体现物理不可克隆功能的产品

摘要

本发明涉及一种体现PUF的产品。公开一种用于制造一种用于制造这样的产品的方法，该方法依赖于具有一个表面的材料，该表面具有“有确定性的”粗糙部。该方法还使用颗粒，这些颗粒的尺度比如被设定用于能够由表面的粗糙部俘获。一般而言，该方法包括使颗粒(20)能够在材料表面(12)上随机沉积并且变成由材料表面的粗糙部(14)俘获，以获得形成PUF的图案。使所得PUF更易于读出，因为颗粒的主要图案和位置是已知的。仅(给定的类型的)颗粒的填充水平是随机的。

说明书

技术领域

本发明主要地涉及物理不可克隆功能以及制造和/或挑战体现 这样的功能的产品的方法的领域。

背景技术

物理不可克隆功能(也称为物理上不可克隆功能，或者简称为 PUF)是在物理结构中体现的功能，其易于评估但是难以完全表征， 例如参见维基百科的细致介绍 (http://en.wikipedia.org/wiki/Physically_unclonable_function)。在90 年代早期就使用该概念，例如参见EP0583709(A1)。通常，包含PUF 的结构具有在制造结构期间引入的不能完全控制的随机成分。因此， 当向体现PUF的结构施加物理刺激(挑战)时，获得由于所述随机 成分而不能完全预测的结果(响应)。然而这一结果(理想地无限) 可再现。因此，给定的挑战和它的响应一起形成唯一挑战-响应对。 例如入射光线可以挑战破裂或者粗糙表面从而产生唯一散射图案。 用实质上相同过程制造的两个PUF将拥有相异挑战-响应行为。这归 因于挑战与结构的随机成分的复杂相互作用。认为对这一相互作用 确切地建模在实践中不可能。PUF因而视为不可克隆。

可以依赖于随机性的不同来源。就这一点而言，可以在其中引 入非固有随机性的PUF与使用物理系统的固有随机性的PUF之间进 行区分。

例如微电子半导体芯片以它们的具体电子特性中的、由于它们 的制作过程中的少量变化所致的固有随机性为特征，例如硅PUF利 用接线和门的延迟的固有随机变化。优点是按比例缩减和IC集成可 能性。典型长期漂移和读取可再现性更成问题。

使用非固有随机性的PUF的例子是光学PUF和涂层PUF。可 以例如从光散射颗粒掺杂的透明材料获得光学PUF。当照射材料时， 产生随机和唯一散射图案，例如参见R.Pappu、B.Recht、J.Taylor和 N.Gershenfeld在2002年9月在Science，297(5589)：2026-2030上的 Physical One-Way functions. http://dx.doi.org/10.1126/science.1074376。

涂层PUF也是已知的；可以通过用电介质颗粒随机掺杂的不 透明材料填充梳形结构限定的空间例如在IC的顶层中构建它们，例 如参见B.Skoric、S.Maubach、T.Kevenaar和P.Tuyls于2006年7月 在J.Appl.Phys.，100(2)：024902上的Information-theoretic analysis of  capacitive physical unclonable functions. http://dx.doi.org/10.1063/1.2209532。

一般而言，非固有PUF允许允许高可再现性和易于读取，但 是经常难以并入标记并且尺寸可缩放性有限。

在上述情况中的每个情况下，将固有或者非固有随机性运用于 创建具有相应唯一挑战-响应对的PUF。这样的功能例如对于在防伪 和密码应用中的使用是重要的。遗憾的是，PUF的随机性成分可能 随时间漂移或者退化。

更一般而言，由于随时间的退化或者漂移和/或某一固有困难 而使得读出PUF困难。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种用于制造产品的方法，该产 品体现物理不可克隆功能或者PUF，该方法包括以下步骤：提供具 有一个表面的材料，该表面具有确定性的粗糙部和在所述粗糙部可 俘获的颗粒；并且使颗粒能够在表面上随机沉积并且在所述粗糙部 被俘获，以比如获得PUF。

