Что такое RFID-метки? Радиочастотная идентификация – Руководство для начинающих – Xinyetong

В круге первом. билет московского метрополитена

Сначала вымачиваем карту в обычной воде, чтобы удалить бумажные слои, скрывающие самое сердце данной «метки».

Раздетая карта московского метрополитена

Теперь аккуратненько посмотрим на неё при небольшом увеличении в оптический микроскоп:

Микрофотографии чипа карты для прохода в московский метрополитен

Чип закреплён довольно основательно и хочу обратить внимание, что все 4 «ноги» присоединены к антенне – это нам пригодится далее для сравнения с другой RFID-меткой. Сложив пластиковую основу пополам в месте, где находится чип, и слегка покачав из стороны в сторону, он легко высвобождается. В итоге имеем чип размером с игольчатое ушко:

Оптические микрофотографии чипа сразу после отделения от антенны

Что ж, поиграемся с фокусом:

Изменение положения фокуса с нижнего слоя на верхний

В своей статье, посвящённой «вскрытию» чипов коллега BarsMonster использовал горячую кислоту для выжигания всякой органики на поверхности чипов. Я был с ними чуть более ласков и кипятил в ацетоне (с обратным холодильником, конечно).

NB! Крайне не советую все эти садо-мазохистические действия повторять дома. У BarsMonster есть «полигон», у меня – вытяжной шкаф в лаборатории.

Вуаля, поверхность очищена, последний слой металлизации не пострадал, а рядом лежит та самая полимерная «кожура»:

Очищенный чип и полимерная основа, которая крепко удерживает чип на пластиковой карте

Теперь попробуем заняться травлением. Пространство между контактами и слоями металлизации должно быть разделено диэлектриком, например, аморфным диоксидом кремния. Следовательно, для травления возьмём плавиковую кислоту или HF. Приготовим не сильно концентрированный раствор и приступим.

После выдержки в течение 1 минуты в данном растворе вооружённым электронным микроскопом глазом трудно заметить какие-либо значительные изменения:

Микрофотографии травления чипа в HF через 1 минуту

Кстати, очень показательное фото. На нём хорошо проявляется эффект зарядки и по такому контрасту (заряжается/не заряжается) можно с лёгкостью отличать отдельные частицы микросхемы друг от друга.

Увеличим время ещё на 2 минуты. Так как в ходе травления желательно слегка перемешивать раствор, чтобы травление было более-менее равномерным, то сначала «отлетают» самые тяжёлые части:

Микрофотография площадки для крепления к антенне, оторванной от чипа
Взглянем под другим углом

А вот и само место крепления площадок. Кое-где штырьки вырваны, а кое-где остались нетронутыми:

О размерах. Толщина металлического напыления в чипе может составлять от 20-30 нм до 100-150 нм, при этом расстояние между слоями металлизации, судя по представленным выше фотографиям, составляет около 950 нм. Получается, что очень тонкие и напряжённые (это связано с условиями нанесения данных проводников) «плёнки» металлов стоят на массивных «бочка», поэтому, когда кислота разъедает несущую основу – диоксида кремния, то плёнки стараются снять напряжение, а массивные контакты между слоями металлизации «падают» на освободившееся пространство под ними.

Иногда наука превращается немного в искусство, например, таким образом:

Наноскамеечка…

Выдержим ещё пару минут в плавиковой кислоте (суммарно уже 5 мин). Пейзаж начинает разительно меняться – всё больше частей покидают свои места. Наступает анархия:

Общий вид на чип после суммарно 5 минут травления

По мимо всего прочего, мы выдерживаем чип в кислоте, а значит, хотим мы этого или нет, но металл будет взаимодействовать с кислотой, постепенно растворяясь. Как было показано в статье про матрицы фотоаппаратов с помощью EDX-анализа, производители крайне не любят раскошеливаться на золото и используют более дешёвый алюминий.

