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Die Erfindung betrifft einen Zeitmesser und ein Verfahren zur Ermittlung einer Zeitspanne.
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Stand der Technik
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Bekannte Techniken zur Zeitmessung ohne Energieversorgung basieren auf physikalischen Prozessen, die sehr lange Zeitkonstanten aufweisen. In „TARDIS: Time and Remanence Decay in SRAM to Implement Secure Protocols on Embedded Devices without Clocks" (Rahmati et al. (2012)) wird ein stromloser Zeitmesser beschrieben. Ein SRAM (Static random-acess memory) ist aus mehreren SRAM-Zellen aufgebaut. Eine SRAM-Zelle ist ein Speicher mit einer Speicherkapazität von 1 Bit, welche den Wert Eins oder Null annehmen kann. Die Speicherung erfolgt über eine Ladungsmenge, welche auf einer Kapazität zwischen zwei hintereinanderliegenden Inverterbauelementen gespeichert ist. Ohne eine Energieversorgung wird diese Kapazität langsam über Tunnelmechanismen entladen. Zur Zeitmessung wird eingangs eine Anzahl von SRAM-Zellen auf Eins gesetzt und anschließend die Energieversorgung abgestellt. Es wird der Datenverlust eines SRAM bei abgeschalteter Energieversorgung bestimmt. Hierzu werden zunächst die SRAM-Zellen gezählt, die eingangs auf den Wert Eins gesetzt wurden und beim Wiedereinschalten der Energieversorgung einen Wert von Null aufweisen. Anhand des Verhältnisses der Anzahl von SRAM-Zellen, die eingangs auf Eins gesetzt wurden, zu den beim Wiedereinschalten der Energieversorgung gezählten SRAM-Zellen mit Wert Null, lässt sich die Zeitspanne ermitteln, während derer die Energieversorgung abgeschaltet war.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem Zeitmesser und einem Verfahren zur Ermittlung einer Zeitspanne nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Zeitmesser für den Betrieb ohne Energieversorgung geeignet ist, da auch die Zeitspannen, in denen die Energieversorgung abgeschaltet ist, registriert werden.
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Dies wird erreicht mit einem Zeitmesser, umfassend eine Anordnung, die ihren Zustand zeitlich ändert und eine Auswerteeinheit, in der ein Bezugszustand hinterlegt ist, wobei die Anordnung eine Struktur umfasst, deren elektrischer Widerstand sich zeitlich ändert und die Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Zeitspanne durch Vergleich eines den elektrischen Widerstand der Struktur repräsentierenden Wertes, zum Beispiel einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms, mit dem Bezugszustand vorgesehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Zeitmesser eine Länge auf und entlang dieser Länge ist mindestens ein erster Abgriff angeordnet, der mit der Auswerteeinheit verbunden sind. Dadurch lässt sich eine diskrete Zeitmessung realisieren. Ein Vorteil ist, dass somit die Zeitschritte der Zeitmessung einstellbar sind und die diskrete Zeitmessung einfacher als eine kontinuierliche Zeitmessung in der Auswerteinheit implementiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Struktur mäanderförmig ausgeführt, sodass die Struktur platzsparend auf einem Träger, beispielsweise auf einem Chip, angeordnet werden kann.
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Insbesondere wird die Struktur aus einem degenerierenden Material ausgebildet. Durch die Degeneration der Struktur ändert sich der elektrische Widerstand der Struktur, der ein Maß für die Zeitspanne ist. Da die Degeneration der Struktur auch ohne Energieversorgung erfolgt, registriert der erfindungsgemäße Zeitmesser auch Zeitspannen, in denen die Energieversorgung abgeschaltet ist. Ein Vorteil ist, dass durch eine Unterbrechung der Energieversorgung die Zeitmessung fortgesetzt wird, sodass die Sicherheit von Systemen erhöht wird, die eine von der Energieversorgung weitestgehend unabhängige, stabile Zeitmessung benötigen.
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In einer Ausführungsform erfolgen die Degeneration und die damit verbundene Änderung des elektrischen Widerstands der Struktur aufgrund eines chemischen Prozesses. Vorteilhafterweise setzt sich der chemische Prozess nach seinem Start selbstständig fort, sodass keine zusätzlichen Hilfsmittel, wie beispielsweise eine Energieversorgung, für die Degeneration der Struktur benötigt werden.
