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基于蚕丝蛋白的多层级可植入瞬态存储器将在RFID电子标签领域发挥重要作用

发布时间:2022-07-06 03:05:43 来源:BBV体育游戏app下载 作者:bbv体育官网下载

 

  近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所科研团队在《Advanced Materials》杂志发表题为“A Hierarchically Encoded Data Storage Device with Controlled Transiency”的论文,创新性地研制出基于蚕丝蛋白的多层级可植入瞬态存储器,在存储器机理、材料和结构方面取得突破。瞬态可溶存储器是瞬态可溶电子植入器件中的重要组成部分和信息存储媒介,该存储器在实现可控降解的同时还需具备稳定的存储和加密功能。

  近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所科研团队在《Advanced Materials》杂志发表题为“A Hierarchically Encoded Data Storage Device with Controlled Transiency”的论文,创新性地研制出基于蚕丝蛋白的多层级可植入瞬态存储器,在存储器机理、材料和结构方面取得突破。瞬态可溶存储器是瞬态可溶电子植入器件中的重要组成部分和信息存储媒介,该存储器在实现可控降解的同时还需具备稳定的存储和加密功能。

  该存储器采用了全新的存储器结构,将阻变忆阻器、太赫兹超材料、光学衍射元件三种不同信息类型的存储单元通过工艺优化实现垂直高密度集成,实现单器件上电学、电磁和光学信息的同步稳定存储。使用溶解特性可调节的蚕丝蛋白与可降解金属(镁、铝)组成的存储器材料体系,既保证各层存储单元具备良好的电学、光学性能,又使存储器具备逐层逐步降解、多层快速降解、选定区域可控层数降解等多种可控降解模式。多模态信息编码和多种降解模式的组合极大地提升了瞬态存储器的加密能力和信息存储量,仅16个单元就能实现1055比特数量级信息的存储;所制备的44阵列瞬态可溶存储器样机实现了字母表编码、16位二进制编码演示和校验编解码示例。得益于蚕丝蛋白的成膜均匀性和精准可控降解能力,存储器信息误读率低、鲁棒性强的特性,满足了多模态信息存储和高稳定性存储的要求。小鼠皮下植入实验进一步验证了瞬态存储器在体内逐层降解的可行性与生物安全性。

  具有优异生物相容性的蚕丝蛋白不会引起组织免疫反应,预示着新型多层级瞬态可溶存储器在植入式器件和芯片、生物体内信息存储和生物电子标签等领域将发挥重要作用。

  RFID电子标签的档次与存储器的结构是密切相关的。由于存储器的不同, 电子标签分为只读电子标签、可写入式电子标签、具有密码功能的电子标签和分段存储的电子标签。其中, 只读电子标签档次最低, 具有密码功能的电子标签和分段存储的电子标签档次较高。

  在识别过程中,内容只能读出不可写入的电子标签是只读型电子标签。只读型电子标签所具有的存储器是只读型存储器。

  当RFID电子标签进入读写器的工作范围时, 电子标签就开始输出它的特征标记。通常,芯片厂家保证对每个电子标签赋予唯一的序列号。电子标签与RFID读写器的通信只能在单方向上进行, 即RFID电子标签不断将自身的数据发送给RFID阅读器, 但读写器不能将数据传输给电子标签。这种电子标签功能简单,结构也较简单,价格较低廉,适合应用于对价格敏感的场合。只读电子标签主要应用在动物识别、车辆出入控制、温湿度数据读取以及工业数据集中控制等方面。

  只读标签的内容在标签出厂时就已被写入,识别时只能读出, 不可再写入。只读标签的存储器一般由ROM组成。

  ROM所存储的数据一般是装入整机前事先写好的, 整机工作过程中只能读出,不像随机存储器那样能快速、方便地加以改写,ROM所存的数据稳定,断电后所存的数据也不会改变,其结构较简单,读出较方便,因而常用于存储各种固定的程序和数据。只读电子标签自身的特征标记一般用序列号表示,其在芯片生产的过程中已经固化了, 用户不能改变芯片上的任何数据。

  一次性编程(One Time Programmable,OTP)只读标签可在应用前一次性编程写入,在识别过程中不可改写。一次性编程只读标签的存储器一般由PROM组成。

