一種新型防窺探發(fā)光示警光學puf的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其結(jié)構(gòu)包括襯底，生長在襯底上的光學PUF介質(zhì)層，可嵌埋在襯底或光學PUF介質(zhì)層中的長余輝發(fā)光材料，以及將襯底、光學PUF介質(zhì)層和長余輝發(fā)光材料封裝在內(nèi)部的不透明盒子；本實用新型通過在常規(guī)光學PUF結(jié)構(gòu)中加入的長余輝發(fā)光材料，經(jīng)過光源短時間照射關閉光源之后，仍能在很長時間內(nèi)持續(xù)發(fā)光，利用發(fā)光作為判斷PUF是否被窺探過的依據(jù)，從而使PUF具有防窺探發(fā)光示警功能，解決了普通光學PUF不能判斷光學PUF是否被敵方窺探過激勵?響應對的缺陷；該光學PUF具有防窺探發(fā)光示警功能，保證了光學PUF的安全性，具有真正實用性，可廣泛應用于量子認證與量子密鑰分配中。
【專利說明】
一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF
技術(shù)領域
[0001]本實用新型涉及基于PUF的安全領域，具體是一種適用于IP保護、系統(tǒng)認證、可信計算、秘鑰生成等領域的新型防窺探發(fā)光示警光學PUFF。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著信息化和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，身份認證已成為日常生活中必不可少的關鍵環(huán)節(jié)。然而，銀行卡、信用卡、身份證等認證卡信息外泄或遭黑客竊取、違法復制等事件頻頻發(fā)生、屢見不鮮，尋求保證身份信息不被克隆或冒用的方法成為人們關注的焦點。一些解決手段如EMV智能卡等使用了嵌入式芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁條來存儲身份數(shù)據(jù)，但這種基于數(shù)學方法的手段，存儲卡里的信息依然可以被非法訪問并對數(shù)據(jù)進行復制或模擬，無法真正保證信息的安全。而基于物理不可克隆函數(shù)(以下簡稱PUF)的身份認證是最近提出的能確保認證卡信息不被復制和篡改的一種新型解決途徑，被認為是最有前途的下一代身份認證方案。
[0003]除了身份認證，PUF還可廣泛應用于IP保護、秘鑰生成等對安全要求極高的領域。當前PUF主要分為電學PUF、光學PUF等。電學PUF特別是數(shù)字電路PUF，可通過標準工藝完全集成到嵌入式設備中，不需要特定的步驟或組件。但相較于光學PUF，更容易被攻擊和篡改:
1、電學PUF基本不具備數(shù)學不可克隆性。其中涂層PUF、SRAM PUF、觸發(fā)器PUF和蝴蝶PUF，通過詳盡的讀出激勵-響應對，可以很容易完成數(shù)學克隆；對于仲裁器PUF和一些環(huán)形振蕩PUF，通過建模攻擊可實現(xiàn)數(shù)學克隆。而光學PUF是至今為止唯一被證明具有數(shù)學不可克隆性的PUF ο 2、涂層PUF的激勵太少(幾十個)，一個隨機的激勵將有一定的概率得到特定響應。其他的電學HJF輸出僅為單個比特，一個隨機的激勵將有50%的可能性得到正確響應。因此電學PUF均不具有單向性。光學PUF中無序介質(zhì)與激勵光相互作用過程繁雜，無法得到特定的響應，是唯一有可能具有物理單向性的PUF方法。3、迄今只有光學PUF和涂層PUF是明確具有防篡改性，其他PUF是否能防篡改還不得而知。此外，光學PUF中無序介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)包含的信息量巨大，無法對其準確建模，微觀結(jié)構(gòu)上極小的改變會導致響應產(chǎn)生巨大改變，具有防篡改性，可同時作為認證和秘鑰生成器，被稱為“強PUF"，因此，光學PUF有著巨大的優(yōu)勢，是未來實現(xiàn)量子認證的最佳途徑。
