Hybrid low-voltage physical unclonable function based on inkjet-printed metal-oxide transistors

Modern society is striving for digital connectivity that demands information security. As an emerging technology, printed electronics is a key enabler for novel device types with free form factors, customizability, and the potential for large-area fabrication while being seamlessly integrated into our everyday environment. At present, information security is mainly based on software algorithms that use pseudo random numbers. In this regard, hardware-intrinsic security primitives, such as physical unclonable functions, are very promising to provide inherent security features comparable to biometrical data. Device-specific, random intrinsic variations are exploited to generate unique secure identifiers. Here, we introduce a hybrid physical unclonable function, combining silicon and printed electronics technologies, based on metal oxide thin film devices. Our system exploits the inherent randomness of printed materials due to surface roughness, film morphology and the resulting electrical characteristics. The security primitive provides high intrinsic variation, is non-volatile, scalable and exhibits nearly ideal uniqueness

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Photovoltaic technologies nd wireless charger

Analisi delle tecnologie fotovoltaiche con sistemi di incentivazione e la realizzazione del prototipo del trasferimento dell'energia senza fil

MEMS sensors as physical unclonable functions

A fundamental requirement of any crypto system is that secret-key material remains securely stored so that it is robust in withstanding attacks including physical tampering. In this context, physical unclonable functions (PUFs) have been proposed to store cryptographic secrets in a particularly secure manner. In this thesis, the feasibility of using microelectromechanical systems (MEMS) sensors for secure key storage purposes is evaluated for the first time. To this end, we investigated an off-the-shelf 3-axis MEMS gyroscope design and used its properties to derive a unique fingerprint from each sensor. We thoroughly examined the robustness of the derived fingerprints against temperature variation and aging. We extracted stable keys with nearly full entropy from the fingerprints. The security level of the extracted keys lies in a range between 27 bits and 150 bits depending on the applied test conditions and the used entropy estimation method. Moreover, we provide experimental evidence that the extractable key length is higher in practice when multiple wafers are considered. In addition, it is shown that further improvements could be achieved by using more precise measurement techniques and by optimizing the MEMS design. The robustness of a MEMS PUF against tampering and malicious read-outs was tested by three different types of physical attacks. We could show that MEMS PUFs provide a high level of protection due to the sensitivity of their characteristics to disassembly.Eine grundlegende Anforderung jedes Kryptosystems ist, dass der verwendete geheime Schlüssel sicher und geschützt aufbewahrt wird. Vor diesem Hintergrund wurden physikalisch unklonbare Funktionen (PUFs) vorgeschlagen, um kryptographische Geheimnisse besonders sicher zu speichern. In dieser Arbeit wird erstmals die Verwendbarkeit von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) für die sichere Schlüsselspeicherung anhand eines 3-achsigen MEMS Drehratensensor gezeigt. Dabei werden die Eigenschaften der Sensoren zur Ableitung eines eindeutigen Fingerabdrucks verwendet. Die Temperatur- und Langzeitstabilität der abgeleiteten Fingerabdrücke wurde ausführlich untersucht. Aus den Fingerabdrücken wurden stabile Schlüssel mit einem Sicherheitsniveau zwischen 27 Bit und 150 Bit, abhängig von den Testbedingungen und der verwendeten Entropie-Schätzmethode, extrahiert. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Schlüssellänge ansteigt, je mehr Wafer betrachtet werden. Darüber hinaus wurde die Verwendung einer präziseren Messtechnik und eine Optimierung des MEMS-Designs als potentielle Verbesserungsmaßnahmen identifiziert. Die Robustheit einer MEMS PUF gegen Manipulationen und feindseliges Auslesen durch verschiedene Arten von physikalischen Angriffen wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass MEMS PUFs aufgrund der Empfindlichkeit ihrer Eigenschaften hinsichtlich einer Öffnung des Mold-Gehäuses eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber invasiven Angriffen aufweisen