  可重复编程只读标签的内容经擦除后可重复编程写入, 但在识别过程中不可改写。可重复编程只读标签的存储器一般由EEPROM组成。

  在识别过程中,内容既可以读出又可以写入的RFID电子标签,就是可写入式电子标签。可写入式电子标签可以采用SRAM或FRAM存储器。

  静态随机存储器(SRAM)是一种具有静止存取功能的内存。SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据,因此SRAM具有较高的性能。

  铁电存储器(FRAM)是一个非易失性随机存取储存器,能提供与RAM一致的性能,但又有与ROM一样的非易失性。FRAM非易失性是指记忆体掉电后数据不丢失,非易失性记忆体是源自ROM的技术。FRAM将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起,这就使得FRAM产品既可以进行非易失性数据存储,又可以像RAM一样操作。

  在可写入式电子标签工作时,RFID读写设备可以将数据写入RFID电子标签。对电子标签的写入与读出大多是按字组进行的,字组通常是规定数目的字节的汇总,字组一般作为整体读出或写入。为了修改一个数据块的内容,必须从RFID读写器整体读出这个数据块,对其修改,然后再重新整体将数据读入。

  可写人式电子标签的存储量,最少可以是1B,最高可达64KB。比较典型的电子标签是16bit几十到几百字节。

  对于可写入式电子标签,如果没有密码功能的话,任何读写器都可以对RFID电子标签进行读写数据。为了保证系统数据的安全,应该阻止对电子标签未经允许的访问。这就可以采取多种方法对RFID电子标签加以保护。对RFID标签的保护涉及数据的加密,数据加密可以防止跟踪、窃取或恶意篡改电子标签的信息,从而保证数据的安全性。

  分级密钥是指系统有多个密钥,不同的密钥访问权限不同,在应用中可以根据访问权限确定密钥的等级。例如,某一系统具有密钥A和密钥B,RFID电子标签与射频读写器之间的认证可以由密钥A和密钥B确定,但密钥A和密钥B的等级不同。

  电子标签内部的数据分为两部分,分别由密钥A和密钥B保护。密钥A保护的数据由只读存储器存储,该数据只能读出,不能写入。密钥B保护的数据可写入存储器存储,读写器1具有密钥A,电子标签认证成功后,允许读写器1访问密钥A保护的数据。读写器2具有密钥B,电子标签认证成功后,允许读写器2读出密钥B保护的数据,并允许读写器2写该数据既能读出,也能写入。

  在城市公交系统中,就有分级密钥的应用实例。现在,城市公交系统可以用刷卡的方式乘车的刷卡器(读写器),另一种是公交公司给卡充值的读写器。

  公交乘车的刷卡采用的是近距离接触式刷卡,每刷一次从卡中扣除一次金额,这部分的数据存储于该卡。城市公交系统的读写器有两种,一种是公交汽车上钥A认证。RFID电子标签还可以充值,充值由密钥B认证。公交汽车上的读写器只有密钥A。电子标签认证密钥A成功后, 允许公交汽车上的读写器扣除电子标签上的金额。

  公交公司的读写器有密钥B。电子标签需要到公交公司充值, 电子标签认证密钥B成功后, 允许公交公司的读写器给电子标签充值。

  当电子标签存储的容量较大时,可以将电子标签的存储器分为多个存储段。每个存储段单元具有独立的功能,存储着不同应用的独立数据。各个存储段单元有单独的密钥保护,以防止非法的访问。

  一般来说, 一个读写器只有电子标签一个存储段的密钥,只能取得电子标签某一应用的访问权,某一电子标签具有汽车出人、小区付费、汽车加油和零售付费等多种功能,各种不同的数据分别有各自的密钥;而一个读写器一般只有一个密钥(如汽车出入密钥),只能在该存储段进行访问(如对汽车出入进行收费)。

  为使电子标签实现低成本,一般电子标签的存储段都设置成固定大小的段,这样实现起来较为简单。可变长存储段的电子标签可以更好地利用存储空间,但实现起来困难,一般很少使用。电子标签的存储段可以只使用一部分,其余的存储段可以闲置待用。

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