Gedruckte Schal­tun­gen schützen Sensoren

Elektronische Sensoren können in vielen Anwen­dungen eingesetzt werden. Doch sie müssen vor Angriffen und Verfäl­schungen geschützt sein. Das neue Verbund­vorhaben «SensIC» zielt darauf, gedruckte Elektronik und Silizium­komponenten direkt in Produkte zu integrieren, um Sensoren abzusichern. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln Forschende dafür eine zentrale Komponente: gedruckte Sicherheits­schal­tungen mit speziellen hardware­basierten Funktionen, sogenannte Physical Unclonable Functions (PUFs).

In elektrisch angetrie­benen Fahrzeugen über­wachen sie die Temperatur der Batterien, um deren Lebensdauer und Leistung zu optimieren, in Anlagen der chemischen und pharma­zeutischen Industrie beobachten sie den Betriebs­zustand passiver Bauteile, um Fehler sofort festzustellen: Elektronische Sensoren können in vielen Anwendungen Kosten senken, die Zuver­lässigkeit verbessern und neue Funktionen ermöglichen. Besonders wichtig ist ihr Einsatz, wenn Stoffe wie Trinkwasser oder Nahrungs­mittel, Öl oder Gas durch Rohr­leitungen befördert werden und eine vertrauens­würdige Liefer- und Verteilkette gewährleistet sein muss. Sensoren können dabei helfen, Manipulationen sofort zu entdecken.

Doch gerade Sensoren, die physika­lische Zustände in Datenströme umwandeln, stellen selbst exponierte Ziele für Angriffe und Verfälschungen dar. Wie lassen sich Sensoren und Sensordaten wirksam schützen? «Zurzeit basiert Informations­sicherheit in diesen Anwendungen vor allem auf Software-Algorithmen. Aber keine Software ist perfekt. Daher müssen wir auch über die Hardware für Sicherheit sorgen», erklärt Professorin Jasmin Aghassi-Hagmann, Leiterin der Forschungsgruppe «Low Power Electronics with Advanced Materials» am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT. «Additive Verfahren, die Schicht für Schicht zwei- und dreidimensionale Bauteile erzeugen, eignen sich dafür besonders gut. Mit solchen Bauteilen können wir Sicherheits­funktionen nachträglich einbauen, ohne das Design dafür an den Hersteller abgeben zu müssen.»

Das neue Verbundvorhaben «Eindeutige Identifizier­barkeit für vertrauens­würdige Hybrid-Sensor­elektronik mit Hilfe additiver Fertigung – SenslC» kombiniert additiv gefertigte, das heisst gedruckte Elektronik mit Silizium­komponenten und integriert sie sicher direkt in Produkte. Als konkrete Anwendung des Projekts werden hybrid integrierte Sensor­schaltungen in Schläuche eingebaut, wie sie für verschie­dene Automotive- und Industrieanwendungen erforderlich sind. Das von Benecke-Kaliko, einem Tochterunternehmen von Continental, koordinierte Vorhaben verbindet Materialwissenschaft und Cybersecurity. Am INT entwickeln und fertigen Forschende um Professorin Jasmin Aghassi-Hagmann dafür eine zentrale Komponente: gedruckte Sicherheits­schal­tungen mit sogenannten Physical Unclonable Functions (PUFs).

Digitaler Finger­abdruck ermöglicht Identifi­kation und Verschlüs­selung

Bei PUFs handelt es sich um hardware­basierte Funktionen, die aufgrund kleinster Schwankungen im Produktions­prozess entstehen. So kommt es in der gedruckten Elektronik durch die grobe Druckauflösung sowie die verwendeten Materialien und Tinten zu Variationen. Eine PUF wertet diese Schwankungen aus und erzeugt daraus ein individuelles Signal, das sozusagen als digitaler Finger­abdruck fungiert und eine eindeutige Identifikation des Bauteils oder die sichere Verschlüsselung von Informa­tionen ermöglicht. In einer kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications erschienenen Publikation haben Forschende des KIT und der Hochschule Offenburg eine auf Metalloxid-Dünnschicht-Bauteilen basierende hybride PUF vorgestellt, die gedruckte Elektronik und Silizium­technologie kombiniert. Diese PUF eignet sich dafür, im Internet der Dinge, in dem Menschen mit Maschinen sowie Maschinen miteinander kommunizieren, Geräte abzusichern und Daten zu schützen.

Das Projekt SensIC ergänzt für Anwendungen in Industrie und Automotive die PUFs als elektronische Identifi­zierungs­merkmale um optische Identifi­zierungs­merkmale, entwickelt von der Firma Polysecure: Eingebettete Fluoreszenz­partikel bilden prozess­bedingt zufällige und daher nicht kopierbare Muster. Diese Partikelmuster werden während des Produktionsprozesses registriert und erlauben die eindeutige Identifizierung des Bauteils sowie einen zusätzlichen Tamperschutz gegen Hardware­manipulationen.