在其它一些实施例中，该方法可以包括以下特征中的一个或者 多个特征：

-提供包括提供颗粒作为液体中的胶质悬浮物，液体优选为 水；并且使颗粒能够随机沉积包括向具有粗糙部的表面涂敷液体；

-选择提供的材料的表面粗糙部、颗粒和液体使得颗粒在表面 受到毛细力，颗粒和粗糙部二者的特征尺度优选为微米级；

-使颗粒能够随机沉积还包括：通过用盖维持液体的层与具有 粗糙部的表面相抵来向表面涂敷液体，其中在表面与盖的一边之间 限定液体的弯月面；并且根据液体在限定的弯月面的水平面的挥发 速率移动盖或者表面，液体优选地被加热；

-提供的液体还包括影响弯月面在表面形成的接触角度的表 面活性剂；

-提供包括提供不同类型的颗粒，并且不同类型的颗粒优选地 具有不同相应颜色；

-提供包括提供具有预处理的表面粗糙部的材料；

-提供的有确定性的表面粗糙部形成2D阵列；

-提供的有确定性的表面粗糙部形成打开拐角的阵列；

-提供的颗粒是珠，每个珠包括荧光染料，并且其中颗粒优选 为聚苯乙烯珠；

-本发明的方法还包括以下先前步骤：在模具中模制预聚物并 且聚合预聚物以形成具有表面粗糙部的材料，该材料优选为PDMS；

-本发明的方法还包括以下步骤：固定沉积的颗粒；并且

-提供的材料的表面具有粗糙部集合，粗糙部集合被设计使得 集合的俘获有颗粒的粗糙部在照射时产生与集合的未俘获有颗粒的 粗糙部产生的散射图案基本上不同的散射图案。本发明根据另一方 面还涉及一种体现PUF的产品，该产品根据本发明的方法的实施例 的方法来获得。

根据最后一个方面，本发明也涉及一种执行对根据本发明的产 品的挑战-响应评估的方法，该方法包括以下步骤：提供根据本发明 的产品；刺激产品的具有在表面的有确定性的粗糙部中沉积的颗粒 的表面以获得响应；并且根据有确定性的粗糙部读取响应。

现在将通过非限制例子并且参照附图描述体现本发明的产品 和方法。

附图说明

-图1示意地图示了本发明的一个实施例中的用于制造体现 PUF的产品的方法；

-图2是一个实施例中的用于实施例如图1的方法和相应地获 得的PUF的挑战-响应评估二者的实验设置的视图；

-图3是根据一个实施例的在水中悬浮并且在PDMS表面上 沉积的～1μm聚苯乙烯颗粒的显微视图；

-图4是示出根据一个实施例的在拐角阵列中沉积和俘获的 荧光聚苯乙烯球体的光学亮场显微图像；

-图5是针对图4的沉积的聚苯乙烯球体获得的荧光显微图像 (通道叠加)的灰度版本的底片；

-图6示意地描绘如在实施例中获得的PUF，该PUF被入射 光线挑战并且产生唯一散射图案；并且

-图7图示模制预聚物并且聚合它以形成具有用于实施图1或 者图2的方法的适当表面的材料的步骤。

具体实施方式

作为以下描述的引言，首先指出本发明的主要方面，这些主要 方面涉及体现PUF的产品。一种用于制造这样的产品的方法首先并 且主要依赖于具有一个表面的材料，该表面具有“有确定性的”粗糙 部(asperity)，即由先前事件或者自然法则因果性地确定。该方法 还使用颗粒，这些颗粒被配置成使得它们可以在表面的粗糙部被俘 获。一般而言，所述方法使颗粒能够在材料表面的粗糙部上随机沉 积并且变成在这些粗糙部被俘获以比如获得形成PUF的图案化的材 料表面。如可以认识的那样，使所得PUF由于具有的对表面的(部 分)了解、也就是其确定性的方面而更易于读出。例如颗粒的主要 图案和位置可以预先已知，并且仅(给定的类型的)颗粒的填充水 平是随机的。