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Insbesondere kann es sich bei dem chemischen Prozess um eine Oxidationsreaktion handeln. Abhängig vom Material, aus dem die Struktur gefertigt ist, erfolgt eine Oxidationsreaktion bereits, wenn die Struktur der Umgebungsluft ausgesetzt wird, sodass vorteilhafterweise keine zusätzlichen Reaktanten für den chemischen Prozess bereitgestellt werden müssen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Anordnung des erfindungsgemäßen Zeitmessers eine zweite Struktur, deren elektrischer Widerstand sich zeitlich ändert, wobei die zweite Struktur einen zweiten Temperaturkoeffizienten aufweist, der von einem ersten Temperaturkoeffizienten der Struktur abweicht, die Auswerteeinheit zur Ermittlung des elektrischen Widerstands der Struktur und eines zweiten elektrischen Widerstands der zweiten Struktur ausgebildet ist und die Auswerteeinheit zur Ermittlung der Zeitspanne unter Berücksichtigung des ersten Temperaturkoeffizienten und des zweiten Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist. Die Degeneration der Struktur und folglich die zeitliche Änderung des elektrischen Widerstands hängen von einer Reaktionsgeschwindigkeit eines Prozesses ab, der die Degeneration der Struktur hervorruft. Der erste Temperaturkoeffizient ist ein Temperaturkoeffizient der Reaktionsgeschwindigkeit. Dieser ist ein Maß dafür, wie schnell die Degeneration der Struktur erfolgt. Der zweite Temperaturkoeffizient ist ein vom ersten Temperaturkoeffizienten abweichender Temperaturkoeffizient der Reaktionsgeschwindigkeit, der ein Maß dafür ist, wie schnell die Degeneration der zweiten Struktur erfolgt. Die Reaktionsgeschwindigkeit gibt an, wie viele Teilchen pro Zeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden. Im Allgemeinen ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig. Diese Abhängigkeit wird durch den Temperaturkoeffizienten der Reaktionsgeschwindigkeit beschrieben. Der Temperaturkoeffizient der Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst maßgeblich den Ablauf der chemischen Reaktion. Daher hängt die Degeneration der Struktur und folglich die zeitliche Änderung des elektrischen Widerstands von der Temperatur ab, sodass eine veränderte Temperatur zu einem Fehler in der Zeitmessung führt. In dieser Ausführungsform umfasst die Anordnung die zweite Struktur mit dem zweiten Temperaturkoeffizienten. Die Berücksichtigung beider Strukturen ermöglicht es vorteilhafterweise, die Zeitspanne unabhängig von der Temperatur zu messen, das heißt eine Temperaturkompensation vorzunehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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Es zeigen
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1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Zeitmessers,
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2a eine Draufsicht auf eine Struktur, deren elektrischer Widerstand sich zeitlich ändert, mit einem ersten Abgriff und einem zweiten Abgriff, die äquidistant auf der Struktur angeordnet sind und die mit einer Auswerteinheit verbunden sind,
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2b eine Draufsicht auf eine Struktur, deren elektrischer Widerstand sich zeitlich ändert, mit einem ersten Abgriff, einem zweiten Abgriff und weiteren Abgriffen, die unterschiedlich beabstandet auf der Struktur aufgebracht sind und mit einer Auswerteinheit verbunden sind,
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3 eine Draufsicht auf eine mäanderförmige Struktur, deren elektrischer Widerstand sich zeitlich ändert, mit einem ersten Abgriff und einem zweiten Abgriff, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind und
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4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Zeitmessers mit Temperaturkompensation, der eine Struktur und eine zweite Struktur umfasst.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Zeitmessers. Eine Zeitspanne t beschreibt die zwischen einem Anfangszeitpunkt und einem Endzeitpunkt verstrichene Zeit. Mithilfe eines bekannten Anfangszeitpunkts, der in einem Speicher der Auswerteinheit 2, beispielsweise in Form einer Uhrzeit, hinterlegt ist, kann aus der ermittelten Zeitspanne t der Endzeitpunkt angegeben werden, beispielsweise in Form einer Uhrzeit. Ein erfindungsgemäßer Zeitmesser 8 wird durch eine Anordnung 1, die eine Struktur 4 aus einem degenerierenden Material umfasst, deren Zustand sich mit der Zeit ändert und eine Auswerteeinheit 2 gebildet. Der Zustand der Struktur 4, der sich zeitlich ändert, ist ein elektrischer Widerstand der Struktur 4. Ein Bezugszustand 3 ist in der Auswerteeinheit 2 hinterlegt. Als Bezugszustand 3 ist ein den elektrischen Widerstand der Struktur 4 zum Anfangszeitpunkt repräsentierender Wert gespeichert. Die Änderung des elektrischen Widerstands der Struktur 4 infolge der Degeneration ist ein Maß für die verstrichene Zeit. In einer Kalibriermessung wird der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand der Struktur 4 und der verstrichenen Zeit bestimmt und als Kennlinie in der Auswerteeinheit 2 hinterlegt. Anhand der Differenz des elektrischen Widerstandes der Struktur 4 und dem im Bezugszustand 3 gespeicherten elektrischen Widerstand ergibt sich unter Zuhilfenahme der in der Auswerteeinheit 2 hinterlegten Kennlinie die Zeitspanne t. Wird die Zeitspanne t zum Anfangszeitpunkt, der beispielsweise durch eine Uhrzeit gegeben sein kann, hinzuaddiert, dann entspricht der so ermittelte Zeitpunkt dem Endzeitpunkt in Form einer Uhrzeit.
