utiliza espectroscopía de terahercios (THz)9 de campo lejano para leer etiquetas de superficie y subsuelo de forma no destructiva. El objetivo de este artículo es investigar diferentes aspectos de la viabilidad del método descrito, con el objetivo de desarrollar una solución universal para una amplia gama de aplicaciones de trazabilidad. Se investiga la viabilidad de las imágenes en THz del tiempo de llegada para distinguir marcas láser con diferentes profundidades y la resolución de dichas lecturas. Además, se estudia la sensibilidad de la lectura de THz a los parámetros de grabado láser que se han utilizado para crear la marca. La capacidad del método propuesto para crear marcas de alta densidad de información (es decir, grandes cantidades de datos por unidad de área) se evalúa investigando la viabilidad de capturar un perfil de superficie, que consta de regiones con diferentes valores de altura. Finalmente, se explora la capacidad del método de lectura de THz para capturar etiquetas del subsuelo.

El método propuesto consiste en utilizar un láser ultracorto para crear etiquetas identificadoras de alta densidad de información y espectroscopia de Terahercios para leerlas. Esto se demuestra esquemáticamente en la Fig. 1.

Descripción general del método de trazabilidad propuesto: identificadores grabados con láser legibles en THz.

Utilizando diferentes combinaciones de parámetros de láser, se obtienen etiquetas con diferentes propiedades estructurales. Estas etiquetas son legibles multimodalmente, donde la estructura de la etiqueta se puede recuperar en diferentes resoluciones utilizando microscopía confocal y de rayos X, además de THz. Además, una característica clave de estas etiquetas es que no se pueden clonar, lo que se logra debido a la complejidad asociada con la creación de las etiquetas. Cada etiqueta se crea de forma única utilizando una combinación específica de un conjunto de parámetros de láser, lo cual no es práctico de decodificar observando la estructura de la etiqueta, debido a la relación compleja y desconocida entre los parámetros de láser y la estructura exacta de la etiqueta resultante, así como debido a al hecho de que hay demasiadas posibilidades de combinación de láseres que es necesario probar, con un enfoque de fuerza bruta, para decodificar la receta para la creación de estas etiquetas. Es importante señalar que la resolución de diferentes métodos de lectura es diferente a la hora de discernir las variaciones de la estructura de la etiqueta. Por lo tanto, diferentes métodos de lectura tienen diferentes sensibilidades a la variación de los parámetros del láser que se utilizan para la formación de etiquetas. Esto significa que, dependiendo del orden de tamaño de las variaciones estructurales, es posible que sea necesario utilizar métodos de lectura de mayor resolución (p. ej., microscopía confocal y de rayos X) para identificar los intentos de falsificación de etiquetas, mientras que métodos de menor resolución (p. ej., lejos -field THz) se puede utilizar para recuperar información de etiquetas en el campo.

En este estudio, el sistema de mecanizado de femtosegundos empleó un láser Coherent Monaco de 1035 nm y 40 W (1035-40-40) con un ancho de pulso de 257 fs. El láser tiene la capacidad de generar varias tasas de repetición de pulsos que van desde disparos únicos hasta 50 MHz. El haz emitido del láser tiene un diámetro de 2,7 ± 0,3 mm y se expande mediante un expansor de haz que consta de una lente asférica de sílice fundida de 75 mm y una lente convexa de sílice fundida de 300 mm. Esta expansión da como resultado un diámetro de viga de aproximadamente 11 mm. Luego, el haz expandido se dirige a una lente telecéntrica F-Theta de sílice fundida (TSL-1064-10-56Q-D20) con una distancia focal efectiva de 70 mm. Esta configuración de lente proporciona un tamaño de punto teórico de alrededor de 8,5 μm. La Figura 2 proporciona una ilustración de diseño asistido por computadora (CAD) de la configuración del láser utilizada en el estudio.

CAD del sistema de mecanizado láser de femtosegundo.

El flujo de trabajo del sistema de mecanizado de femtosegundos comienza apuntando a la región de interés (ROI) con un microscopio digital Dinolite (AM73915MZT) y moviendo la muestra con precisión en un plano XY utilizando etapas de la serie Zaber LDA (LDA150A-AE53T10A). A continuación, el sensor de altura confocal Keyence (CL-P070) mide la altura de la muestra con una resolución micrométrica baja, después de lo cual la etapa de la serie Zaber VSR (VSR40A-T3A) enfoca la muestra con láser. Finalmente, la muestra se transfiere debajo de la lente F-theta para la ablación con láser.