在图1中图示这样的方法的例子。首先，该方法包括提供具有 一个表面12的材料10，比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，表面12 具有确定性的粗糙部14。还提供颗粒20(比如聚苯乙烯(PS)珠) 例如作为胶质悬浮物。选择这样的颗粒使得可以在所示粗糙部俘获 它们。通常，它们的特征尺度如在图1中的放大图中所示少于粗糙 部的特征尺度或者在粗糙部的特征尺度这一级。然后允许颗粒在表 面12的粗糙部14中的一些粗糙部上随机沉积S40并且在这些粗糙 部被俘获S50。相应地获得的沉积的颗粒的图案形成PUF。如指出 的那样，这一图案部分地有确定性，而颗粒的占据概率保持随机成 分。

也如上文回顾的那样，优选地提供颗粒作为液体30(例如水) 中的胶质悬浮物。因此容易通过向表面涂敷S20液体来使颗粒能够 在表面上随机沉积。颗粒在液体中的随机分布保证最后随机填充。 更少实际的变体可以包括机械地分配，例如向表面粗糙部溅射颗粒。

优选地，选择颗粒和液体使得颗粒在沉积期间在表面受到毛细 力(如图1中的F_c所示)。就这一点而言，颗粒和粗糙部的特征尺 度通常在微米级。因而毛细力可以部分地辅助在粗糙部俘获颗粒。 在一些变体中，颗粒变成通过它们的动量来被俘获。在其它一些变 体中，粗糙部比对颗粒的相应构造允许颗粒在粗糙部被俘获。颗粒 可以实际上略大于讨论的颗粒，例如表面中的孔，只要它们可变形 并且它们在到达粗糙部时具有充分动量或者向它们施加充分力，例 如毛细力。在下文优选并且假设后一种场景。

就这一点而言，一种用于实现毛细作用辅助的沉积过程是通过 用盖40维持液体的层30与表面相抵来向表面12涂敷液体30。弯月 面32将相应地形成于表面12与盖40的一个边缘41之间。弯月面 是空气-液体界面，液体可能在该界面(步骤S30)处在实验的几何 和热力条件确定的速率挥发(步骤S30)，从而又引起弯月面缩回。 如在图1中的放大图中所示，这一弯月面32还在缩回时对接近界面 的颗粒施加压力(例如参见Malaquin et al.，Langmuir2007，23， 11513)，由此使颗粒变成在粗糙部被俘获。

令人感兴趣的是，毛细力和一旦俘获颗粒就产生的限制力二者 是强大的和短范围的。因而它们至少在比如图1的背景这样的背景 中产生沉积颗粒的高度地准确的图案。如在图1的放大图中所示， 毛细力在短时间段(即与弯月面在缩回时的毛细分解对应的时间段) 期间作用。

还可以通过适当调节弯月面在表面的接触角度、例如通过选择 方便的液体和/或表面活性剂来实现更佳性能。表面活性剂是表面活 跃分子。在低浓度时，表面活性剂分子很可能驻留于空气-水界面， 它们在该界面处减少表面张力。在达到CMC(临界胶束浓度)时， 它们还开始形成胶束。表面分子通常具有亲水头基和疏水尾基(长 烷基链)。亲水头基可以是阳离子、阴离子或者非离子。是否将使 用离子(和哪种电荷)或者非离子表面活性剂可以依赖于胶质系统。 应当优选地选择表面活性剂以免引起胶态颗粒的凝聚和沉淀。表面 活性剂混合物有时是有利的。有用浓度主要在mM范围中，但是可 以显著变化。使用表面活性剂，可以朝着更小值调节接触角度，从 而如图所示，向表面上的弯月面投影尽可能大并且对应力具有竖直 向下分量。

