CN105471586A

CN105471586A - 一种自支撑物理不可克隆钥匙及其制备方法

Info

Publication number: CN105471586A
Application number: CN201510912833.XA
Authority: CN
Inventors: 陈飞良; 李倩; 李沫; 龙衡; 姚尧; 孙鹏; 高铭; 代刚; 张健
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-04-06

Abstract

本发明公开了一种自支撑物理不可克隆钥匙及其制备方法，其制备方法是：通过在基底上生长脱膜剂，在脱膜剂层上生长由无序微纳米颗粒嵌埋于透明介质形成复合膜；然后，采用溶剂将脱膜剂溶掉，再将溶剂中脱离下来的复合膜取出干燥即得到由无序微纳米颗粒嵌埋于透明介质中构成的自支撑物理不可克隆钥匙；本自支撑物理不可克隆钥匙，具有高稳定性和高可靠性，适合于做自支撑结构；本制备方法成本低、简便易行，具备实用性；获得的自支撑物理不可克隆钥匙体积小，不受基底限制，既可转移到各种基底上使用，也可镶嵌进传统安全认证卡片中或可直接应用于高度集成化的量子认证与量子密钥分配微系统中。

Description

一种自支撑物理不可克隆钥匙及其制备方法

技术领域

本发明涉及量子认证、量子密钥分配、身份认证和防伪领域，具体是指一种自支撑物理不可克隆钥匙及其制备方法。

技术背景

众所周知，智能IC卡已被广泛应用在身份证、银行卡、门禁卡、交通卡等众多重要的领域，但这种基于经典电磁感应原理的IC卡存在着安全隐患，易遭受非法访问、跟踪窃听、伪造篡改、重放攻击等安全威胁。近年来，已有多起银行卡信息外泄和支付卡遭黑客窃取等恶性事件发生。因此，发展下一代身份安全认证技术已经迫在眉睫。其中，使用物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction，PUF）实体作为钥匙的量子安全认证（QuantumSecureAuthentication）以及量子密钥分配（QuantumKeyDistribution）是最新提出的可以从根本上杜绝智能卡被克隆和冒名认证的技术。

物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction，PUF）是一种独一无二、不可被克隆的物理对象。因为其制造过程本身包含有大量的不可控自由度，即便是制造者本人也无法重复制造出一块完全相同的PUF实体，这就类似于人的指纹和虹膜。PUF可以看作是一个物理的激励-响应函数，对其输入一个激励，利用物理实体不可避免的固有物理构造上的随机差异，会输出一个不可预测的响应，其行为表现为物理单向函数（PhysicalOne-WayFunction）。由于PUF具备不可克隆性、唯一性、不可预测性、可重复性、单向性和不可篡改性等属性，使用PUF用于安全认证和密钥分配是一种非常有用技术。

已经报道的PUF主要分为光学PUF、电学PUF、纸PUF、CDPUF等几种形式。其中，光学PUF是至今为止唯一被证明具有数学不可克隆性的PUF，还可与量子态的激励-响应结合，使认证系统同时具备物理密钥的不可克隆性与激励-响应的量子不可克隆性，在物理和技术上确保了认证的绝对安全，是当前最安全最具前途的PUF形式。光学PUF内部包含了大量无序微纳结构，其光学特性（如折射率、吸收系数）随空间变化呈无序分布。入射光（激励）在进入PUF时，由于受微纳结构的散射、干涉、衍射、吸收等相互作用，会产生明暗相间的无规则散斑图，从而可作为响应。此外，通常光学PUF既有透射响应又有反射响应，因此可同时作为量子认证和量子密钥生成器。

然而，当前使用的光学PUF都是有基底的结构，体积大、使用不够灵活方便，尤其在集成微系统中兼容性很差。在实际应用中，往往更需要一种稳定可靠的自支撑结构，以便于将其转移到各种基底上或嵌入安全认证卡片或直接集成在微芯片系统中，满足量子认证与量子密钥分配灵活多样化的实际需求。

发明内容

本发明提供了一种自支撑物理不可克隆钥匙及其制备方法，旨在通过一种成本低、简便易行的制备方法制备得到一种稳定可靠、灵活实用、可转移使用的物理不可克隆钥匙，以克服在集成微系统中兼容性很差的缺陷，在实际应用中能满足量子认证与量子密钥分配灵活多样化的实际需求。