Se utilizan imágenes en modo de reflexión THz para leer las etiquetas. Para obtener el perfil de la superficie de las etiquetas grabadas con láser, se realiza un análisis del tiempo de llegada. Los haces de THz que se reflejan en las áreas de menor altura de la superficie tardarán más en llegar al receptor de THz que los que se reflejan en las áreas de mayor altura de la superficie. Este hecho se aprovecha para crear un mapa de altura de la estructura de la superficie de la etiqueta. La Figura 3 muestra la configuración de THz utilizada. Se utilizan dos etapas para mover la muestra en las direcciones xey para escanear.

Configuración de lectura de THz.

Para determinar la profundidad de la muestra, se identificará el valle más bajo de la señal de espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios para cada píxel de la imagen de muestra. La ubicación (es decir, la marca de tiempo) de este valle indica la hora de llegada de la señal de terahercios, que luego se utiliza para construir un mapa de altura de la muestra. Dado que los valores obtenidos corresponden a la distancia de la trayectoria de la onda desde la fuente hasta la muestra y de regreso al detector, cualquier inclinación de la muestra daría como resultado un mapa de altura sesgado. Para abordar este problema, el mapa de altura se nivela para garantizar la precisión en la medición de profundidad de la muestra.

Se realizaron varios experimentos para explorar la viabilidad del enfoque propuesto, es decir, la lectura de etiquetas grabadas con láser utilizando THz. Dado que se eligió el tiempo de llegada en THz como método para leer las etiquetas, el experimento inicial se centró en evaluar la capacidad de distinguir entre estructuras de superficie con diferentes profundidades promedio. Se crearon un total de 162 zanjas en 18 muestras de obleas de silicio (cada muestra contiene 9 zanjas) utilizando el sistema de mecanizado láser. En cuanto a los parámetros del láser para estas zanjas de grabado, se utilizaron 81 combinaciones diferentes, lo que dio como resultado 2 repeticiones para cada combinación para una investigación de repetibilidad. El tamaño de cada muestra de oblea fue de 3 cm x 3 cm y el tamaño de cada zanja fue de 4 mm x 4 mm. Los parámetros del láser utilizados fueron los siguientes: (1) Tasas de repetición de 250 kHz, 500 kHz y 1 MHz; (2) Número de ciclos de láser entre 20 y 180; y (3) Potencia del láser entre 1W y 6,97W. El tiempo promedio de llegada de las trincheras se midió utilizando el sistema de espectroscopia de dominio de tiempo (TDS) de THz en modo de reflexión y sus alturas promedio se evaluaron con un microscopio láser confocal para un estudio correlativo. La Figura 4 muestra una muestra de oblea con las trincheras grabadas, cuyo mapa de altura se obtuvo utilizando sistemas confocales y THz-TDS. La Figura 5 traza el desplazamiento, el tiempo promedio de llegada calculado a partir de la señal de THz procesada de las trincheras fotografiadas, frente a su profundidad promedio medida en el mapa de altura confocal.

Arriba: mapa de altura confocal codificado por colores de una muestra de oblea de ejemplo; Abajo: hora de llegada codificada por colores. El código de color de la imagen inferior tiene una escala diferente a la de la imagen superior.

Tiempo promedio de llegada calculado a partir de la señal de THz procesada de las trincheras fotografiadas, frente a su profundidad promedio calculada a partir del mapa de altura confocal para las 81 trincheras. Los colores azul y naranja indican las dos repeticiones. Las líneas de puntos son líneas de tendencia para las dos repeticiones.

Como se puede ver en el gráfico, existe una correlación lineal entre la profundidad de la zanja y el tiempo de llegada en la lectura de THz, lo que sugiere que el valor de profundidad, que puede ser producido de forma controlable mediante láser, se puede utilizar para almacenar información. y recuperación, hacia la creación de identificadores únicos. Además, el alcance de las desviaciones de la relación lineal perfecta, en la Fig. 5, determina la sensibilidad de la lectura de Terahercios a las variaciones de altura.

