一种新型防窥探发光示警光学puf的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型防窥探发光示警光学PUF，其结构包括衬底，生长在衬底上的光学PUF介质层，可嵌埋在衬底或光学PUF介质层中的长余辉发光材料，以及将衬底、光学PUF介质层和长余辉发光材料封装在内部的不透明盒子；本实用新型通过在常规光学PUF结构中加入的长余辉发光材料，经过光源短时间照射关闭光源之后，仍能在很长时间内持续发光，利用发光作为判断PUF是否被窥探过的依据，从而使PUF具有防窥探发光示警功能，解决了普通光学PUF不能判断光学PUF是否被敌方窥探过激励?响应对的缺陷；该光学PUF具有防窥探发光示警功能，保证了光学PUF的安全性，具有真正实用性，可广泛应用于量子认证与量子密钥分配中。
【专利说明】
一种新型防窥探发光示警光学PUF
技术领域
[0001]本实用新型涉及基于PUF的安全领域，具体是一种适用于IP保护、系统认证、可信计算、秘钥生成等领域的新型防窥探发光示警光学PUFF。
【背景技术】
[0002]近年来，随着信息化和物联网的快速发展，身份认证已成为日常生活中必不可少的关键环节。然而，银行卡、信用卡、身份证等认证卡信息外泄或遭黑客窃取、违法复制等事件频频发生、屡见不鲜，寻求保证身份信息不被克隆或冒用的方法成为人们关注的焦点。一些解决手段如EMV智能卡等使用了嵌入式芯片代替传统磁条来存储身份数据，但这种基于数学方法的手段，存储卡里的信息依然可以被非法访问并对数据进行复制或模拟，无法真正保证信息的安全。而基于物理不可克隆函数(以下简称PUF)的身份认证是最近提出的能确保认证卡信息不被复制和篡改的一种新型解决途径，被认为是最有前途的下一代身份认证方案。
[0003]除了身份认证，PUF还可广泛应用于IP保护、秘钥生成等对安全要求极高的领域。当前PUF主要分为电学PUF、光学PUF等。电学PUF特别是数字电路PUF，可通过标准工艺完全集成到嵌入式设备中，不需要特定的步骤或组件。但相较于光学PUF，更容易被攻击和篡改:
1、电学PUF基本不具备数学不可克隆性。其中涂层PUF、SRAM PUF、触发器PUF和蝴蝶PUF，通过详尽的读出激励-响应对，可以很容易完成数学克隆；对于仲裁器PUF和一些环形振荡PUF，通过建模攻击可实现数学克隆。而光学PUF是至今为止唯一被证明具有数学不可克隆性的PUF ο 2、涂层PUF的激励太少(几十个)，一个随机的激励将有一定的概率得到特定响应。其他的电学HJF输出仅为单个比特，一个随机的激励将有50%的可能性得到正确响应。因此电学PUF均不具有单向性。光学PUF中无序介质与激励光相互作用过程繁杂，无法得到特定的响应，是唯一有可能具有物理单向性的PUF方法。3、迄今只有光学PUF和涂层PUF是明确具有防篡改性，其他PUF是否能防篡改还不得而知。此外，光学PUF中无序介质的微观结构包含的信息量巨大，无法对其准确建模，微观结构上极小的改变会导致响应产生巨大改变，具有防篡改性，可同时作为认证和秘钥生成器，被称为“强PUF"，因此，光学PUF有着巨大的优势，是未来实现量子认证的最佳途径。
[0004]然而，当前已有的普通光学PUF并不能防止攻击者利用激光窥探得到PUF的激励-响应对，也无法判定PUF是否被攻击者窥探过。本实用新型的目的就是公开一种全新的防窥探发光示警光学PUF，以使得使用者可以得知PUF是否被窥探过，从而确保光学PUF使用的安全性。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种新型防窥探发光示警光学PUF，该光学PUF有效利用了长余辉发光材料在光照下的发光行为，可作为判断PUF是否被窥探的有效依据，解决了普通光学HJF不能防止攻击者利用激励光窥探得到PUF激励-响应对的缺陷，再利用长余辉材料在环境光照下产生的长余辉效应，可以实现防窥探发光示警的功能，该光学PUF安全性會 。
[0006]本实用新型的技术效果如下:
[0007]一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:包括衬底、光学PUF介质层和长余辉发光材料，光学PUF介质层生长在衬底上，长余辉发光材料嵌埋于衬底中，或者长余辉发光材料嵌埋于光学PUF介质层中，形成整体的衬底、光学PUF介质层和长余辉发光材料封装于不透明盒子的内部。