本发明的技术方案如下：

一种自支撑物理不可克隆钥匙的制备方法，包括以下步骤：

首先，在基底上生长一层脱膜剂。

其次，在脱膜剂层上生长由无序微纳米颗粒嵌埋于透明介质形成的复合膜。

再次，采用溶剂将脱膜剂溶掉。若采用可溶性基底，则也可以直接将基底溶掉。

最后，将溶剂中脱离下来的无序微纳米颗粒嵌埋于透明介质的复合膜取出干燥，即可得到自支撑物理不可克隆钥匙。

所述的脱膜剂是可溶性材料，可以采用NaCl、KCl、BaCl₂、ZnCl₂、NiCl₂、NaI、KI、BaI₂等易溶于水的金属卤化物，也可采用蔗糖和丙氨酸等易溶于水的有机材料，还可以采用光刻胶、火棉胶等易溶于有机溶剂的材料。

所述的基底可以是任意材料的，既可以是可溶性的也可以是不可溶性的，若是可溶性材料的基底，则基底本身就是脱膜剂。

可采用如下三种方法制备所述复合膜：

第一种方法，将微纳米颗粒混合进可固化的透明液体中，进行搅拌分散，然后通过喷涂、旋涂或浸拉法生长到有脱膜剂的基底上，最后进行固化，形成嵌埋结构的复合膜。

第二种方法，采用溶胶-凝胶法，先将微纳米颗粒混合进用来制备透明介质的溶胶前驱液中，然后通过喷涂、旋涂或浸拉法生长到有脱膜剂的基底上，凝胶得到嵌埋结构的复合膜。

第三种方法，将微纳米颗粒分散液直接喷涂或旋涂到生长脱膜剂的基底上，待其干燥后形成多孔结构，然后在其上采用化学气相沉积法（CVD）或原子层沉积法（ALD）生长透明介质，将孔隙填充，形成嵌埋结构的复合膜。

通过上述方法制备得到的一种自支撑物理不可克隆钥匙，包括若干无序微纳米颗粒和透明介质，若干无序微纳米颗粒嵌埋于透明介质中，并形成复合膜。其中：

所述无序微纳米颗粒是由折射率与透明介质不同的材料构成，其粒径大小在使用波长的量级，分布在十分之一波长到十倍波长之间。以随机无序状态嵌埋于透明介质中，形成波长量级的折射率不均匀空间分布，构成强散射结构。无序微纳米颗粒可以由单种材料、单种粒径、单种形状的微纳米颗粒混合构成，也可以由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米颗粒混合构成。优选的，采用多种材料、多种粒径、多种形状混合的微纳米颗粒混合，以增加物理不可克隆钥匙结构的复杂性，使其与激励光的相互作用更加复杂，具有更高的不可克隆性。

所述透明介质采用对使用波段透明的材料，可以是平面的也可以是曲面的；透明介质的厚度根据实际使用需求，可以从一个使用波长到一千个使用波长。可以采用二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、氟化镁、氟化钙、溴化钾等无机物，也可以采用紫外固化胶、热固化胶、聚氯乙烯（简称PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（简称PMMA）等无机物。透明介质在作为光传导介质的同时，还具有固定和保护无序微纳米颗粒的作用，以确保物理不可克隆钥匙的力学和化学稳定性，使其具备自支撑的能力。

本发明的有益效果如下：

本发明制备得到的自支撑物理不可克隆钥匙采用微纳米颗粒嵌埋于透明介质的结构，具有高稳定性和高可靠性，适合于做自支撑结构；

该自支撑物理不可克隆钥匙体积小，不受基底限制，既可以转移到各种基底上使用，也可以镶嵌进传统安全认证卡片中或可直接应用于高度集成化的量子安全认证与量子密钥分配微芯片系统中；

提出的制备方法成本低、简便易行，具备真正的实用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：11为无序微纳米颗粒；12为透明介质。