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Eine Messung des elektrischen Widerstands der gesamten Struktur 4 zeigt, dass sich der Wert des elektrischen Widerstands der Struktur 4 mit dem Verstreichen der Zeit kontinuierlich ändert. Die Werte des elektrischen Widerstands lassen sich mittels der Kennlinie in der Auswerteinheit 2 jeweils einer Zeit zuordnen. Hierbei kann die Degeneration der Struktur 4 sowohl gleichmäßig auf der gesamten Struktur 4 stattfinden, als auch sich zeitlich über die Struktur 4 ausbreiten.
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2a zeigt den erfindungsgemäßen Zeitmesser 8, der eine diskrete Ermittlung der Zeitspanne t ermöglicht. Die Struktur 4 weist eine Ausdehnung parallel zur x-Achse auf. Diese Ausdehnung parallel zur x-Achse bezeichnet die Länge der Struktur 4. Eine Breite der Struktur 4 ist durch die Ausdehnung parallel zur y-Achse gegeben. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Breite der Struktur 4 kleiner als die Länge der Struktur 4. Auf der Struktur 4 ist ein erster Abgriff 5 angeordnet. In einem Abstand zum ersten Abgriff 5 entlang der Länge ist ein zweiter Abgriff 6 aufgebracht. Die beiden Abgriffe sind mit der Auswerteeinheit 2 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Abstand zwischen dem ersten Abgriff 5 zu einem ihm in x-Richtung näher liegenden ersten Ende 10, der Abstand zwischen dem zweiten Abgriff 6 und einem ihm in x-Richtung näher liegenden zweiten Ende 11 der Struktur 4 und der Abstand zwischen den Abgriffen 5, 6 gleich gewählt. Die beiden Abgriffe 5, 6 teilen die Länge der Struktur 4 somit in drei gleichgroße Teilstücke 4a, 4b, 4c auf, das erste Teilstück 4a, das zweite Teilstück 4b und das dritte Teilstück 4c.
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Der elektrische Widerstand der Struktur 4 ändert sich zeitlich. Er kann beispielsweise mit einer Spannungsmessung oder einer Strommessung bestimmt werden. Ein elektrischer Strom und eine elektrische Spannung sind über den elektrischen Widerstand miteinander verbunden. Daher wird zur Bestimmung des elektrischen Widerstands entweder ein bekannter elektrischer Strom oder eine bekannte elektrische Spannung an den elektrischen Widerstand angelegt und eine resultierende elektrische Spannung, die über dem elektrischen Widerstand abfällt oder ein resultierender elektrischer Strom, der durch den elektrischen Widerstand fließt, gemessen.