[0008]所述衬底可以采用普通非长余辉发光材料，可以是透明材料，也可以是不透明材料，可以是刚性材料，也可以是柔性材料，同时材料可以是平面的，或者是曲面的材料。所述衬底采用宝石片、石英玻璃、硅片、铝、铜等其中的一种。
[0009]所述衬底也可以采用长余辉发光材料，长余辉发光材料可以是透明材料也可以是不透明材料，长余辉发光材料还可以是刚性材料也可以是柔性材料，长余辉发光材料可以是平面也可以曲面。
[0010]所述光学PUF介质层是由介质纳米粒子随机生长成的疏松多孔的强散射结构的介质层，可以采用的材料包括但不限于氧化锌、氧化钛、磷化镓、磷化铟、钛酸钡中的一种或它们任意组合的混合物。为保证获得足够信息量的散斑图，介质纳米粒子应满足多重散射条件，即包含了长余辉发光材料的随机介质纳米粒子散射层的厚度大于光在其中传播时，光的平均自由程的10倍。
[0011]当衬底采用普通非长余辉发光材料时，长余辉发光材料则嵌埋在光学PUF介质层中；当衬底采用长余辉发光材料时，长余辉发光材料则既可以嵌埋于光学PUF介质层中，或者长余辉发光材料可以同时嵌埋于光学PUF和衬底中。
[0012]所述长余辉发光材料采用碱土铝酸盐、碱土硅酸盐或硫化物等中的一种或它们任意组合的混合物。长余辉放光材料的余辉时间大于可容忍的丢失时间。
[0013]所述不透明盒子采用对使用波段不透明的材质。当使用光学PUF进行认证或作为秘钥分配的正常操作时，不透明盒子为开启模式，激励光可以照射到光学PUF上得到激励-响应对。在非使用情况下，不透明盒子为关闭模式，避免外界环境光照射使PUF发光对防窥探产生干扰。
[0014]本实用新型在常规光学PUF结构中加入了长余辉发光材料，其经过光源短时间照射，在关闭光源之后，仍能在很长时间内持续发光。这个发光可作为判断PUF是否被窥探的依据，从而使得PUF具有防窥探发光示警功能，解决了普通光学PUF不能防止攻击者利用激励光窥探得到PUF激励-响应对的缺陷。其工作原理如下:
[0015]当攻击者欲窥探PUF时，首先得打开或破坏封装PUF的不透明盒子，这时，环境光的照射会使PUF发光，从而可以作为被窥探的判断依据，实现第一重防窥探发光示警保护。
[0016]即便攻击者在暗室中打开不透明盒子，但要实施攻击或冒名认证，就必须要窥探PUF的激励-响应对。由于攻击者不知道长余辉发光材料的类型，在采用短于长余辉材料发光波长的光激励时就会使得PUF发光。攻击者若在小于可容忍丢失时间内将PUF放回，则可以从发光识破该PUF被窥探过;若在大于可容忍时间将PUF放回或不将PUF放回，则可以明显判断该PUF已被窥探，就可认为此PUF失效。从而实现第二重防窥探发光示警保护。
[0017]该种新型光学PUF具有防窥探发光示警功能，保证了光学PUF的安全性。而且长余辉发光材料这种材料发展成熟，制备简单，可以很方便的应用于光学PUF中，具有真正的实用性，可广泛应用于量子认证与量子密钥分配中。
[0018]本实用新型的有益效果如下:
[0019]1、相比于通常的光学PUF，本实用新型提出的光学PUF结合了长余辉发光材料。这种长余辉发光材料在光照下的发光行为可作为判断PUF是否被窥探的依据，从而使得PUF具有防窥探发光示警功能，解决了普通光学PUF不能防止攻击者利用激励光窥探得到HJF激励-响应对的缺陷；
[0020]2、由于长余辉材料在环境光照下也会产生长余辉效应，本实用新型使用不透明盒子封装整个光学PUF。这样一方面避免了环境光照射使PUF发光对防窥探产生干扰；另一方面，当攻击者在环境光下打开不透明盒子进行窥探时，将使得PUF在发光，实现防窥探发光示警的功能；
[0021]3、当攻击者在暗室下打开PUF用激光进行窥探时，由于不知道长余辉发光材料激发光谱，一旦激励光波长短于长余辉发光材料激发光波长，将使PUF发光。本实用新型还设置了可容忍丢失时间。攻击者若在小于可容忍丢失时间内将PUF放回，则可以从发光识破该PUF被窥探过;若在大于可容忍时间将PUF放回或不将PUF放回，则可以明显判断该PUF已被窥探，就可认为此PUF失效。从而达到防窥探发光示警的目的。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型激励波长大于550nm的防窥探发光示警光学PUF示意图；
[0023]其中:I为石英玻璃衬底；2为T12纳米颗粒光学PUF介质层；3为嵌埋在光学PUF介质层中的长余辉发光材料Sr2Mg2Si07: Eu，Dy; 4为不透明盒子。