图2为本发明的制备方法流程示意图

其中：1为无序微纳米颗粒，2为透明介质，3为脱膜剂，4为基底。

图3为本发明制备得到基于二氧化钛（TiO2）和氧化锌（ZnO）混合无序微纳米颗粒和紫外固化胶透明介质的自支撑物理不可克隆钥匙的过程示意图；

其中：21为二氧化钛和氧化锌混合无序微纳米颗粒；22为紫外固化胶透明介质；23为KCl脱膜剂；24为石英基底。

图4为本发明制备得到基于钛酸钡（BaTiO3）无序微纳米颗粒和氮化铝（AlN）透明介质的自支撑物理不可克隆钥匙的过程示意图；

其中：31为钛酸钡无序微纳米颗粒；32为氮化铝透明介质；33为AZ4620光刻胶脱膜剂；

34为硅片基底。

图5为本发明制备得到基于磷化镓（GaP）、二氧化钛（TiO2）和钛酸钡（BaTiO3）混合无序微纳米颗粒及二氧化硅（SiO2）透明介质的自支撑物理不可克隆钥匙的过程示意图；

其中：41为磷化镓、二氧化钛和钛酸钡混合无序微纳米颗粒；42为二氧化硅透明介质；

43为氯化钠基底。

具体实施方式

如图2所示，一种自支撑物理不可克隆钥匙的制备方法，包括以下步骤：

首先，在基底上生长一层脱膜剂。

得到的自支撑物理不可克隆钥匙，如图1所示，包括若干无序微纳米颗粒11和透明介质12，若干无序微纳米颗粒11嵌埋于透明介质12中，并形成复合膜。其中：

所述无序微纳米颗粒11是由折射率与透明介质12不同的材料构成，其粒径大小在使用波长的量级，分布在十分之一波长到十倍波长之间。以随机无序状态嵌埋于透明介质12中，形成波长量级的折射率不均匀空间分布，构成强散射结构。无序微纳米颗粒11可以由单种材料、单种粒径、单种形状的微纳米颗粒混合构成，也可以由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米颗粒混合构成。优选的，采用多种材料、多种粒径、多种形状混合的微纳米颗粒混合，以增加物理不可克隆钥匙结构的复杂性，使其与激励光的相互作用更加复杂，具有更高的不可克隆性。

所述透明介质12采用对使用波段透明的材料，可以是平面的也可以是曲面的；透明介质12的厚度根据实际使用需求，可以从一个使用波长到一千个使用波长。可以采用二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、氟化镁、氟化钙、溴化钾等无机物，也可以采用紫外固化胶、热固化胶、聚氯乙烯（简称PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（简称PMMA）等无机物。透明介质12在作为光传导介质的同时，还具有固定和保护无序微纳米颗粒11的作用，以确保物理不可克隆钥匙的力学和化学稳定性，使其具备自支撑的能力。

为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。

实施例1

如图3所示，这种自支撑物理不可克隆钥匙制备方法如下：

首先，在1mm厚的石英玻璃基底24上生长一层10μm厚的氯化钾（KCl）作为脱膜剂23；

然后，得到在KCl脱膜剂23层上生长由TiO2和ZnO无序微纳米颗粒21嵌埋于透明介质22形成的复合膜的样品。具体方法是：将粒径分布在50～2000nm、平均粒径为200nm的TiO2和ZnO微纳米颗粒按体积分数1：1混合进紫外固化胶液体中，进行超声搅拌分散，然后通过旋涂法生长到KCl脱膜剂23层上，厚度为20μm；

其次，将样品放在紫外灯下进行照射固化；

再次，将固化后的样品放进去离子水中，将KCl脱膜剂23溶解掉；

最后，将水中脱离下来的由TiO2和ZnO无序微纳米颗粒21嵌埋于紫外固化胶透明介质22的复合膜取出干燥，即可得到以基于二氧化钛（TiO2）和氧化锌（ZnO）混合物无序微纳米颗粒21及紫外固化胶透明介质22的自支撑物理不可克隆钥匙。

实施例2

如图4所示，这种自支撑物理不可克隆钥匙制备方法如下：

首先，在300μm厚的硅片基底34上旋涂一层6μm厚的AZ4620光刻胶作为脱膜剂33；

然后，在光刻胶脱膜剂33层上喷涂一层由粒径分布在100～6000nm、平均粒径为300nm的BaTiO3无序微纳米颗粒31，厚度为20μm，形成多孔结构；

其次，利用MOCVD法在BaTiO3无序微纳米多孔层上生长10μm厚的AlN透明介质32，将多孔内部填充，同时也将多孔结构表面保护起来，得到在光刻胶脱膜剂33层上生长复合膜的样品；