El almacenamiento de información recuperable en THz en etiquetas grabadas con láser debe examinarse en términos de resolución de lectura de altura tanto en dirección vertical como lateral. Según la Fig. 5, la espectroscopía en el dominio del tiempo de THz (THz-TDS) permite una resolución de 50 μm o mejor para la medición de la altura en la dirección vertical. Sin embargo, la resolución lateral de Terahercios es relativamente baja, normalmente del orden de milímetros. Si cada píxel se utiliza para leer sólo un valor de altura, la resolución lateral resultante sería significativamente limitada. Esto se debe a que, de una señal rica en información recopilada al enfocar el haz de THz en un punto, solo se extrae la marca de tiempo del valle más bajo para determinar la altura promedio. Sin embargo, si el haz bastante ancho de THz incide en una superficie de una manera que cubre tanto las subidas como las bajadas, se producen múltiples reflexiones con compensaciones temporales. Esto, a su vez, produce una señal THz-TDS con múltiples valles principales. Las marcas de tiempo de estos múltiples valles principales identificados corresponden a diferentes valores de altura en la superficie de interés. Por lo tanto, un píxel puede contener más información que un solo valor de altura. Para investigar la viabilidad de este enfoque, se llevó a cabo un experimento en el que se examinó el borde de una trinchera utilizando el sistema de lectura de Terahercios. El borde se colocó en un ángulo aproximado de 45 grados con respecto a la dirección de escaneo, lo que aumenta las posibilidades de capturar escenarios donde el haz de THz cubre ambos lados del borde (Fig. 6).

Reflexiones de diferentes porciones de la viga por superficies a diferentes alturas.

La Figura 7 muestra el mapa confocal codificado por colores de la muestra con un borde, así como el mapa de tiempo de llegada correspondiente. Es importante señalar que, para investigar la hipótesis mencionada anteriormente, en el mapa de tiempo de llegada solo se muestran los píxeles para los cuales se detectaron dos valles en la señal. Todos los demás píxeles son de color verde. Esta visualización selectiva ha dado como resultado una imagen clara y distinta del borde en el mapa de hora de llegada.

Arriba: mapa confocal de muestra con borde; Abajo: Hora de llegada (sólo píxeles, cuya señal tiene dos valles).

Se exploró más a fondo la superación de los límites de la resolución lateral, como se describió anteriormente, mediante la creación de un patrón de franjas, que consta de subidas y bajadas consecutivas, seguidas de una medición de THz. Se crearon cuatro patrones de rayas. La distancia entre una región de baja altura y su región adyacente de alta altura fue de 1 mm, 500 μm, 300 μm y 100 μm en estos cuatro patrones. La Figura 8 muestra el mapa confocal y las señales THz-TDS para estos patrones de franjas. La presencia de dos valores de altura diferentes en la muestra se observa claramente en los dos patrones superiores, correspondientes a los dos valles principales en la señal THz.

Patrones de rayas, medidos mediante microscopía confocal y THz-TDS.

Dado que se prevé que una de las principales aplicaciones de la técnica propuesta sea la trazabilidad a nivel de matriz en microelectrónica, se debe investigar si las marcas grabadas con láser se pueden leer a través del material de embalaje. Para explorar el uso de THz para la recuperación de identificadores a través del embalaje, se utilizó un trozo de material de embalaje para cubrir algunas de las zanjas grabadas con láser en tres muestras de obleas de silicio. Un ejemplo de dicha muestra se ilustra en la imagen izquierda de la Fig. 9. La sección derecha de la Fig. 9 muestra el mapa de calor de los tiempos de llegada para esta muestra, junto con las señales en el dominio del tiempo para una columna específica de píxeles, indicada por el rectángulo vertical en el mapa de calor. El objetivo era investigar si la correlación entre la profundidad y el tiempo de llegada todavía se mantiene en estos ejemplos, lo que validaría el uso de THz para la recuperación de identificadores a través del embalaje. La Tabla 1 muestra la secuencia ordenada de índices de identificadores según la profundidad y el tiempo de llegada de los seis identificadores seleccionados (los dos más profundos en cada muestra). La coincidencia perfecta observada entre las dos secuencias ordenadas sugiere que THz-TDS es un método confiable para recuperar el índice de altura y, en consecuencia, identificar la etiqueta.

Material de embalaje que cubre las cuatro zanjas (etiquetas) superiores izquierdas: la zanja enterrada (etiqueta) todavía es detectable por THz a través del embalaje.