[0004]然而，當前已有的普通光學PUF并不能防止攻擊者利用激光窺探得到PUF的激勵-響應對，也無法判定PUF是否被攻擊者窺探過。本實用新型的目的就是公開一種全新的防窺探發(fā)光示警光學PUF，以使得使用者可以得知PUF是否被窺探過，從而確保光學PUF使用的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于提供一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，該光學PUF有效利用了長余輝發(fā)光材料在光照下的發(fā)光行為，可作為判斷PUF是否被窺探的有效依據(jù)，解決了普通光學HJF不能防止攻擊者利用激勵光窺探得到PUF激勵-響應對的缺陷，再利用長余輝材料在環(huán)境光照下產(chǎn)生的長余輝效應，可以實現(xiàn)防窺探發(fā)光示警的功能，該光學PUF安全性會 。
[0006]本實用新型的技術(shù)效果如下:
[0007]一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:包括襯底、光學PUF介質(zhì)層和長余輝發(fā)光材料，光學PUF介質(zhì)層生長在襯底上，長余輝發(fā)光材料嵌埋于襯底中，或者長余輝發(fā)光材料嵌埋于光學PUF介質(zhì)層中，形成整體的襯底、光學PUF介質(zhì)層和長余輝發(fā)光材料封裝于不透明盒子的內(nèi)部。
[0008]所述襯底可以采用普通非長余輝發(fā)光材料，可以是透明材料，也可以是不透明材料，可以是剛性材料，也可以是柔性材料，同時材料可以是平面的，或者是曲面的材料。所述襯底采用寶石片、石英玻璃、硅片、鋁、銅等其中的一種。
[0009]所述襯底也可以采用長余輝發(fā)光材料，長余輝發(fā)光材料可以是透明材料也可以是不透明材料，長余輝發(fā)光材料還可以是剛性材料也可以是柔性材料，長余輝發(fā)光材料可以是平面也可以曲面。
[0010]所述光學PUF介質(zhì)層是由介質(zhì)納米粒子隨機生長成的疏松多孔的強散射結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，可以采用的材料包括但不限于氧化鋅、氧化鈦、磷化鎵、磷化銦、鈦酸鋇中的一種或它們?nèi)我饨M合的混合物。為保證獲得足夠信息量的散斑圖，介質(zhì)納米粒子應滿足多重散射條件，即包含了長余輝發(fā)光材料的隨機介質(zhì)納米粒子散射層的厚度大于光在其中傳播時，光的平均自由程的10倍。
[0011]當襯底采用普通非長余輝發(fā)光材料時，長余輝發(fā)光材料則嵌埋在光學PUF介質(zhì)層中；當襯底采用長余輝發(fā)光材料時，長余輝發(fā)光材料則既可以嵌埋于光學PUF介質(zhì)層中，或者長余輝發(fā)光材料可以同時嵌埋于光學PUF和襯底中。
[0012]所述長余輝發(fā)光材料采用堿土鋁酸鹽、堿土硅酸鹽或硫化物等中的一種或它們?nèi)我饨M合的混合物。長余輝放光材料的余輝時間大于可容忍的丟失時間。
[0013]所述不透明盒子采用對使用波段不透明的材質(zhì)。當使用光學PUF進行認證或作為秘鑰分配的正常操作時，不透明盒子為開啟模式，激勵光可以照射到光學PUF上得到激勵-響應對。在非使用情況下，不透明盒子為關閉模式，避免外界環(huán)境光照射使PUF發(fā)光對防窺探產(chǎn)生干擾。
[0014]本實用新型在常規(guī)光學PUF結(jié)構(gòu)中加入了長余輝發(fā)光材料，其經(jīng)過光源短時間照射，在關閉光源之后，仍能在很長時間內(nèi)持續(xù)發(fā)光。這個發(fā)光可作為判斷PUF是否被窺探的依據(jù)，從而使得PUF具有防窺探發(fā)光示警功能，解決了普通光學PUF不能防止攻擊者利用激勵光窺探得到PUF激勵-響應對的缺陷。其工作原理如下:
[0015]當攻擊者欲窺探PUF時，首先得打開或破壞封裝PUF的不透明盒子，這時，環(huán)境光的照射會使PUF發(fā)光，從而可以作為被窺探的判斷依據(jù)，實現(xiàn)第一重防窺探發(fā)光示警保護。
[0016]即便攻擊者在暗室中打開不透明盒子，但要實施攻擊或冒名認證，就必須要窺探PUF的激勵-響應對。由于攻擊者不知道長余輝發(fā)光材料的類型，在采用短于長余輝材料發(fā)光波長的光激勵時就會使得PUF發(fā)光。攻擊者若在小于可容忍丟失時間內(nèi)將PUF放回，則可以從發(fā)光識破該PUF被窺探過;若在大于可容忍時間將PUF放回或不將PUF放回，則可以明顯判斷該PUF已被窺探，就可認為此PUF失效。從而實現(xiàn)第二重防窺探發(fā)光示警保護。
