CN105404912B - 一种可重构并防窥探的光学puf - Google Patents
一种可重构并防窥探的光学puf Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可重构并防窥探的光学PUF，包括衬底、生长于衬底上的介质纳米颗粒层以及在介质纳米颗粒层中随机掺杂的不同粒径的金属纳米粒子；本发明采用在介质纳米粒子散射层中掺杂了不同粒径的金属纳米粒子，利用不同尺寸金属纳米粒子对光的吸收选择性，使得光学PUF对于入射激光的波长极其敏感；当正常操作使用特定波长激励时，光学PUF会产生强散射形成特定散斑图，用于身份认证；在使用特定波长以外的激光时，光学PUF中包含的金属纳米粒子会发生熔化，不可逆地损坏PUF的微观结构，从而对PUF的散斑响应产生显著影响；因此，本发明在获得物理不可克隆特性的同时，可以有效防止恶意窥探，并具有微观结构可重构的特性。
Description
技术领域
本发明涉及基于PUF的安全领域，具体是指一种用于IP保护、系统认证、可信计算、秘钥生成等领域的可重构并防窥探光学PUF。
背景技术
近年来，银行卡、信用卡、身份证等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，但这种仍然基于数学方法，依然可以访问存储卡里的信息并对数据进行复制或模拟，无法保证信息的真正安全。此时物理不可克隆函数（以下简称PUF）为其提供一种新型解决途径。
PUF可广泛应用于身份认证、IP保护、秘钥生成等对安全要求极高的领域。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。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PUF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。
普通的光学PUF并不能防止盗窃者利用激光窥探得到PUF激励-响应对。Kursawe等人提出了可重构PUF，指对于一个PUF常规的激励-响应行为增加一个称为重构的操作。通过重构可以使得该PUF部分或者全部的激励-响应行为随机地、不可逆转地改变，形成一个全新的PUF，即对于随机结构进行物理上的重构。对于光学PUF 的重构Kursawe等人设计了一种简单的结构，采用包含随机分布光散射玻璃PUF粒子的聚合物，当强激光束照射光学介质时，将局域地熔化光学介质聚合物，使得光学散射粒子随机重新排列；短时间照射后撤走激光，结构冷却重新分布的粒子被冻结，从而形成全新的激励-响应行为。但该结构在敌方不采用强激光激发时就会失效，因此很难使敌人的窥探行为构成对光学PUF的重构行为，不能真正地实现防窥探光学PUF。
发明内容
本发明的目的是提供一种可重构并防窥探的光学PUF，该光学PUF可实现可重构和防窥探功能；基于金属纳米粒子的结构，在正常操作条件下，采用特殊选择波长的激光进行激励辐照时，不改变PUF的内部构造，可以产生稳定的散斑图形；在非正常操作条件下，如敌方偷取PUF并采用激光进行窥探时，对于特殊波长以外的波长，将会对PUF产生不可逆的破坏，从而制止敌方获得PUF的内部信息。
本发明提的技术方案如下：
一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：包括衬底、介质纳米颗粒层和金属纳米粒子，介质纳米颗粒层位于衬底上面，介质纳米颗粒层内随机掺杂有不同粒径的金属纳米粒子。
所述衬底的材料可以采用宝石片、石英玻璃、硅片、铝、铜等中的一种。使用对可见光波段透明的衬底材料，可以同时利用光学PUF的反射散斑图和透射散斑图；使用对可见光不透明的衬底材料，则可以阻挡透射而利用反射散斑。为保证所述衬底足够抵抗外界作用力，厚度应大于50 μm。
所述介质纳米颗粒层的材料可以采用氧化锌、氧化钛、磷化镓、磷化铟、钛酸钡等中的一种或它们任意的混合物。为保证获得足够信息量的散斑图，应满足多重散射条件，即散射介质厚度应远大于光在其中传播平均自由程的10倍，如对于200 nm粒径的氧化锌介质，在632.8nm波长处平均自由程约为700nm，则其厚度应大于7μm。
在介质纳米颗粒层中随机掺杂有不同粒径的金属纳米粒子。金属纳米粒子的一个重要光学特性是具有很强的局域电磁场增强效应，其物理根源是金属纳米粒子和入射光发生表面等离激元共振作用时，在金属纳米粒子的特定部位发生强烈的电荷集聚和振荡效应，在金属纳米粒子的近场区域产生强烈的局域电磁场，该部位称为“热点”(hot spots)。金属纳米粒子的局域表面等离激元共振吸收波段受到粒子尺寸大小、几何结构、介电性能及周围环境等因素影响，具有波段选择性吸收特性。