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Die Struktur 4 des erfindungsgemäßen Zeitmessers 8 wird aus einem degenerierenden Material ausgebildet. Diese kann beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Silicium, Lithium oder Ähnlichem ausgebildet sein. Da die Oxidation hauptsächlich an der Oberfläche stattfindet, kann das Verhältnis Volumen zu Oberfläche durch verschiedene Bearbeitungsschritte vorteilhaft optimiert werden. Beispielsweise kann durch Aufdünnung oder Herstellung einer porösen Schicht das Verhältnis Volumen zu Oberfläche verbessert werden. Die Degeneration erfolgt insbesondere aufgrund eines chemischen Prozesses, wie beispielsweise einer Oxidation. In einer Ausführungsform wird an dem ersten Ende 10 der Struktur 4 ein Bildungszentrum ausgebildet. Von dem Bildungszentrum ausgehend degeneriert die Struktur 4 zeitlich entlang der Länge, beispielsweise durch einen chemischen Prozess bedingt. Somit degenerieren zeitlich gesehen zuerst das erste Teilstück 4a und nachfolgend zunächst das zweite Teilstück 4b und dann das dritte Teilstück 4c. Zum Anfangszeitpunkt wird zum einen der elektrische Widerstand der gesamten Struktur 4 bestimmt, indem die elektrische Spannung zwischen dem ersten Ende 10 und Masse gemessen wird, zum anderen wird die elektrische Spannung zwischen dem ersten Abgriff 5 und Masse, sowie zwischen dem zweiten Abgriff 6 und Masse gemessen. Diese elektrischen Spannungen, die zum Anfangszeitpunkt gemessen werden, werden als Bezugszustand 3 gespeichert. Masse bezeichnet das gemeinsame Bezugspotential bezüglich dessen die elektrischen Spannungen gemessen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das zweite Ende 11 der Struktur 4 mit Masse verbunden. Um die Zeitspanne t zu ermitteln, wird zum Endzeitpunkt die elektrische Spannung zwischen dem ersten Ende 10 und Masse, zwischen dem ersten Abgriff 5 und Masse, sowie zwischen dem zweiten Abgriff 6 und Masse gemessen. Mittels der Spannungsmessung und der damit indirekt erfolgten Messung des elektrischen Widerstands für jedes Teilstück 4a, 4b, 4c, wird in der Auswerteeinheit 2 ein Zustand für jedes Teilstück 4a, 4b, 4c bestimmt. Die zwei möglichen Zustände eines Teilstücks 4a, 4b, 4c sind „degeneriert“ oder „nicht degeneriert“. Um diese Einteilung vorzunehmen wird ein Schwellwert für den elektrischen Widerstand festgelegt, der regelt, bis zu welchem Grad eine teilweise Degeneration eines Teilstücks 4a, 4b, 4c als „degeneriert“ gewertet wird. Anhand einer bekannten Reaktionsgeschwindigkeit der Degeneration lässt sich ein Fortschritt der Degeneration entlang der Länge der Struktur 4 der Zeit zuordnen, die seit dem Anfangszeitpunkt verstrichen ist. Ist beispielsweise nur das erste Teilstück 4a degeneriert, sodass der Schwellwert überschritten wird, so zeigt die elektrische Spannung, die zu diesem Zeitpunkt zwischen dem ersten Ende 10 und Masse auftritt, bei gleichem elektrischem Strom einen veränderten Wert an. Denn der elektrische Widerstand der Struktur 4 ändert sich aufgrund der Degeneration. Die elektrischen Spannungen am ersten Abgriff 5 und am zweiten Abgriff 6 stimmen mit den zum Anfangszeitpunkt an den Abgriffen 5, 6 gemessenen elektrischen Spannungen überein, wenn der eingeprägte elektrische Strom nicht verändert wurde. Denn der elektrische Widerstand der Teilstücke 4b, 4c hat sich noch nicht aufgrund der zeitlichen Degeneration der Struktur 4 geändert. Anhand des Schwellwertes wird festgestellt, dass das erste Teilstück 4a den Zustand „degeneriert“ aufweist und die anderen Teilstücke 4b, 4c noch im Zustand „nicht degeneriert“ sind. In der Auswerteeinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kennlinie hinterlegt. Diese beschreibt eine Zuordnung zwischen der Anzahl degenerierter Teilstücke 4a, 4b, 4c und der verstrichenen Zeit. Durch die Anzahl der Teilstücke 4a, 4b, 4c sowie durch die Auflösung des Wandlers ergibt sich die erreichbare Auflösung der Zeiteinteilung. Bei einer Anordnung, welche für die komplette Degeneration 10 Jahre benötigt, erlaubt bei einer Messeinrichtung mit einer Auflösung von 16 Bit eine Auflösung im Bereich von 1,3 Stunden. Durch die Verwendung von 256 Teilstücken bei gleichzeitiger Beibehaltung der Wandlerauflösung kann diese auf rund 18 Sekunden erhöht werden. Mithilfe der gewählten Anzahl an Abgriffen 5, 6, den Abmessungen der Struktur 4, sowie dem Abstand der Abgriffe 5, 6, lässt sich die Feinheit der diskreten Zeitmessung einstellen. Ein Zeitschritt der diskreten Zeitmessung ist durch die Zeit gegeben, die eines der Teilstücke 4a, 4b, 4c benötigt, um den Zustand „degeneriert“ anzunehmen. Die Ungenauigkeit der Zeitmessung ist zum einen durch die Zeit gegeben, während derer dem Teilstück 4a, 4b, 4c der Zustand „nicht degeneriert“ zugeordnet wird bevor es den Schwellwert erreicht. Zum anderen hängt sie von der Zeit ab, die das Teilstück 4a, 4b, 4c vom Erreichen des Schwellwerts und somit des Zustands „degeneriert“ zur vollständigen Degeneration benötigt.