La eficacia del método propuesto se ha verificado incrustando etiquetas físicas mediante marcado láser en la parte posterior de un troquel, seguido de la lectura de los identificadores mediante THz. El lado frontal del troquel, que contiene los circuitos, se muestra en la sección izquierda de la Fig. 10. En la parte posterior del troquel se crean nueve etiquetas de forma cuadrada con un rango de valores de profundidad (Fig. 10 abajo a la derecha). Los dos parámetros de control para este experimento son el número de ciclos de láser, que oscila entre 40 y 120, y la tasa de repleción que oscila entre 250 kHz y 1 MHz. La Tabla 2 muestra los valores de profundidad de estas 9 etiquetas, caracterizadas mediante microscopía confocal. La Tabla 2 tiene además una columna que muestra la secuencia ordenada de los índices asociados con estas etiquetas, según los valores de profundidad. Finalmente, la Tabla 2 tiene otra columna que muestra la secuencia ordenada de los índices, basada en los tiempos de llegada, obtenida usando espectroscopía THz y reflejada en el mapa de calor de la Fig. 10. Existe una coincidencia perfecta entre las dos secuencias ordenadas, lo que sugiere que la El índice de profundidad, que en este ejemplo sirve como identificador de estas etiquetas, se puede recuperar mediante espectroscopia de THz.

Izquierda: Parte frontal de la muestra del troquel; Abajo a la derecha: Parte posterior del troquel con etiquetas grabadas en forma de cuadrado; Arriba a la derecha: hora de llegada codificada por colores.

Los resultados presentados sirven como una investigación de las capacidades y limitaciones del enfoque propuesto para la trazabilidad del producto. La novedad clave del enfoque propuesto radica en la utilización de tecnología de láser pulsado ultracorto para crear etiquetas físicas de manera rápida y rentable, que pueden integrarse en productos para que sirvan como identificadores, y en el uso de espectroscopía THz de campo lejano para leer la información almacenada. en ellos. Este enfoque tiene como objetivo abordar las limitaciones de las técnicas existentes y proporcionar una posible solución universal para aplicaciones de trazabilidad en diversas industrias.

El enfoque propuesto se distingue de las soluciones existentes, incluidos códigos de barras, RFID, memorias no volátiles (NVM) y funciones físicas no clonables (PUF), por varias ventajas. Las ventajas clave consideradas para la forma definitiva de la solución propuesta incluyen: (1) integración económica de identificadores en los productos; (2) unicidad de los identificadores; (3) inmunidad a la mutación, y cualquier intento de alterar el identificador causa destrucción; (4) fácil lectura de manera pasiva (sin necesidad de encendido), adecuada para aplicaciones de campo y de gran volumen; (5) estandarización de identificadores para su adopción generalizada; y (6) imposibilidad de clonación de los identificadores.

Además, se debe enfatizar que, aunque la espectroscopia de THz se ha utilizado anteriormente para caracterizar características superficiales en películas delgadas, recubrimientos e interfaces para comprender su composición, espesor y propiedades ópticas, el uso de THz para recuperar el identificador de un objeto grabado con láser. La etiqueta física es una oferta única de este trabajo.

Los productos falsificados plantean riesgos importantes y una forma de mitigarlos es establecer la procedencia del producto mediante el seguimiento de sus raíces de fabricación. Sin embargo, los métodos de identificación actuales tienen limitaciones y son susceptibles de falsificación. En este artículo, hemos propuesto una solución que utiliza tecnología de láser pulsado ultracorto para crear etiquetas físicas que son únicas, no clonables e inmutables. Para leer estas etiquetas de forma no destructiva, hemos empleado espectroscopia de terahercios (THz) de campo lejano. Nuestro enfoque es prometedor como una solución económica, estandarizada y no clonable para una amplia gama de aplicaciones de trazabilidad. A lo largo del artículo, hemos demostrado las capacidades de este método a través de varios ejemplos, mostrando su potencial efectividad y versatilidad.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Descargar referencias

Estos autores contribuyeron igualmente: Pouria Hoveida y Adrian Phoulady.

Universidad de Connecticut, Storrs, CT, EE. UU.

Pouria Hoveida, Adrian Phoulady, Hongbin Choi, Nicholas May, Sina Shahbazmohamadi y Pouya Tavousi

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Todos los autores contribuyeron a la ideación, la experimentación y la escritura.

Correspondencia a Sina Shahbazmohamadi o Pouya Tavousi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hoveida, P., Phoulady, A., Choi, H. et al. Marcas grabadas con láser legibles en terahercios como una solución novedosa para la trazabilidad de productos. Representante científico 13, 12474 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39586-5

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Recibido: 15 de mayo de 2023

Aceptado: 27 de julio de 2023

Publicado: 01 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39586-5

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