所述金属纳米粒子可以采用金、银、铜、镍等中的一种，其粒径大小范围为2～200nm，其形状为球体、椭球、圆柱、立方或多面体。
可采用化学方法、激光烧蚀法等在水溶液中制备金属纳米悬浮粒子，并与介质纳米粒子分散液混合，然后采用喷涂的方法生长在衬底上，形成含金属纳米粒子的散射层。
本发明使用时的工作原理是：在正常操作条件下，采用特定波长（吸收敏感）的激光进行激励时，不会改变PUF内部构造，可以产生稳定的散斑图形实现身份认证；在非正常操作条件下，如敌方偷取PUF并采用特定波长之外的激光进行窥探时，金属纳米粒子受到激光照射发生局域表面等离激元共振吸收，由于金属纳米粒子的熔点比体材料低很多，当激光窥探激光达到一定强度时，金属纳米粒子将会熔化，导致原有光学PUF将产生不可逆的破坏，从而产生新的PUF，此时被窥探过（被重构）的PUF在身份认证等应用中将失效。
本发明的有益效果如下：
1、采用光学PUF，其内部包含的无序介质的微观结构蕴含巨大的信息量，难以对其准确建模，微观结构上极小的改变会导致响应产生巨大改变，这就保证了其防篡改性，可同时作为认证和秘钥生成器；若在光学PUF中加入金属纳米粒子，使得PUF的结构更加复杂，进一步增加无序微结构中所包含的信息量，在有限资源内进行克隆或者准确建模的难度极大增加，形成一种具有更高防篡改性的新型光学PUF。
2、本发明具有防窥探特性，基于金属纳米粒子对光的选择性共振吸收特性，不同粒径大小、不同形状的金属纳米粒子，可以有选择性地吸收不同的波长，在被特定波长范围以外的激光照射后会使得金属纳米粒子熔化，从而对PUF产生不可逆的破坏，达到防窥探目的。
3、本发明具有可重构特性，当PUF的激励-响应对使用完毕以后，还可利用其可重构特性生成新的随机散射结构，得到新的PUF，无需再次经过复杂工艺进行制备。
4、对于传统的光学PUF，激励状态可能被探知，若已知激励-响应对的数据库，该光学PUF极有可能被冒名认证。而对于本发明的新型防窥探可重构PUF，窥探的激光很大概率上会导致光学PUF内部结构的重新构造，因此能够在防篡改的基础上同时防止窥探，实现双重保险。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1为衬底，2为介质纳米颗粒层，3为不同粒径的金属纳米粒子；
图2 为本发明的金属纳米粒子相较于体材料熔点降低示意图；
图3 为实施例1中针对500nm波长设计，掺杂不同长轴大小椭球形银纳米粒子的局域表面等离激元共振吸收谱线；
图4 为实施例2中针对620nm波长设计，掺杂不同长轴大小椭球形银纳米粒子的局域表面等离激元共振吸收谱线；
图5 为实施例3中针对680nm波长设计，掺杂不同长轴大小椭球形银纳米粒子的局域表面等离激元共振吸收谱线。
具体实施方式
实施例1
一种针对500nm波长响应设计的可重构并防窥探光学PUF。
此光学PUF如图1所示，具体结构制作过程如下：
1、衬底采用160微米厚度的宝石片。
2、将ZnO与去矿物质水混合配置体积分数为5%，纳米粒径为200nm的ZnO分散液。采用磁力搅拌机进行1小时转速为1000rpm的搅拌分散，之后超声10分钟防止ZnO纳米粒子聚集。
3、将宝石片衬底放置在45°倾斜板上，采用专业喷枪喷涂ZnO纳米粒子分散液，通过喷涂时间控制纳米介质厚度。
4、水平室温下放置一天等待ZnO介质层凝固成型。
5、之后配置椭球状银纳米粒子分散液，粒子粒径为两短轴长度固定为10nm，长轴长度分别为15nm、25nm、30nm、35nm、40nm。
6、分散液体积数为1%，将其喷涂于ZnO介质上。由于ZnO介质为200nm粒径的疏松多孔结构，银纳米粒子能够部分进入介质薄膜中。
如图3所示，通过离散偶极近似（DDA）算法模拟短轴长度为10nm，不同长轴长度下银纳米粒子局域等离激元共振波长。
本实施例中对于500nm波长的入射激光，无金属纳米粒子共振，因此将不会改变光学PUF的内部结构。而除此以外，对于350nm-900nm波段下的其他波长的窥探入射激光，当强度到达一定范围时，将与银纳米粒子产生共振，使得银纳米粒子熔化。此时该光学PUF的内部结构将被重构，再用500nm波长激光入射时，激励-响应行为将完全改变。因此可以防止500nm波长以外激光的窥探。
实施例2
一种针对620nm波长响应设计的可重构并防窥探光学PUF。
此光学PUF如图1所示，具体结构制作过程如下：
1、可采用200微米厚度石英玻璃作为衬底。
2、将GaP与去矿物质水混合配置体积分数为5%，纳米粒径为200nm的GaP分散液。之后配置椭球状银纳米粒子分散液，粒子粒径为两短轴长度固定为10nm，长轴长度分别为15nm、20nm、25nm、35nm、40nm。分散液体积数为1%。将其与GaP分散液混合。采用磁力搅拌机进行1小时转速为1000rpm的搅拌分散，之后超声10分钟防止银纳米粒子及GaP纳米粒子聚集。
