具有预定信息层的磁性PUF的制作方法

2020年3月12日提交的标题为“Hall Effect Prism Sensor”的第16/816,948号美国专利申请。

对临时申请的优先权要求

本申请涉及2019年3月22日提交的标题为“Magnetic PUF With Predetermined Information Layer”的第62/822,510号美国临时申请，并根据美国法典第35条119(e)款从该临时申请要求优先权，该临时申请的内容特此通过引用被全部并入本文。

背景

本公开总体上涉及具有磁化颗粒的物理不可克隆对象(“PUF”)，磁化颗粒导致具有附着到PUF的预定信息层的独特磁性指纹，该独特磁性指纹有助于识别在所登记的数据库中的PUF。

概述

具有磁性基质的PUF是信息密集的。本发明将物理信息层(“PIL”)添加到在独立地可检测的基质内的磁性颗粒，创建了不可克隆PUF“对象”。PIL有助于利用包括搜索索引的附加信息搜索找到与预定的被登记组合匹配的组合，该搜索索引限制了搜索以便在登记数据库中找到匹配所需的数据的范围。该索引可以是将随机磁剖面值关联到数据库中的被登记值的列表的预定值。附加信息可以包括需要容易被传递给PUF用户的产品信息或一般信息。

附图简述

通过结合附图参考所公开的实施例的下面的描述，所公开的实施例的上面提到的和其他的特征及优点以及获得它们的方式将变得更明显且将被更好地理解。

图1示出了具有预定信息层的物理不可克隆功能(“PUF”)对象横截面。

图2A示出了在层内的预定信息层(“PIL”)的横截面。

图2B示出了在PUF对象的层之下的PIL的横截面。

图3示出了具有预定信息覆盖层的PUF对象的俯视图。

图4是磁电容传感器阵列。

图8示出了具有表面形状的PIL横截面。

图9A示出了具有带有互连垫片的集成电路的PIL的俯视图。

图9B示出了具有带有互连垫片的集成电路的PIL的横截面。

详细描述

应理解的是，本公开不将其应用限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本公开能够用于其它实施例，并且能够以各种方式被实践或执行。此外，应理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的且不应被视为限制性的。如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括(including)”、“包括(comprising)”和诸如此类是开放式术语，其指示所陈述的元件或特征的存在，但不排除额外的元件或特征。冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意欲包括复数以及单数，除非上下文另有明确指示。“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变形的使用在本文中意欲包含在其后列出的项及其等同物以及额外的项。

例如“大约”等的术语具有上下文含义，用于描述对象的各种特征，并且这样的术语对于相关领域中的普通技术人员具有它们的普通和惯用的含义。例如“大约”等的术语在第一上下文中意指“近似”于如相关领域中的普通技术人员所理解的程度；以及在第二上下文中用于描述对象的各种特征，并且在这样的第二上下文中意指如相关领域中的普通技术人员所理解的“在…的小百分比内”。

除非另有限制，术语“连接”、“耦合”和“安装”及其变形在本文被广泛地使用并包括直接连接、耦合和安装以及间接连接、耦合和安装。此外，术语“连接”和“耦合”及其变形并不限于物理或机械的连接或耦合。为了描述的容易，使用空间相对术语(例如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“后面”和“侧面”、“在…之下”、“在…下面”、“下部”、“在…上方”、“上部”等)来解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与在图中描绘的定向不同的定向之外，这些术语意欲还包括设备的不同定向。此外，例如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并没有被规定为限制性的。相似的术语在整个描述中指相似的元件。

磁性基质PUF对象是信息密集的。一维(“1D”)到三维(“3D”)磁性传感器的表面阵列可以发现一系列磁性测量值，该一系列磁性测量值根据对象的磁体的位置、形状和磁化而彼此具有特殊关系。一个挑战是，当被大规模地实现时，搜索此信息以找到与预定的被登记组合匹配的组合是耗时的。对这个挑战的一个解决方案是包括搜索索引的附加信息，该搜索索引限制搜索以便在登记数据库中找到匹配所需的数据的范围。另外需要的是知道传感器在设备上的相对位置以知道传感器是否在用于读取PUF的区域的磁剖面的正确的边界内。该索引可以是将随机磁剖面值关联到数据库中的被登记值的列表的预定值。附加信息可以包括需要容易被传递给PUF用户的产品信息或一般信息。

本发明将物理信息层(“PIL”)添加到在创建不可克隆PUF“对象”的基质内的预磁化磁性颗粒。PIL可以由基本上不改变由磁化颗粒和基质介电材料产生的静态磁场的材料构成。可以使用任何非铁导电材料，例如铝或铜。为了这个目的，当然应该避免超导材料。超导材料的涡流对在对象周围的磁场值有直接影响。具有大于0的体积电阻的任何有限电阻材料将具有初始涡流，该初始涡流将消散磁场并允许磁场穿透PIL。图1示出了PUF对象101，该PUF对象101在基质121内至少包含具有各种形状的预磁化颗粒111。PIL 131覆盖在PUF 101上面。