Materials for high-density electronic packaging and interconnection

Electronic packaging and interconnections are the elements that today limit the ultimate performance of advanced electronic systems. Materials in use today and those becoming available are critically examined to ascertain what actions are needed for U.S. industry to compete favorably in the world market for advanced electronics. Materials and processes are discussed in terms of the final properties achievable and systems design compatibility. Weak points in the domestic industrial capability, including technical, industrial philosophy, and political, are identified. Recommendations are presented for actions that could help U.S. industry regain its former leadership position in advanced semiconductor systems production

Power Semiconductors for An Energy-Wise Society

This IEC White Paper establishes the critical role that power semiconductors play in transitioning to an energy wise society. It takes an in-depth look at expected trends and opportunities, as well as the challenges surrounding the power semiconductors industry. Among the significant challenges mentioned is the need for change in industry practices when transitioning from linear to circular economies and the shortage of skilled personnel required for power semiconductor development. The white paper also stresses the need for strategic actions at the policy-making level to address these concerns and calls for stronger government commitment, policies and funding to advance power semiconductor technologies and integration. It further highlights the pivotal role of standards in removing technical risks, increasing product quality and enabling faster market acceptance. Besides noting benefits of existing standards in accelerating market growth, the paper also identifies the current standardization gaps. The white paper emphasizes the importance of ensuring a robust supply chain for power semiconductors to prevent supply-chain disruptions like those seen during the COVID-19 pandemic, which can have widespread economic impacts.The white paper highlights the importance of inspiring young professionals to take an interest in power semiconductors and power electronics, highlighting the potential to make a positive impact on the world through these technologies.The white paper concludes with recommendations for policymakers, regulators, industry and other IEC stakeholders for collaborative structures and accelerating the development and adoption of standards

Development of on-farm diagnostic devices

The global population, currently 7.7 billion, is expected to grow to 9.7 billion by 2050. This is expected to lead to a 70% increase in demand for animal-based protein. Irish beef and dairy products account for over 50% of our agricultural output and DAFM’s Food Wise 2025 strategy aims to position Ireland as a world leader in sustainable agri-food production. However, the high percentage of livestock that are lost due to infectious diseases (20%), poses a challenge to achieving this sustainability, in addition to more sustainable use of antimicrobials, smarter livestock diagnostics and treatments are therefore required. The goal of this thesis was to develop a low-cost disposable biosensor that would permit point-of-care (POC) detection of diseases in bovines, through cost-effective, scalable microfabrication techniques. Such devices could enable real-time determination of the health status of animals on farm and contribute to more informed therapeutic interventions. Electrochemistry presents a viable option for POC devices in this regard and allows easy integration with portable electronics. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a surface sensitive technique that measures the resistive and capacitive behaviour of an electrochemical system. It lends itself to serological immunosensor development as it allows label-free detection. For the purposes of this research, silicon devices were fabricated with six microband working electrodes, gold counter, and platinum pseudo-reference electrodes. The microband working electrodes were modified with a biocompatible co-polymer. This co-polymer supported the cross-linking of a bioreceptor (e.g., anti-bovine IgG) to electrode surface, which selectively bound to the target biomolecule (bovine IgG) in serum. This EIS device could distinguish between seronegative and seropositive samples in 15 minutes making it suitable for POC applications. Additionally, the presence of six working electrodes allowed for testing of multiple samples at a time. Often, however, only a single test is required. As such, silicon presents an expensive option for disposable sensors. Hence, polymer replication methods were also investigated in this thesis. This process allowed a single silicon wafer to be repeatedly used to produce polymer structures. A microneedle format was chosen to eliminate the need for taking samples on-farm and provide a pain-free method of in vivo measurements in interstitial fluid in interstitial fluid. The fabrication method used a double-sided micro-moulding process to move towards mass manufacturing. COMSOL simulations were performed to explore the active layer on the microneedle tip surface, ensuring no diffusional overlap between electrodes and providing the most effective tip design. The microneedle structures also presented the opportunity for novel fabrication of nanoring arrays, by removing part of the protruding structure and exposing underlying nanorings. These have the potential to be highly sensitive electrochemical devices due to enhanced mass transport and high current densities, while maintaining the scalable cost-effective fabrication process of the microneedles. Devices produced steady-state CVs in a known redox molecule, with currents in the nA range