[0017]該種新型光學PUF具有防窺探發(fā)光示警功能，保證了光學PUF的安全性。而且長余輝發(fā)光材料這種材料發(fā)展成熟，制備簡單，可以很方便的應用于光學PUF中，具有真正的實用性，可廣泛應用于量子認證與量子密鑰分配中。
[0018]本實用新型的有益效果如下:
[0019]1、相比于通常的光學PUF，本實用新型提出的光學PUF結(jié)合了長余輝發(fā)光材料。這種長余輝發(fā)光材料在光照下的發(fā)光行為可作為判斷PUF是否被窺探的依據(jù)，從而使得PUF具有防窺探發(fā)光示警功能，解決了普通光學PUF不能防止攻擊者利用激勵光窺探得到HJF激勵-響應對的缺陷；
[0020]2、由于長余輝材料在環(huán)境光照下也會產(chǎn)生長余輝效應，本實用新型使用不透明盒子封裝整個光學PUF。這樣一方面避免了環(huán)境光照射使PUF發(fā)光對防窺探產(chǎn)生干擾；另一方面，當攻擊者在環(huán)境光下打開不透明盒子進行窺探時，將使得PUF在發(fā)光，實現(xiàn)防窺探發(fā)光示警的功能；
[0021]3、當攻擊者在暗室下打開PUF用激光進行窺探時，由于不知道長余輝發(fā)光材料激發(fā)光譜，一旦激勵光波長短于長余輝發(fā)光材料激發(fā)光波長，將使PUF發(fā)光。本實用新型還設置了可容忍丟失時間。攻擊者若在小于可容忍丟失時間內(nèi)將PUF放回，則可以從發(fā)光識破該PUF被窺探過;若在大于可容忍時間將PUF放回或不將PUF放回，則可以明顯判斷該PUF已被窺探，就可認為此PUF失效。從而達到防窺探發(fā)光示警的目的。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型激勵波長大于550nm的防窺探發(fā)光示警光學PUF示意圖；
[0023]其中:I為石英玻璃襯底；2為T12納米顆粒光學PUF介質(zhì)層；3為嵌埋在光學PUF介質(zhì)層中的長余輝發(fā)光材料Sr2Mg2Si07: Eu，Dy; 4為不透明盒子。
[0024]圖2為本實用新型的長余輝發(fā)光材料采用Sr2Mg2Si07:Eu，Dy激發(fā)譜與發(fā)射譜。
[0025]圖3為本實用新型針對激勵為近紅外光的防窺探發(fā)光示警光學PUF示意圖；
[0026]其中:I為寶石片襯底；2為ZnO2納米顆粒光學PUF介質(zhì)層；3為嵌埋在光學PUF介質(zhì)層中的長余輝發(fā)光材料Zn3Ga2Ge20iQ: Cr3+ ； 4為不透明盒子。
[0027]圖4為長余輝發(fā)光材料Zn3Ga2Ge2O1Q: Cr3+的激發(fā)譜與發(fā)射譜。
[0028]圖5為本實用新型針對激勵波長為近紅外的防窺探發(fā)光示警光學PUF示意圖；
[0029]其中:I為陶瓷襯底;2為GaP納米顆粒光學PUF介質(zhì)層;3為嵌埋在陶瓷襯底中的長余輝發(fā)光材料Zn3Ga2Ge20iQ: Cr3+ ； 4為不透明盒子。
【具體實施方式】
[0030]實施例1
[0031 ] 一種激勵波長大于550nm的防窺探發(fā)光示警光學PUF。
[0032]本實施例中使用Sr2Mg2Si07:Eu，Dy作為長余輝發(fā)光防窺探材料。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
[0033]該光學PUF采用250微米厚度的石英玻璃作為襯底。將5g長余輝Sr2Mg2Si07:Eu，Dy納米顆粒，混合在200g粒徑為200nm的T12納米顆粒分散液中，分散液體積分數(shù)為5%。之后將混合分散液噴涂在石英玻璃上，形成20-30微米厚度嵌埋長余輝材料的光學PUF散射介質(zhì)。最后將此結(jié)構(gòu)放入可滑動的不透明盒子中保證在未激勵光學PUF時，盒子處于關閉狀態(tài)防止環(huán)境光照射PUF導致發(fā)光現(xiàn)象。如圖2所示，為長余輝發(fā)光材料Sr2Mg2Si07:Eu，Dy的發(fā)射譜與激發(fā)譜，該材料在波長大于550nm時為非激發(fā)區(qū)，此波段的光將不會導致長余輝發(fā)光現(xiàn)象。