再次，将样品放进丙酮中，将光刻胶脱膜剂33溶解掉；

最后，将水中脱离下来的由BaTiO3无序微纳米颗粒31嵌埋于AlN透明介质32的复合膜取出干燥，即可得到基于钛酸钡（BaTiO3）无序微纳米颗粒31和氮化铝（AlN）透明介质32的自支撑物理不可克隆钥匙。

实施例3

如图5所示，这种自支撑物理不可克隆钥匙制备方法如下：

首先，以体积比2：1的正硅酸乙酯（TEOS）和乙醇为原料，在恒温磁力搅拌下慢慢滴入去离子水，再加入少量稀盐酸混合，形成溶胶，然后将粒径分布在60～3000nm、平均粒径为260nm的GaP、TiO2和BaTiO3微纳米颗粒按体积分数1：1混合进溶胶液中，进行搅拌分散；

然后，将混合溶胶液放入通风橱中陈化；

再次，利用浸拉法在0.5mm厚的氯化钠（NaCl）晶片上镀制30μm厚的溶胶凝胶，并在干燥箱中80℃下进行干燥；

再次，将样品放进去离子水中，将NaCl基底43溶解掉；

最后，将水中脱离下来的由GaP、TiO2和BaTiO3无序微纳米颗粒41嵌埋于SiO2透明介质42的复合膜取出干燥，即可得到基于磷化镓（GaP）、二氧化钛（TiO2）和钛酸钡（BaTiO3）混合物无序微纳米颗粒41及二氧化硅（SiO2）透明介质42的自支撑物理不可克隆钥匙。

Claims

1.一种自支撑物理不可克隆钥匙的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

首先，在基底上生长一层脱膜剂；

其次，在脱膜剂层上生长由无序微纳米颗粒（11）嵌埋于透明介质（12）形成的复合膜；

再次，采用溶剂将脱膜剂溶掉；

最后，将溶剂中脱离下来的复合膜取出干燥，得到自支撑物理不可克隆钥匙；

所述基底采用可溶性材料或不可溶性材料；其中，当基底采用可溶性材料时，基底做为脱膜剂。

2.根据权利要求1所述的自支撑物理不可克隆钥匙的制备方法，其特征在于：所述脱膜剂是可溶性材料。

3.根据权利要求1所述的自支撑物理不可克隆钥匙的制备方法，其特征在于：所述由无序微纳米颗粒（11）嵌埋于透明介质（12）形成的复合膜的制备方法如下：

第一种方法，将微纳米颗粒混合进可固化的透明液体中，进行搅拌分散，然后通过喷涂、旋涂或浸拉法生长到有脱膜剂的基底上，最后进行固化形成所述复合膜；

第二种方法，采用溶胶-凝胶法，先将微纳米颗粒与用来制备透明介质（12）的溶胶凝胶前驱液进行混合，然后通过喷涂、旋涂或浸拉法生长到有脱膜剂的基底上，凝胶得到所述复合膜；

第三种方法，将微纳米颗粒分散液直接喷涂或旋涂到生长脱膜剂的基底上，待微纳米颗粒分散液干燥后形成多孔结构，然后在其上采用化学气相沉积法或原子层沉积法生长透明介质（12），将孔隙填充，形成嵌埋结构的复合膜。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法制备得到的自支撑物理不可克隆钥匙，其特征在于：包括若干无序微纳米颗粒（11）和透明介质（12），若干无序微纳米颗粒（11）嵌埋于透明介质（12）中形成复合膜。

5.根据权利要求4所述的一种自支撑物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述的无序微纳米颗粒（11）是由折射率与透明介质（12）不同的微纳米颗粒材料构成；无序微纳米颗粒（11）的粒径大小使用波长的量级，分布在十分之一波长到十倍波长之间；所述无序微纳米颗粒（11）嵌埋于透明介质（12）中呈波长量级的折射率不均匀的空间分布，构成强散射结构。

6.根据权利要求4所述的一种自支撑物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述的无序微纳米颗粒（11）由单种材料、单种粒径、单种形状的微纳米颗粒混合构成。

7.根据权利要求4所述的一种自支撑物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述的无序微纳米颗粒（11）由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米颗粒混合构成。

8.根据权利要求4所述的一种自支撑物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述的透明介质（12）采用对使用波段透明的材料，厚度使用范围为：从一个使用波长到一千个使用波长。