[0024]图2为本实用新型的长余辉发光材料采用Sr2Mg2Si07:Eu，Dy激发谱与发射谱。
[0025]图3为本实用新型针对激励为近红外光的防窥探发光示警光学PUF示意图；
[0026]其中:I为宝石片衬底；2为ZnO2纳米颗粒光学PUF介质层；3为嵌埋在光学PUF介质层中的长余辉发光材料Zn3Ga2Ge20iQ: Cr3+ ； 4为不透明盒子。
[0027]图4为长余辉发光材料Zn3Ga2Ge2O1Q: Cr3+的激发谱与发射谱。
[0028]图5为本实用新型针对激励波长为近红外的防窥探发光示警光学PUF示意图；
[0029]其中:I为陶瓷衬底;2为GaP纳米颗粒光学PUF介质层;3为嵌埋在陶瓷衬底中的长余辉发光材料Zn3Ga2Ge20iQ: Cr3+ ； 4为不透明盒子。
【具体实施方式】
[0030]实施例1
[0031 ] 一种激励波长大于550nm的防窥探发光示警光学PUF。
[0032]本实施例中使用Sr2Mg2Si07:Eu，Dy作为长余辉发光防窥探材料。其结构示意图如图1所示。
[0033]该光学PUF采用250微米厚度的石英玻璃作为衬底。将5g长余辉Sr2Mg2Si07:Eu，Dy纳米颗粒，混合在200g粒径为200nm的T12纳米颗粒分散液中，分散液体积分数为5%。之后将混合分散液喷涂在石英玻璃上，形成20-30微米厚度嵌埋长余辉材料的光学PUF散射介质。最后将此结构放入可滑动的不透明盒子中保证在未激励光学PUF时，盒子处于关闭状态防止环境光照射PUF导致发光现象。如图2所示，为长余辉发光材料Sr2Mg2Si07:Eu，Dy的发射谱与激发谱，该材料在波长大于550nm时为非激发区，此波段的光将不会导致长余辉发光现象。该材料在波长为250-550nm波段为激发区，即该区域的光将导致发光材料产生长余辉发光现象，发射光波段为425-550nm。因此可采用大于波长550nm的激光作为正常使用光学PUF时的激励，此时不会导致光学PUF发光。该发光材料的长余辉时间大于30小时，故将丢失可容忍时间设置为30小时。当攻击者偷窃了本实施案例中的光学PUF，一旦在有环境光(如太阳光、灯光)的情况下开启盖子，则长余辉发光材料就会被激发而发出蓝光示警;若攻击者在无环境光的情况下开启盖子，但在采用激发光窥探激励-响应对时，由于不知道长余辉发光材料激发光谱，一旦激励光波长短于550nm，将使PUF发光。攻击者若在小于30小时内将PUF放回，则可以从PUF的蓝色发光识破该PUF被窥探过;若在大于30小时将PUF放回或不将PUF放回，则可以直接判断该PUF失效。从而达到防窥探发光示警的目的。
[0034]实施例2
[0035]一种针对激励为近红外光的防破解防窥探发光示警光学PUF。
[0036]本实施例中使用Zn3Ga2Ge2O1Q:Cr3+作为长余辉发光防窥探材料。其结构示意图如图3所示。该光学PUF采用160微米厚度的宝石片作为衬底。将1g颗粒粒径为2-5微米长余辉发光材料Zn3Ga2Ge2O1Q:Cr3+颗粒，混合在200g的颗粒粒径为200nm的ZnO2纳米颗粒分散液中，分散液体积分数为2.5%。之后将混合分散液喷涂在宝石片衬底上，形成20-30微米厚度嵌埋长余辉材料的光学PUF散射介质。最后将此结构放入可滑动的不透明盒子中保证在未激励光学PUF时，盒子处于关闭状态防止日光或灯光照射光学PUF导致发光现象。图4为长余辉发光材料Zn3Ga2Ge2O1Q: Cr3+的发射谱与激发谱，该材料在波长大于650nm时为非激发区，此波段的光将不会导致长余辉发光现象。该材料在波长为300-650nm波段为激发区，该区域的光将导致发光材料产生长余辉发光现象，发射光波段为650-900nm。因此，可采用大于波长650nm的激光作为正常使用光学PUF时的激励，此时不会导致光学PUF发光。该发光材料的长余辉时间大于360小时，故将丢失可容忍时间设置为360小时。当攻击者偷窃了本实施案例中的光学PUF，一旦在有环境光(如太阳光、灯光)的情况下开启盖子，则长余辉发光材料就会被激发而发出红光示警;若攻击者在无环境光的情况下开启盖子，但在采用激发光窥探激励-响应对时，由于不知道长余辉发光材料激发光谱，一旦激励光波长短于650nm，将使PUF发光。攻击者若在小于360小时内将PUF放回，则可以从PUF的蓝色发光识破该PUF被窥探过;若在大于360小时将PUF放回或不将PUF放回，则可以直接判断该PUF失效。从而达到防窥探发光示警的目的。