該材料在波長為250-550nm波段為激發(fā)區(qū)，即該區(qū)域的光將導致發(fā)光材料產(chǎn)生長余輝發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)射光波段為425-550nm。因此可采用大于波長550nm的激光作為正常使用光學PUF時的激勵，此時不會導致光學PUF發(fā)光。該發(fā)光材料的長余輝時間大于30小時，故將丟失可容忍時間設置為30小時。當攻擊者偷竊了本實施案例中的光學PUF，一旦在有環(huán)境光(如太陽光、燈光)的情況下開啟蓋子，則長余輝發(fā)光材料就會被激發(fā)而發(fā)出藍光示警;若攻擊者在無環(huán)境光的情況下開啟蓋子，但在采用激發(fā)光窺探激勵-響應對時，由于不知道長余輝發(fā)光材料激發(fā)光譜，一旦激勵光波長短于550nm，將使PUF發(fā)光。攻擊者若在小于30小時內(nèi)將PUF放回，則可以從PUF的藍色發(fā)光識破該PUF被窺探過;若在大于30小時將PUF放回或不將PUF放回，則可以直接判斷該PUF失效。從而達到防窺探發(fā)光示警的目的。
[0034]實施例2
[0035]一種針對激勵為近紅外光的防破解防窺探發(fā)光示警光學PUF。
[0036]本實施例中使用Zn3Ga2Ge2O1Q:Cr3+作為長余輝發(fā)光防窺探材料。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該光學PUF采用160微米厚度的寶石片作為襯底。將1g顆粒粒徑為2-5微米長余輝發(fā)光材料Zn3Ga2Ge2O1Q:Cr3+顆粒，混合在200g的顆粒粒徑為200nm的ZnO2納米顆粒分散液中，分散液體積分數(shù)為2.5%。之后將混合分散液噴涂在寶石片襯底上，形成20-30微米厚度嵌埋長余輝材料的光學PUF散射介質(zhì)。最后將此結(jié)構(gòu)放入可滑動的不透明盒子中保證在未激勵光學PUF時，盒子處于關閉狀態(tài)防止日光或燈光照射光學PUF導致發(fā)光現(xiàn)象。圖4為長余輝發(fā)光材料Zn3Ga2Ge2O1Q: Cr3+的發(fā)射譜與激發(fā)譜，該材料在波長大于650nm時為非激發(fā)區(qū)，此波段的光將不會導致長余輝發(fā)光現(xiàn)象。該材料在波長為300-650nm波段為激發(fā)區(qū)，該區(qū)域的光將導致發(fā)光材料產(chǎn)生長余輝發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)射光波段為650-900nm。因此，可采用大于波長650nm的激光作為正常使用光學PUF時的激勵，此時不會導致光學PUF發(fā)光。該發(fā)光材料的長余輝時間大于360小時，故將丟失可容忍時間設置為360小時。當攻擊者偷竊了本實施案例中的光學PUF，一旦在有環(huán)境光(如太陽光、燈光)的情況下開啟蓋子，則長余輝發(fā)光材料就會被激發(fā)而發(fā)出紅光示警;若攻擊者在無環(huán)境光的情況下開啟蓋子，但在采用激發(fā)光窺探激勵-響應對時，由于不知道長余輝發(fā)光材料激發(fā)光譜，一旦激勵光波長短于650nm，將使PUF發(fā)光。攻擊者若在小于360小時內(nèi)將PUF放回，則可以從PUF的藍色發(fā)光識破該PUF被窺探過;若在大于360小時將PUF放回或不將PUF放回，則可以直接判斷該PUF失效。從而達到防窺探發(fā)光示警的目的。
[0037]實施例3
[0038]一種針對基于長余輝陶瓷材料激勵波長為近紅外的防窺探發(fā)光示警光學PUF，采用160微米厚度的Zn3Ga2Ge2O1O = Cr3+陶瓷作為襯底。該襯底同時具有長余輝發(fā)光性質(zhì)。將體積分數(shù)為2.5%、顆粒粒徑為200nm的GaP納米顆粒分散液噴涂在具有長余輝發(fā)光性質(zhì)的襯底上，形成20-30微米厚度光學PUF散射介質(zhì)。最后將此結(jié)構(gòu)放入可滑動的不透明盒子中保證在未激勵光學PUF時，盒子處于關閉狀態(tài)防止日光或燈光照射光學PUF導致發(fā)光現(xiàn)象。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。