3、将宝石片基底放置在45°倾斜板上，采用专业喷枪喷涂GaP纳米粒子分散液，通过喷涂时间控制纳米介质厚度。
4、水平室温下放置一天等待GaP介质层凝固成型。
如图4所示，通过离散偶极近似（DDA）算法模拟短轴长度为10nm，不同长轴长度下银纳米粒子局域等离激元共振波长。
本实施例中对于620nm波长的入射激光，无金属纳米粒子共振，因此将不会改变光学PUF的内部结构。而除此以外，对于350nm-900nm波段下的其他波长的窥探入射激光，当强度到达一定范围时，将与银纳米粒子产生共振，使得银纳米粒子熔化。此时该光学PUF的内部结构将被重构，再用620nm波长激光入射时，激励-响应行为将完全改变。从而达到防止620nm波长以外激光的窥探的目的。
实施例3
一种针对680nm波长响应设计的可重构并防窥探光学PUF。
此光学PUF如图1所示，具体结构制作过程如下：
1、可采用160微米厚度硅片作为衬底。
2、将TiO2与去矿物质水混合配置体积分数为5%，纳米粒径为200nm的TiO2分散液。之后配置椭球状银纳米粒子分散液，粒子粒径为两短轴长度固定为10nm，长轴长度分别为15、20、25、30、40nm。分散液体积数为1%。将其与TiO2分散液混合。采用磁力搅拌机进行1小时转速为1000rpm的搅拌分散，之后超声10分钟防止银纳米粒子及TiO2纳米粒子聚集。
3、将宝石片基底放置在45°倾斜板上，采用专业喷枪喷涂TiO2纳米粒子分散液，通过喷涂时间控制纳米介质厚度。水平室温下放置一天等待TiO2介质层凝固成型。
如图4所示，通过离散偶极近似（DDA）算法模拟短轴长度为10nm，不同长轴长度下银纳米粒子局域等离激元共振波长。
本实施例中对于680nm波长的入射激光，无金属纳米粒子共振，因此将不会改变光学PUF的内部结构。而除此以外，对于350nm-900nm波段下的其他波长的窥探入射激光，当强度到达一定范围时，将与银纳米粒子产生共振，使得银纳米粒子熔化。此时该光学PUF的内部结构将被重构，再用680nm波长激光入射时，激励-响应行为将完全改变。从而达到防止680nm波长以外激光的窥探的目的。
Claims (8)
1.一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：包括衬底（1）、介质纳米颗粒层（2）和金属纳米粒子（3），介质纳米颗粒层（2）位于衬底（1）上面，介质纳米颗粒层（2）内随机掺杂有不同粒径的金属纳米粒子（3）；所述可重构并防窥探的光学PUF可重构；当可重构并防窥探的光学PUF的激励-响应对使用完后，通过照射相应波长的激光对可重构并防窥探的光学PUF的微结构进行重构，从而获得新的光学PUF。
2.根据权利要求1所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述衬底（1）采用宝石片、石英玻璃、硅片、铝、铜中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述衬底（1）的厚度大于50 μm。
4.根据权利要求1所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述介质纳米颗粒层（2）是由介质纳米粒子随机生长成的疏松多孔的强散射结构；所述介质纳米颗粒层（2）采用氧化锌、氧化钛、磷化镓、磷化铟、钛酸钡中的一种或任意组合的混合物。
5.根据权利要求1或4所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述介质纳米颗粒层（2）的厚度大于光在介质纳米颗粒层（2）中传播的平均自由程的10倍。
6.根据权利要求1所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述金属纳米粒子（3）是由不同粒径和不同形状的金属纳米粒子混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述金属纳米粒子（3）采用金、银、铜、镍中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种可重构并防窥探的光学PUF，其特征在于：所述金属纳米粒子（3）的粒径大小范围为2～200 nm，金属纳米粒子（3）的形状为球体、椭球、圆柱、立方或多面体。
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