试错过程可以调整颗粒和粗糙部的相对尺度、液体中的颗粒浓 度、颗粒和液体的性质。下文给出适当颗粒。

遵循这一原理，可以通过根据液体在弯月面32的水平面的挥 发速率移动盖(步骤S20)或者表面来图案化整个表面12。就这一 点而言，图3示出在图案化的PDMS表面上沉积的颗粒的显微视图。 这里，颗粒是在水中悬浮的～1μmPS颗粒。已经在阵列16上沉积的 颗粒20在弯月面32的左侧上可见。在右侧上，颗粒仍然悬浮于水 30中。

注意可以通过在操作期间加热液体来辅助该过程，以便加速该 过程。

有利地，使用的颗粒为不同类型，从而允许可以以后在挑战步 骤期间利用的不同随机性轴。例如颗粒可以具有不同颜色。因此， 给定的颜色的颗粒随机填充粗糙部(粗糙部无颜色选择性)。

图2描绘了毛细作用辅助的颗粒组装工具，其允许实施比如上 文描述的方法。这一工具包括：

-步进器马达61，用于驱动机动平移台62；

-在台62上面是用于热辅助该过程的具有流体输入63’和输出 63”的换热器63；

-还提供珀耳帖(Peltier)元件64，即从器件的一侧向另一侧 传热的固态热泵；

-在珀耳帖元件上放置待图案化的材料10，而如参照图1描述 的那样在上面涂敷胶态悬浮物20、30，并且通过盖40(即仅限制滑 动件)维持胶态悬浮物20、30。引导的滑动保持器(未示出)允许 移动盖。

-还可以提供光学显微镜65用于监视过程以及提供相机66(用 于测量接触角度)。

在一个具体实施例中，如图4中所示，通过向粗糙部阵列16 中毛细沉积-1μm荧光珠来制作PUF，这些粗糙部是在上面打开的拐 角17。与晶格相似的其它类型的阵列/粗糙部可以用于毛细沉积。拐 角阵列具有给定的间距和图案，例如具有平移矢量a的方格而 |a|≈10μm。还可以调节|a|以优化后续散射图案(例如最小化在读取时 的串扰)。用于毛细组件的胶体包含不同(荧光)颜色的珠的混合 物。可以设计珠向粗糙部中的沉积以获得高产量。然而它对于珠的 颜色无选择性。因此如图5中所示，沉积产生不同颜色的珠在模板 上的随机放置。所得珠阵列不可克隆，因为珠太小而无法大量和在 可承受的时间内“人工”放置。

如图6中所示，通过例如UV/V照射珠阵列来执行挑战步骤， 其中每个珠通过发射它的对应荧光颜色来做出响应。这样的表征技 术本身已知：基本上，照射图案化的表面(S100)以获得散射图案， 任何适当相机收集该散射图案(步骤S110)。获得的有色斑图案实 质上不可克隆。这一PUF易于读出(步骤S120)，因为珠的图案和 位置已知。仅珠的颜色在情况下随机(假设填充个概率为～1)。现 在由于通过模板确定珠位置，所以可以在挑战步骤内方便地插入固 定特征，比如协调栅格或者对准特征以帮助自动识别，步骤120。换 而言之，所述“固定特征”反映粗糙部的确定性的性质。更一般而言， 应当刺激产品的图案化的表面以比如获得唯一响应，可以根据前文 回顾的挑战-响应原理读取该唯一响应。在当前情况下，可以由于具 有的对表面的部分了解、即由于其确定性的方面而有助于读出响应。 如前所述，可以有利地利用固定特征(比如协调栅格或者对准特征) 以帮助自动识别，由此有助于解释响应。例如可以使用如下特征， 比如如从标准平版印刷应用中已知的对准特征。小型化的标志和代 码(例如场编号、坐标、...)也是可能的。这将例如对于依赖于表 面破裂的基于玻璃的PUF而言是不可能的。基于例如光散射的挑战- 响应评估过程另外一般本身已知。