Через ещё 2 минуты выдерживания в кислоте начинает проявляться другая особенность процесса травления – равномерность. Удаляется постепенно слой за слоем одинаково по всей поверхности, а это значит, что места, где контактируют два слоя металлизации, протравливаются так же, как остальная поверхность. В результате мы имеем «бублики» вокруг контактов:

«Бублики» вокруг контактов между слоями металлизации

Другое наглядное тому доказательство – «выбитые» целые контактные группы:

Выкорчёвываем контактные группы…

Растворитель проникает вовнутрь этих дырок, как мы помним чуть-чуть подрастворяет металл и вытравливает пространство по отдельным слоям металлизации – примерно так:

Микрофотография протравленного чипа, демонстрирующая два отдельных диэлектрика с полостью между ними
С другого ракурса, чтобы не оставалось сомнений, – это действительно два разных слоя диоксида кремния, а под, между, над и вокруг них — слои металлизации

Другое забавное открытие – три вывода, которые, по всей видимости, при тестировании чипов на пластине после окончания производственного цикла для отбраковки:

Три «тестовых» вывода с чипа

Так как после выставки на Фестивале Науки 2021 в здании Фундаментальной Библиотеки МГУ, тянет на искусство, то не могу себе отказать в удовольствии поделиться с вами нанотетрисом:

Поиграем в тетрис?

И нанесём решительный удар по данному чипу, поместив его в раствор для травления ещё на 7 минут (итого, 14 минут с начала эксперимента, которые растянулись практически на целый день работы;) ). На поверхности остался лишь первый слой металлизации, за ним уже начинаются стоки, истоки и затворы:

Во всём беспорядке можно найти и порядок – чем вам последняя фотография не новая эмблема для Хабра?
Первый, основной слой металлизации, за которым только транзисторы…

Что ж, взглянем в ретроспективном виде на то, какой путь мы проделали в деле травления чипа:

Общие микрофотографии, иллюстрирующие ход процесса травления

Ах, да, я же обещал geek porno в формате HD. Благодарим за это BarsMonster и его длиннофокусный микроскоп:

Картинка кликабельна — HD

Теперь немного интриг.

Ходят слухи, что Микрон разрабатывает и производит чипы для московского метро собственного силам по сходной технологии Mifare (как минимум, различается крепление к антенне – ножки другой формы). 22 августа BarsMonsterбез объявления войны и вероломно направил обращение в Микрон за разъяснениями, можно ли где-то в принципе увидеть данный чип, к 3.

11 ответа не поступило. Один из журналистов (а именно, Александр Эрлих) на форуме IXBT тоже собирался уточнить данную информацию у представителей Микрона, но на данный момент воз и ныне там, то есть официальные представители Микрон уклоняются от ответа на прямо поставленный вопрос.

Рассмотренный выше билет, по всей видимости, изготовлен (или только смонтирован на антенну?) на предприятии Микрон (г. Зеленоград) — см. ссылки ниже — по технологии известной в RFID-кругах фирмы NXP, о чём собственно недвусмысленно намекают 3 огромные буквы и год выпуска технологии (а может и год производства) на верхнем слое металлизации чипа.

Если полагать, что 2009 относится к году запуска технологии, а аббревиатуру CUL1V2 расшифровать как Circuit ULtralite 1 Version 2 (данное предположение также подтверждается этой новостью), то на сайте NXP можно найти подробное описание данных чипов (последние две строки в списке)

Кстати, в прошлом году для участников Интернет-олимпиады по Нанотехнологиям была организована экскурсия на завод Микрон (фото- и видеоотчёты), поэтому говорить, что там оборудование простаивает смысла нет, но и заявление «дядечки в белом халате», что производят они метки по стандартам 70 нм, я бы поставил под сомнение…

Согласно статистике, собранной BarsMonster после анализа чипов 109 билетов метро (довольно репрезентативная выборка), согласно нормальному распределению шансы найти «необычный» билет ~109^1/2 или около 10%, но они тают с каждым вскрытым билетиком…

На сайте англоязычной Wiki есть прелестная статья, посвящённая Mifare, где представлен не полный, но довольно обширный список того, где и какие типы данных меток используются.

Области применения rfid-технологии

Некоторое время RFID-системы обходились по цене дороже штрих-кодовых систем бесконтактной идентификации. После того,
как теги были технологически усовершенствованы, их стали использовать в тех сферах, где ранее применялся только
штрих-код. Однако радиочастотные системы до сих пор продолжают соперничество со штрих-кодовыми не только по
функциональным возможностям, но и по цене.