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2b zeigt einen erfindungsgemäßen Zeitmesser 8, der aus 2a bekannt ist. Lediglich die Positionierung des ersten Abgriffs 5, des zweiten Abgriffs 6, und weiterer Abgriffe 7 auf der Struktur 4 und die Anzahl der Abgriffe weichen von denen in 2a ab. In diesem Ausführungsbeispiel sind insgesamt fünf Abgriffe 5, 6, 7 auf der Struktur angeordnet, wobei drei davon die weiteren Abgriffe 7 bilden. Die Abgriffe 5, 6, 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht äquidistant angeordnet. Bei Annäherung an das zweite Ende 11 werden die weiteren Abgriffe 7 zunehmend dichter beieinander angeordnet. Sofern die Degeneration linear mit der Zeit fortschreitet, lassen sich somit im Bereich langer Zeiten kleinere Zeitschritte realisieren als bei kurzen Zeiten. Falls die Degeneration nicht linear mit der Zeit entlang der Struktur 4 fortschreitet, lassen sich somit gleichgroße Zeitschritte realisieren.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Zeitmesser 8, wobei hier die Struktur 4 mäanderförmig ausgebildet und somit platzsparend angeordnet werden kann. Auf der mäanderförmigen Struktur sind ein erster Abgriff 5 und ein zweiter Abgriff 6 angeordnet, die wie in 2a und 2b beschrieben für eine diskrete Zeitmessung verwendet werden. In diesem Fall ist der erste Abgriff in einer ersten Biegung nach dem ersten Ende 10 angeordnet. Die Struktur 4 macht eine weitere Biegung. An der darauffolgenden Biegung ist der zweite Abgriff 6 angeordnet. Alternativ ist auch eine kontinuierliche Zeitmessung möglich, wie sie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. In diesem Fall kann auf das Anbringen des ersten Abgriffs 5, des zweiten Abgriffs 6 und weiterer Abgriffe 7 verzichtet werden.
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Zeitmesser
8, der die Struktur
4 und eine zweite Struktur
9, deren elektrischer Widerstand sich zeitlich ändert, umfasst. Der sich zeitlich ändernde elektrische Widerstand der zweiten Struktur
9 wird im Folgenden als zweiter elektrischer Widerstand bezeichnet. Die zweite Struktur
9 ist aus einem degenerierenden Material ausgebildet, insbesondere ist sie in einer Ausführungsform analog zur Struktur
4 in einer der Abbildungen
2a,
2b oder
3 ausgeführt. Die zweite Struktur
9 weist einen zweiten Temperaturkoeffizienten auf, der von einem ersten Temperaturkoeffizienten der Struktur
4 abweicht. Im Allgemeinen ist die Reaktionsgeschwindigkeit, mit der die zeitliche Degeneration der Strukturen
4,
9 erfolgt, von der Temperatur abhängig. Diese Abhängigkeit wird durch den jeweiligen Temperaturkoeffizienten bzw. durch eine Aktivierungsenergie E
A beschrieben. Die Geschwindigkeit der Degeneration ist proportional zu
Die temperaturkompensierte Zeitspanne t kann dann aus der Degeneration zweier Strukturen beispielsweise dadurch berechnet werden, dass die Differenz der Degeneration beider Strukturen durch das Verhältnis der beiden dividiert wird. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können weitere Strukturen mit jeweils verschiedenen Temperaturkoeffizienten zur Temperaturkompensation hinzugefügt werden.
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Der erfindungsgemäße Zeitmesser 8 kann im Bereich der Sicherheitstechnik verwendet werden. Zudem eignet sich der erfindungsgemäße Zeitmesser 8 dazu auf einem Chip angeordnet zu werden und beispielsweise als Trusted Platform Module (TPM) in einen Computer oder ein ähnliches Gerät integriert zu werden. Die Degeneration der Struktur 4, 9 ist irreveresibel und erlaubt somit beispielsweise die sichere Überprüfung des Verfallsdatums von Verschlüsselungszertifikaten in einem TPM Modul.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „TARDIS: Time and Remanence Decay in SRAM to Implement Secure Protocols on Embedded Devices without Clocks“ (Rahmati et al. (2012)) [0002]