在一种变体中，也可以通过基于预定义图案(比如阵列)实现 向表面上随机沉积珠来产生PUF，该表面的粗糙部无确定性或者比 上述颗粒中更少确定性。例如可以在某一程度上(例如统计地)确 定表面的特征(例如缺陷)。然而，挑战/响应可能在这样的情况下 更成问题。即在低珠密度/浓度时，珠将产生少量响应(这需要更大 面积和/或更长读出时间)，而在高浓度时，它们可能沉积为相互接 近，这使读出更困难或者甚至不可能(串扰)。因此，可以理解， 便利的表面应当具有合理预定义粗糙部。一种实际解决方案是依赖 于预处理的表面或者赋予优选部位的表面，该表面产生沉积的颗粒 的预定图案(即提供超出俘获部位的仅随机位置的排序直径)。

在实现本发明的实施例时主要寻求以下优点：

-光学读取和扫描实质上有确定性，这与统计性的与半导体有 关的PUF相反。

-认为随时间的退化较低，实质上没有如在与半导体有关的 PUF中那样的漂移。

-附带提一点，可以通过压缩成更少但是可靠的可重建核心位 的纠错代码来增强读取。

作为附加安全特征，组装部位的图案可以被设计用于在用光源 (例如激光)照射时产生特性颜色图案。可以以空部位和填充部位 产生不同图案这样的方式设计组装部位。这继而可以用来验证是否 已经组装珠而不是仅荧光墨产生控制图像。另外，可以用发射唯一 (指纹)光谱的量子点阵修改颗粒。

优选地，如前文回顾的那样，通过毛细组装将1μm直径的荧 光(红色、绿色和蓝色)聚苯乙烯(PS)珠组装到2μm长度、1μm 直径和～1μm高度的拐角中。拐角图案确定珠的位置，但是组装过程 对于珠的颜色无选择性。因此可以产生随机颜色图案。

可以如图7中所示从聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚合物抗 蚀剂中的结构化硅主材(master)(通过纳米压印平版印刷)模制拐 角图案。例如，可以在聚合(S12)和提取(S14)PDMS预聚物10’ 之前，在模具5中模制(步骤S10-S12)该预聚物。这样的模制技术 本身已知。聚合形式提供用于如上文描述的那样制造PUF的适当材 料。可以另外使用可用任何种类的平版印刷或者模制方法的任何材 料(聚合物、玻璃、半导体、金属、金属氧化物)来形成拐角图案。 然后可以应用对这样的材料的表面处理，以实现毛细组件的必需润 湿性质。

在毛细沉积之后，单个PS珠理想地驻留于每个拐角中，见图 4。可以在荧光显微镜之下观察珠的荧光颜色20’、20”和20”’(如 图5中所示，其中表现灰度图像的底片)。附带提一点，使用三种 颜色(RGB荧光)和仅100个组装部位已经产生5.15378 10⁴⁷个备选 组件(假设每个部位一个颗粒)。代之以依赖于单个类型的颗粒、 但是调节沉积过程以达到¹/₂的填充概率产生1.26765×10³⁰个备选配 置。

在颗粒沉积步骤之后可以是用于固定颗粒(例如涂敷光学上不 活跃的附加层)的任何常规步骤。

最后，本发明涉及一种体现PUF的产品，其中根据上文讨论 的方法中的任何方法获得产品。

尽管已经参照某些实施例描述本发明，但是本领域技术人员将 理解可以做出各种改变并且可以替换为等效物而未脱离本发明的范 围。此外，可以做出许多修改以使特定情形或者材料适应本发明的 教导而未脱离它的范围。因此，旨在于本发明不限于公开的具体实 施例，但是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。 例如，可以通过随时间改变组成或者它的浓度或者通过调整沿着材 料的表面12的有确定性的方面来动态(或者在空间上)调整过程。 例如可以提供一些隔离的粗糙部或者阵列可以沿着表面改变(一个 部分为方形、另一部分为矩形等)。这可以用来提供具体标签或者 标识符。例如可以预处理具体粗糙部，这些粗糙部是给定的公司、 给定的其产品类等的记号。