Следует отметить, что RFID-технология
предоставляет решения для работы в условиях плохой видимости. Микросхема RFID выполняет роль говорящего штрих-кода,
передающего данные на считыватель. Напечатанные штриховые коды хорошо считываются лазерным сканером, но для его
корректной работы необходима прямая видимость.

А при технологии RFID сканер может декодировать информацию с
носителями, даже когда он скрыт (например, вшит в одежду или встроен в корпус изделия). При этом даже совсем
маленькая метка может содержать в несколько раз больше информации, чем штрих-код. Кроме того, метки RFID могут быть
считаны, находясь в различных упаковках или прямо из тележки покупателя.

Результаты проведенного сравнительного анализа этих двух методов бесконтактной идентификации приведены в табл. 3.

Таблица 3. Сравнительные
характеристики двух методов бесконтактной
идентификации

В настоящее время RFID-системы применяются в разнообразных случаях, когда требуется оперативный и точный контроль,
отслеживание и учет многочисленных перемещений различных объектов. Типичные применения:

• электронный контроль доступа и перемещений персонала на территории предприятий;
• управление производством, товарными и таможенными складами (в особенности крупными), магазинами, выдачей и
  перемещением товаров и материальных ценностей;
• автоматический сбор данных на железных дорогах, платных автомобильных дорогах, на грузовых станциях и
  терминалах;
• контроль, планирование и управление движением, интенсивностью графика и выбором оптимальных маршрутов;
• общественный транспорт: управление движением, оплата проезда и оптимизация пассажиропотоков;
• системы электронных платежей для всех видов транспорта, включая организацию платных дорог, автоматический сбор
  платы за проезд и транзит, платные автостоянки;
• обеспечение безопасности (в комплексе с другими техническими средствами аудио- и видеоконтроля);
• защита и сигнализация на транспортных средствах.

Область применения RFID-системы определяется ее частотой (рис. 2).

Учитывая зависимости, представленные на рис. 2, RFID-системы можно разделить условно на три группы.

1. Высокочастотные (850 – 950 MГц и 2,4 – 5 ГГц), которые используются там, где требуются большое расстояние и
   высокая скорость чтения, например контроль железнодорожных вагонов, автомобилей, системы сбора отходов. В этих
   целях, ридеры устанавливают на воротах или шлагбаумах, а транспондер закрепляется на ветровом или боковом стекле
   автомобиля. Большая дальность действия делает возможной безопасную установку ридеров вне пределов досягаемости
   людей.
2. Промежуточной частоты (10 – 15 MГц) – используются там, где должны быть переданы большие массивы данных.
3. Низкочастотные (100 – 500 KГц). Используются там, где допустимо небольшое расстояние между объектом и ридером.
   Обычное расстояние считывания составляет 0,5 м, а для тегов, встроенных в маленькие “кнопочки”, дальность
   чтения, как правило, еще меньше – около 0,1 м. Большая антенна ридера может в какой-то мере компенсировать такую
   дальность действия небольшого тега, но излучение высоковольтных линий, моторов, компьютеров, ламп и т.п. мешает
   ее работе. Большинство систем управления доступом, бесконтактные карты управления складами и производством
   используют низкую частоту.

Бесконтактные информационные системы на основе RFID-технологии в настоящее время применяются тогда, когда
необходимы:

• резкое сокращение затрат на ввод данных и исключение ошибок, связанных с ручным вводом информации;
• высокая оперативность регистрационной информации;
• высокая степень автоматизации управления имуществом, складами, транспортом, доступом людей в помещения;
• полностью автоматическая регистрация с последующей компьютерной обработкой результатов (пример: система
  регистрации пассажиров маршрутного такси или автобуса с автоматическим взиманием платы за проезд);
• улучшение контроля качества в производственных, складских и транспортных операциях;
• сокращение учетного документооборота и трудозатрат.

Все эти и многие другие задачи могут быть с успехом решены с помощью RFID-систем.

Рассмотрим более подробно основные приложения RFID-технологии.