[0037]实施例3
[0038]一种针对基于长余辉陶瓷材料激励波长为近红外的防窥探发光示警光学PUF，采用160微米厚度的Zn3Ga2Ge2O1O = Cr3+陶瓷作为衬底。该衬底同时具有长余辉发光性质。将体积分数为2.5%、颗粒粒径为200nm的GaP纳米颗粒分散液喷涂在具有长余辉发光性质的衬底上，形成20-30微米厚度光学PUF散射介质。最后将此结构放入可滑动的不透明盒子中保证在未激励光学PUF时，盒子处于关闭状态防止日光或灯光照射光学PUF导致发光现象。其结构示意图如图5所示。该陶瓷衬底材料的长余辉发光光谱性质与图4 一致，在波长大于650nm时为非激发区，此波段的光将不会导致长余辉发光现象。该材料在波长为300-650nm波段为激发区，该区域的光将导致发光材料产生长余辉发光现象，发射光波段为650-900nm。因此，可采用大于波长650nm的激光作为正常使用光学PUF时的激励，此时不会导致光学PUF发光。该发光材料的长余辉时间大于360小时，故将丢失可容忍时间设置为360小时。当攻击者偷窃了本实施案例中的光学PUF，一旦在有环境光(如太阳光、灯光)的情况下开启盖子，贝Ij长余辉发光材料就会被激发而发出红光示警;若攻击者在无环境光的情况下开启盖子，但在采用激发光窥探激励-响应对时，由于不知道长余辉发光材料激发光谱，一旦激励光波长短于650nm，将使PUF发光。攻击者若在小于360小时内将PUF放回，则可以从PUF的蓝色发光识破该PUF被窥探过;若在大于360小时将PUF放回或不将PUF放回，则可以直接判断该PUF失效。从而达到防窥探发光示警的目的。
【主权项】
1.一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:包括衬底(1)、光学PUF介质层(2)和长余辉发光材料(3)，光学PUF介质层(2)生长在衬底(I)上，长余辉发光材料(3)嵌埋于衬底(I)中，或者长余辉发光材料(3)嵌埋于光学PUF介质层(2)中，形成整体的衬底(1)、光学PUF介质层(2)和长余辉发光材料(3)封装于不透明盒子(4)的内部。2.根据权利要求1所述的一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:所述衬底(I)采用非长余辉发光材料(3);所述非长余辉发光材料(3)是透明材料或者不透明材料，同时是刚性材料或柔性材料，同时是平面的材料或者是曲面的材料。3.根据权利要求2所述的一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:所述衬底(I)采用宝石片、石英玻璃、硅片、铝、铜其中的一种。4.根据权利要求1所述的一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:所述衬底(I)采用长余辉发光材料(3);所述长余辉发光材料(3)是透明材料或者不透明材料，同时所述长余辉发光材料(3)是刚性材料或柔性材料，同时所述长余辉发光材料(3)是平面或曲面。5.根据权利要求1所述的一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:所述光学PUF介质层(2)的厚度大于光在光学PUF介质层(2)中传播的平均自由程的10倍。6.根据权利要求2或3所述的一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:所述长余辉发光材料(3)嵌埋于光学PUF介质层(2)中。7.根据权利要求4所述的一种新型防窥探发光示警光学HJF，其特征在于:所述长余辉发光材料(3)嵌埋于光学PUF介质层(2)中，或者所述余辉发光材料同时嵌埋于光学PUF和衬底(I)中。8.根据权利要求1所述的一种新型防窥探发光示警光学PUF，其特征在于:所述不透明盒子采用对使用波段不透明的材质。
【文档编号】G06K19/02GK205563647SQ201521059887
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年12月19日
【发明人】李倩, 李沫, 陈飞良, 龙衡, 姚尧, 孙鹏, 高铭, 代刚, 张健
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所