应当理解的是，PIL 131可以合并到PUF对象101内。PIL也可以是附着到PUF的表面的不同材料的附加层。如图2A和图2B所示，在PIL中的导电材料可以被嵌入或分层到在PIL的上部或下部区域中。在图2A中，导电横截面材料211被示为嵌在PIL 131中。在图2B中，导电横截面材料221被示为附着到PUF 101的下表面，其中大量PIL材料131覆盖在其上。这个附加的PIL 131可以被粘合剂涂敷、通过烧结或其他附着方法被粘合。

在图3中示出了带有PIL的PUF的俯视图。块区域311示出的是导电材料可以在PUF 101上方被放置的位置。这可以类似于快速响应(“QR”)码类结构，其中黑色印记用导电材料代替。关键特征是，在PIL 131中的导电元件311、312、313中的每个优选地将明显大于在PUF 101内的预磁化颗粒111。这允许检测导电材料的传感器(未示出)区分开在PUF 101内的预磁化颗粒111和PIL 131的导电材料311。因为在PUF 101内的预磁化颗粒111随机地被定向，所以有可能的是这些颗粒可能被误解为PIL 131的一部分。这不一定是问题，因为PUF 101和PIL 131可以在对象被制造之后被测量和登记。如果PIL被预磁化颗粒111影响，则统计方法可以用于在给出在被测PUF和在数据库中的被登记值的列表之间的匹配的概率之前映射少量PIL和预磁化颗粒111。

图3中的两个盒状结构321、331表示基准，其可以由读取器(未示出)容易地识别以定向PUF 101和PIL 131的磁剖面的登记。通过基准对PUF 101的定向将大大地提高计算机识别磁图案的匹配的速度。

可以由在同时提交的第xx/xxx,xxx号美国申请中公开的霍尔效应棱镜改造用于测量PIL 131和PUF 101的读取器，该申请通过引用以其整体并入本文。在第xx/xxx,xxx号美国申请中，电阻基片用于测量由于磁场而引起的电流偏转。这通过在基片内产生直流(“DC”)电流并测量表面上的电势分布来显示。这将对PUF对象的磁剖面产生直接响应。还公开了一种电容耦合方法以沿着在基质内随机定向的导线在基片内感生出电流。通过施加交流(“AC”)或时变源信号来创建电容耦合。在一般电容感测中，通过针对阻抗的变化比较相邻垫片位置来感测电容的变化。虽然这种方法在这里行得通，但是可以通过查看信号越过多个垫片位置的传播来提取附加信息。例如，图3中的导体311具有在长度上可以是几个传感器垫片的长度。通过扫描源和测量位置的所有组合，可以确定长度和位置。在这个意义上，PIL的导电段表现得更像传输线。

这些方法创建强大的方法来快速登记和量化PUF对象，这可以用非常薄的基片来实现。该系统可以对用于移动读取器设备的触摸传感器是透明的。

图4示出了传感器垫片位置411的表面阵列401。4个大矩形导电垫片421、422、423和424可用于通过向相对侧施加电流来偏置霍尔效应。根据操作模式，导电垫片421-424中的每个是可选的。图5示出了在第xx/xxx,xxx号美国申请中公开的霍尔效应棱镜。图5示出了关于所述实施例之一的被定位于具有PIL的PUF对象上的传感器的中心区域横截面。该实施例具有测量磁场对PUF对象的反应的3D方向的能力。

图5示出了由电阻基片521隔离以建立到层551中的顶部布线通道的连接的导电垫片561。对于这个实现方式，导电通孔必须通过绝缘体571与基片隔离，使得当测量X和Y方向的磁场效应时，电流主要从顶部流到底部。布线通道层551连接到层531和511中的导电垫片的中心导电通孔541，以连接到基片521。虽然介电材料将阻碍电流流动，但它将阻止导电通孔使电流从561通过基片521到在层551中找到的布线通道的垂直流动短路。图5的传感器501的横截面具有所示的五个层。底层511具有对应于图4中的传感器垫片位置411的若干垫片561。这些垫片产生与层521中的电阻基片材料的导电接触，电阻基片材料是在底层上方的层521的大部分。基片材料中的区域571是使基片与从底部垫片到顶层布线和电路的导电通孔分离的绝缘介电材料。在基片上方的层531是具有与基片接触的导电垫片411和561的介电层。在基片上方的导电垫片上方的是介电层541，该介电层541使基片和接触垫片的感测区域与和在顶层551上的布线通道和电路分开。本领域中的技术人员将理解，任何数量的层可以被添加到顶部以执行用于执行对基片的测量和将信息传递到其他系统所必需的所有需要的布线通道和电路。

