基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態(tài)存儲器將在RFID電子標簽領域發(fā)揮重要作用

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所科研團隊在《Advanced Materials》雜志發(fā)表題為“A Hierarchically Encoded Data Storage Device with Controlled Transiency”的論文，創(chuàng)新性地研制出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態(tài)存儲器，在存儲器機理、材料和結構方面取得突破。瞬態(tài)可溶存儲器是瞬態(tài)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(xiàn)可控降解的同時還需具備穩(wěn)定的存儲和加密功能。

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(yōu)化實現(xiàn)垂直高密度集成，實現(xiàn)單器件上電學、電磁和光學信息的同步穩(wěn)定存儲。使用溶解特性可調節(jié)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(qū)域可控層數(shù)降解等多種可控降解模式。多模態(tài)信息編碼和多種降解模式的組合極大地提升了瞬態(tài)存儲器的加密能力和信息存儲量，僅16個單元就能實現(xiàn)1055比特數(shù)量級信息的存儲；所制備的4×4陣列瞬態(tài)可溶存儲器樣機實現(xiàn)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(tài)信息存儲和高穩(wěn)定性存儲的要求。小鼠皮下植入實驗進一步驗證了瞬態(tài)存儲器在體內逐層降解的可行性與生物安全性。

具有優(yōu)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(tài)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(fā)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。

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(shù)據(jù)發(fā)送給RFID閱讀器, 但讀寫器不能將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取以及工業(yè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)穩(wěn)定，斷電后所存的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

(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。可重復編程只讀標簽的存儲器一般由EEPROM組成。

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。可寫入式電子標簽可以采用SRAM或FRAM存儲器。

靜態(tài)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢結合在一起，這就使得FRAM產品既可以進行非易失性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guī)定數(shù)目的字節(jié)的匯總，字組一般作為整體讀出或寫入。為了修改一個數(shù)據(jù)塊的內容，必須從RFID讀寫器整體讀出這個數(shù)據(jù)塊，對其修改，然后再重新整體將數(shù)據(jù)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(jié)。

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(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的加密，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的安全性。

(1) 分級密鑰

分級密鑰是指系統(tǒng)有多個密鑰，不同的密鑰訪問權限不同，在應用中可以根據(jù)訪問權限確定密鑰的等級。例如，某一系統(tǒng)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(shù)據(jù)分為兩部分，分別由密鑰A和密鑰B保護。密鑰A保護的數(shù)據(jù)由只讀存儲器存儲，該數(shù)據(jù)只能讀出，不能寫入。密鑰B保護的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，并允許讀寫器2寫該數(shù)據(jù)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(tǒng)中，就有分級密鑰的應用實例?，F(xiàn)在，城市公交系統(tǒng)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。

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(shù)據(jù)存儲于該卡。城市公交系統(tǒng)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(shù)據(jù)。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(qū)付費、汽車加油和零售付費等多種功能，各種不同的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。