該陶瓷襯底材料的長余輝發(fā)光光譜性質(zhì)與圖4 一致，在波長大于650nm時為非激發(fā)區(qū)，此波段的光將不會導致長余輝發(fā)光現(xiàn)象。該材料在波長為300-650nm波段為激發(fā)區(qū)，該區(qū)域的光將導致發(fā)光材料產(chǎn)生長余輝發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)射光波段為650-900nm。因此，可采用大于波長650nm的激光作為正常使用光學PUF時的激勵，此時不會導致光學PUF發(fā)光。該發(fā)光材料的長余輝時間大于360小時，故將丟失可容忍時間設置為360小時。當攻擊者偷竊了本實施案例中的光學PUF，一旦在有環(huán)境光(如太陽光、燈光)的情況下開啟蓋子，貝Ij長余輝發(fā)光材料就會被激發(fā)而發(fā)出紅光示警;若攻擊者在無環(huán)境光的情況下開啟蓋子，但在采用激發(fā)光窺探激勵-響應對時，由于不知道長余輝發(fā)光材料激發(fā)光譜，一旦激勵光波長短于650nm，將使PUF發(fā)光。攻擊者若在小于360小時內(nèi)將PUF放回，則可以從PUF的藍色發(fā)光識破該PUF被窺探過;若在大于360小時將PUF放回或不將PUF放回，則可以直接判斷該PUF失效。從而達到防窺探發(fā)光示警的目的。
【主權(quán)項】
1.一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:包括襯底(1)、光學PUF介質(zhì)層(2)和長余輝發(fā)光材料(3)，光學PUF介質(zhì)層(2)生長在襯底(I)上，長余輝發(fā)光材料(3)嵌埋于襯底(I)中，或者長余輝發(fā)光材料(3)嵌埋于光學PUF介質(zhì)層(2)中，形成整體的襯底(1)、光學PUF介質(zhì)層(2)和長余輝發(fā)光材料(3)封裝于不透明盒子(4)的內(nèi)部。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:所述襯底(I)采用非長余輝發(fā)光材料(3);所述非長余輝發(fā)光材料(3)是透明材料或者不透明材料，同時是剛性材料或柔性材料，同時是平面的材料或者是曲面的材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:所述襯底(I)采用寶石片、石英玻璃、硅片、鋁、銅其中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:所述襯底(I)采用長余輝發(fā)光材料(3);所述長余輝發(fā)光材料(3)是透明材料或者不透明材料，同時所述長余輝發(fā)光材料(3)是剛性材料或柔性材料，同時所述長余輝發(fā)光材料(3)是平面或曲面。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:所述光學PUF介質(zhì)層(2)的厚度大于光在光學PUF介質(zhì)層(2)中傳播的平均自由程的10倍。6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:所述長余輝發(fā)光材料(3)嵌埋于光學PUF介質(zhì)層(2)中。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學HJF，其特征在于:所述長余輝發(fā)光材料(3)嵌埋于光學PUF介質(zhì)層(2)中，或者所述余輝發(fā)光材料同時嵌埋于光學PUF和襯底(I)中。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型防窺探發(fā)光示警光學PUF，其特征在于:所述不透明盒子采用對使用波段不透明的材質(zhì)。
【文檔編號】G06K19/02GK205563647SQ201521059887
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年12月19日
【發(fā)明人】李倩, 李沫, 陳飛良, 龍衡, 姚堯, 孫鵬, 高銘, 代剛, 張健
【申請人】中國工程物理研究院電子工程研究所