存在被施加来从PUF对象提取期望信息的刺激的若干组合。在一个实现方式中，AC信号被提供到一个或更多个传感器导电垫片，并且电压在源周围的区域中被测量。这种方法将能量的一部分从传感器源垫片耦合到PUF对象的PIL。信号将通过PIL的连续传导路径行进到附近传感器测量垫片中的每个传感器测量垫片。通过以编程方式循环通过源和测量位置，PIL的图像被确定。AC信号可以是正弦的或便于实质上接收到的信号的任何其他时变波形。例如，这些其他信号可以包括方形的、脉冲的或三角形的。

在一个垫片处施加刺激情况下，可以测量在其他垫片位置处的接收到的振幅。这可以是AC、采样DC或检测的峰测量结果。每种测量技术提供不同准确度和测量速度。优选的技术是正弦波或者方波。接收到的正弦波可以被滤波以减少干扰。此外，方波具有将允许较快的识别的较高频率含量。

然后，PIL用于查找磁性图像或其他用户期望的信息以对照独特的随机磁性信息被验证。通过使用图4的几何图形例如作为霍尔效应传感器来读取磁性信息。

在另一个实施例中，霍尔效应棱镜对于进行校准或高精度磁场测量可能不是最佳的。对于这个系统，可以使用分隔开较大距离的霍尔效应传感器的集成或分立阵列。该系统需要编索引以加快匹配过程。先前公开了一种用于测量通过在PUF对象附近的相机检测的QR码信息的光学系统。这里的概念是将电容读取系统与集成或分立霍尔效应传感器集成在一起。图6示出了六个标准霍尔效应3D传感器611的阵列。围绕传感器611的垫片621是用于测量电容或传输线PIL层的导电垫片。该信息的密度将小得多，但将给出最小的索引号以及基准位置。

图7示出了具有PIL的PUF对象，其是具有带有嵌入的基准T形状751的条形码状图案的大盒区域(large box area)，嵌入的基准T形状751将PUF对象分成三个区域701、711、721。较小的条充当序列化索引号。具有较宽传导区域的T形状751充当位置标记以定向读取器传感器的相对位置。在这种情况下，导电垫片仅被显示在霍尔效应传感器周围，霍尔效应传感器在电容读取区域的中心区域中。

还应当理解的是，如果电容感测几何结构非常薄，那么导电感测垫片可以覆盖整个区域并覆盖霍尔效应传感器。磁场将穿透任何非铁材料。电容感测设备小于0.3mm将是优选的，以避免显著降低由霍尔效应传感器读取的磁场。

在另一个实施例中，PIL是光学地或声学地可检测的。PIL可以具有以不干扰PUF对象的磁场的任何形式的预定信息。一个示例是被图案化到塑料表面内的脊。这可以通过有机薄膜晶体管(OTFT)技术的薄层来检测。OTFT技术的示例由销售。在这里，当与分立或霍尔效应棱镜设计结合来使用时，0.3mm材料可以被图6所描述的光学传感器感测到。PIL也可以是被印刷到表面上或在PIL层内的材料(油墨、色粉、油漆等)。柔性使能传感器是磁性透明光学传感器。这将在同一处定位获取PIL的表面的光学图像以对编程信息解码的能力。OTFT材料基片材料可以展示压电效应，压电效应可以用作声学检测方法以找到图8所示的脊。

脊811可以被蚀刻、激光切割或热移位，以由油墨、色粉或油漆创建。图8示出了带有凹槽、所施加的有轮廓的或光学材料的PIL的横截面。具有各种材料的PIL被施加到PUF矩阵的表面。图7中的轮廓也可以嵌入到PUF基质101的表面内。

另一感测组合是添加在利用图5和图6中的霍尔效应棱镜或分立传感器设计的第10,127,425号美国专利中找到的“Dual-mode capacitive and ultrasonic fingerprint and touch sensor”系统。这些方法可以以与磁场感测的任何组合被使用。此外，超声波方法可以局部化PIL的表面以及在深度维度上的金属薄片。这个3D分辨率可以增加额外的因素以用于验证。

还应该理解的是，PIL可以在PUF对象内的任何深度处被定向。感测方法必须只具有区分开随机磁场和预定信息的能力。

图9A和图9B示出了PIL 921，集成电路嵌在PIL内或PUF基质对象的顶部上。PUF对象的凹陷区域911容纳IC封装的额外厚度。该凹陷区域可以是在IC和触头之下的完整空隙。导电表面垫片931由任何非铁导体制成。