1.简介
我们提出了一种信息存储方法，该方法使用一组机电谐振器，即压电晶片，以其工程化、频率相关的机电响应特性存储信息。与传统信息存储技术相比，所提出的方法在以下方面有所不同：
虽然传统方法通常使用二进制编码（即“1”或“0”位），但压电晶片的频率相关响应通过利用增强/抑制的机电共振允许多个状态。例如，可以使用“0”、“1”和“2”三种状态实现三值编码。
具有不同信息状态的压电晶片可以在视觉上相互一致。因此，无法使用视觉工具（如相机）解码存储的信息。
该方法不依赖于直线访问，也可用于压电晶片可以嵌入物体或外壳内的情况，从而降低其篡改的可能性。
由于具有上述优点，与一些传统的信息存储方法相比，所提出的方法在提高信息安全性方面具有很大的潜力。然而，这种方法并不打算取代现有技术，如光学快速响应代码[1,2]和射频识别（RFID）标签[三]; 相反，它可以与它们一起作为附加的安全层使用。此外，虽然提议的方法以较高的成本实现了上述功能，但对于需要非传统防篡改或篡改技术的某些类别的应用（例如，敏感材料的存储和运输）来说，这些都是合理的[4]. 使用压电材料存储信息并不是什么新鲜事；铁电体（压电体的一个子类）用于铁电随机存取存储器（FeRAM）[5,6,7]. 虽然传统的FeRAM使用二进制信息存储，但最近的研究[8]已经表明，FeRAM能够进行多级信息存储。这是通过改变极化电场的持续时间来实现的，这将导致铁电薄膜中不同程度的均匀剩余极化。与上述方法相比，该方法通过工程化压电晶片的空间极化剖面来实现多级信息存储[9,10]增强/抑制特定的机电共振。据我们所知，文献中还没有尝试过利用压电晶片的机电共振特性进行信息存储的方法。我们能找到的唯一与所提出的主题相关的参考文献是压电粉末中的信息存储[11]. 然而，该论文的作者采用了一种完全不同的方法，即利用声子回波的时间松弛特性来存储和检索信息，并且与所提出的方法有很大不同。 接下来，我们将介绍使用压电晶片实现多级信息存储的方法。
2.使用压电晶片的多级信息存储
为了实现多种信息状态，我们对压电晶片使用三种类型的极化剖面：
- (1)
去极化：未极化的压电晶片。测量时，这并没有显示任何机电共振。
- （2）
均匀极化：整个压电晶片的均匀极化，所有偶极子沿厚度对齐。当测量时，具有这种极化剖面的晶圆会产生晶圆几何结构通常观察到的所有机电共振。
- (3)
非均匀极化：设计用于增强特定共振模式的极化剖面。测量时，具有这种极化轮廓的晶圆在目标模式下产生更强的共振，而周围模式受到抑制。
这三种类型的极化分别用于表示三种不同的信息状态：“0”、“1”和“2”。三元编码中的术语“trit”用于指代三种信息状态。改变压电晶片的极化剖面而不是其几何形状的好处是，代表不同“trit”的晶片看起来完全相同。这提供了额外的安全层，并对视觉成像方法的潜在篡改起到威慑作用。
为了演示多级信息存储，六块圆形锆钛酸铅-5A（PZT-5A）晶片根据前面提到的三种极化类型进行极化，每种极化类型两块晶片。所有压电晶片均为0.4 mm厚、10 mm直径，由美国马萨诸塞州贝灵汉市Boston Piezo-Optics Inc制造。
非均匀致冷压电晶片[9,10]旨在增强第三径向振动模式的机电共振。这些径向模式[12,13]用环形环以贝塞尔型模式振动。对于第三种径向模式，有三个环形环；因此，我们设计的非均匀极化压电晶片的极化轮廓是为了模拟三个环形，如所示图1环形区域的相应尺寸和极化方向详见表1注意，晶圆仅使用两种稳定的极化状态（上下）进行极化，这两种状态在空间上以环形分布。 通过使用Omicron Bode 100矢量网络分析仪测量电导谱，确定每个压电晶片的机电共振。电导谱的大小产生了清晰的峰值，这些峰值可以很容易地阈值化，并且可以代表机电共振的强度。图2显示了去极化、均匀极化和非均匀极化压电晶片的电导谱幅值。 在图2，选择频率范围，以便只能看到前三个径向模式。与均匀极化压电片的频谱相比，非均匀极化压电片的频谱显示出增强的第三径向模式，而第一和第二径向模式被显著抑制。第二和第三径向模式之间的轻微频率偏移和意外共振很可能是非均匀致冷压电晶片中极化区域之间的非优化间距造成的[14]. 沉积的压电晶片没有如预期的那样显示出任何共振。 六个压电晶片按2×3阵列排列，如所示图3由于该阵列与传统光学QR码中使用的二维像素阵列（1′s和0′s）相似，因此我们将其称为概念压电快速响应（PQR）码。2×3阵列的第一行由三种极化类型组成，按照它们代表的“trit”顺序排列，而第二行是混合的，以防止基于定位的潜在偏差。压电晶片在左上角标有数字，预期的“trit”标记在相应的压电晶圆下方。 所有六块压电晶片均连接至Keithley 3706A多路复用器，如所示图4示意图。我们使用Mill-Max Mfg.Corp.，弹簧加载的弹簧引脚与每个压电晶片进行电接触，并使用薄铜膜对每个压电晶片进行结构支撑和接地。完整设置的图片如所示图4b.虽然这项概念验证研究的实验装置可能看起来还很初级，但所有组件都可以进行缩放、制造和流线型，以便实际部署。接下来，我们将讨论从PQR代码中检索信息。 3.从PQR代码检索信息
PQR代码的信息检索是通过对电导谱进行归一化来完成的，如图2。归一化后，以下标准用于检索编码数据： “0”trit：在第一和第三径向模式下没有超过阈值的峰值。
“1”trit：在第一径向模式下有一个高于阈值的峰值，但在第三径向模式下没有。
'2'三合一：在第三径向模式下有一个高于阈值的峰值，但在第一径向模式下没有。
通过围绕第一和第三径向模式对数据加窗，并通过识别每个窗口中是否存在峰值，可以使信息检索更加稳健。第一径向模式周围的窗口选择为0.15–0.25 MHz，第三径向模式周围窗口选择为0.8–0.9 MHz。这说明了制造过程导致的测量电导谱的任何变化。
两个频率窗口的频谱如所示图5a、 b.蓝灰色线是为该设置选择的阈值。图5a显示对应于第一径向模式的频率窗口内的频谱。图5b显示对应于第三径向模式的第二频率窗口内的频谱。 通过使用上述读取编码数据的标准，我们能够成功检索预期的三值编码，如所示表2这说明了从PQR代码中存储和检索信息的建议概念。应注意，用于检索数据的电压或电场强度远小于晶圆极化期间使用的电压或场强。这确保了两件事：（1）信息检索期间施加的电压不会改变晶圆的信息状态，（2）它不会将样品加热到居里温度以上，从而使晶圆完全去极化，从而导致信息丢失。这两个方面都确保可以多次检索存储的信息，而不会改变晶圆的信息状态。换句话说，每个晶圆的信息状态在最初极化时是预先确定的，并且在信息检索期间不能改变为任何其他状态。因此，PQR代码不能被篡改，这一功能对于设计防篡改标签/封条特别有用。 虽然上述概念验证码用三种不同的信息状态进行了演示，但可以通过使用针对高阶共振模式的极化剖面来进一步增加信息状态的数量。例如，如果我们以第四个径向模式为目标，我们可以表示多达四个信息状态，以此类推，直到用完径向模式。当共振的厚度模式在更高频率下开始占主导地位时，就会发生这种情况。对于厚度与直径之比小于0.05的圆形晶圆，可以针对6–8个径向模式，因此每个晶圆可以实现6–8种不同的信息状态。这构成了PQR代码多级信息存储的基础。一般来说，如果使用所提出的方法可以实现“N”（整数）不同的信息状态，那么可以使用带有“P”（整型）压电晶片的PQR码来存储累积信息状态。对于中描述的PQR代码图3，我们有N=3和P=6；因此，它可以与只能使用状态。 虽然圆形晶片只允许我们瞄准径向模式，但具有矩形几何形状的晶片可以自由选择四种模式[15,16]-沿矩形长度和宽度的面内拉伸、面内剪切和面内弯曲模式。每种模式类型都有多个共振，可用于增强/抑制。因此，与圆形晶圆相比，可用的信息状态集增长了至少四倍（4倍）。这方面的努力正在进行中[16,17]. 通过使用空间上以高密度、小占地面积排列的较小尺寸晶圆，可以很容易地将所提出的概念扩展到实际应用中。它在参考文献中显示[8]晶圆的极化状态可以控制在比本文讨论的小得多的长度尺度上。这使得人们能够在小尺寸晶圆中使用非均匀极化来实现多种信息状态。甚至9块晶圆的低端估计/（3乘3数组），如本文所述，仅使用三元编码，可以得到州/请注意，这些估计值仅基于本文中介绍的简单编码方法。更复杂的编码方案会导致更多的信息状态，这将是未来研究的主题。 最后，我们未来的工作还将研究在对象或外壳内嵌入PQR代码的可能性。在这种情况下，如果可以解释物体/外壳内PQR代码引起的表面振动，则可以使用激光多普勒测振仪（LDV）读取编码数据。由于所提出的信息存储方法依赖于机电共振频率，因此使用LDV或其他类似方法进行更粗糙的表面扫描，这些方法可以确定表面振动频率的空间分布，足以满足此应用。这将允许从远处快速读取编码数据，并可作为本文中建议的方法的替代方法，该方法需要电触点才能工作。
