Geprinte schakelingen beschermen sensoren

In elektrisch aangedreven voertuigen bewaken ze de temperatuur van de batterijen om hun levensduur en prestaties te optimaliseren; in fabrieken in de chemische en farmaceutische industrie bewaken ze de bedrijfsstatus van passieve componenten om fouten onmiddellijk op te sporen: elektronische sensoren kunnen kosten en de betrouwbaarheid van veel toepassingen verbeteren en nieuwe functies mogelijk maken. Het gebruik ervan is met name van belang wanneer stoffen als drinkwater of voedsel, olie of gas door pijpleidingen worden getransporteerd en een betrouwbare toeleverings- en distributieketen moet worden gegarandeerd.

Sensoren kunnen sabotage onmiddellijk helpen detecteren. Maar sensoren die fysieke toestanden omzetten in datastromen zijn zelf ook het doelwit van aanvallen en vervalsingen.Hoe kunnen sensoren en sensordata effectief worden beschermd?

"Informatiebeveiliging in deze applicaties is momenteel voornamelijk gebaseerd op software-algoritmen. Maar geen enkele software is perfect. Daarom moeten we ook zorgen voor de beveiliging van de hardware", zegt Jasmin Aghassi-Hagmann, hoofd van de onderzoeksgroep Low Power Electronics with Advanced Materials bij het Institute for Nanotechnology (INT) van het KIT. "Additieve processen die laag voor laag twee- en driedimensionale componenten creëren, zijn hiervoor bijzonder geschikt. Met behulp van dergelijke componenten kunnen we veiligheidsfuncties achteraf inbouwen zonder het ontwerp aan de fabrikant over te dragen."

 Het project ‘Duidelijke identificeerbaarheid voor betrouwbare hybride sensorelektronica met behulp van additive manufacturing – senslC’ combineert additief vervaardigde elektronica met siliciumcomponenten en integreert deze veilig rechtstreeks in producten. Als specifieke toepassing worden hybride geïntegreerde sensorcircuits in slangen ingebouwd, zoals benodigd voor verschillende automobiel- en industriële toepassingen. Het project, gecoördineerd door Benecke-Kaliko, een dochteronderneming van Continental, combineert materiaalkunde en cyberbeveiliging. Bij INT ontwikkelen en vervaardigen onderzoekers samen met Aghassi-Hagmann een centraal onderdeel: geprinte veiligheidsschakelingen met zogenaamde Physical Unclonable Functions (PUF’s).

Digitale vingerafdruk maakt identificatie en codering mogelijk

PUF’s zijn hardware-gebaseerde functies die ontstaan ​​door de kleinste schommelingen in het productieproces. Bij geprinte elektronica zijn er bijvoorbeeld variaties door de printresolutie en de gebruikte materialen en inkten. Een PUF evalueert deze fluctuaties en gebruikt ze om een ​​individueel signaal te genereren dat als het ware als een digitale vingerafdruk fungeert en waarmee de component duidelijk kan worden geïdentificeerd of informatie veilig kan worden gecodeerd.

In een recente publicatie in Nature Communications presenteerden de wetenschappers een hybride PUF op basis van metaaloxide dunne-filmcomponenten die geprinte elektronica en siliciumtechnologie combineert. Deze PUF is geschikt voor het beveiligen van apparaten en het beschermen van data in het Internet of Things.

Het sensIC-project verrijkt de PUF’s met optische identificatiekenmerken, ontwikkeld door het bedrijf Polysecure: ingebedde fluorescerende deeltjes vormen door het proces willekeurige en daarom niet-kopieerbare patronen. Deze deeltjespatronen worden tijdens het productieproces geregistreerd en zorgen ervoor dat de component duidelijk kan worden geïdentificeerd, en extra beveiligd tegen manipulatie van hardware. 

Het Duitse ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) financiert het driejarige project sensIC, dat startte op 1 mei 2021, als onderdeel van het kaderprogramma ‘Microelectronics from Germany – Innovation Drivers of Digitalization’ met in totaal 2,9 miljoen euro bij een projectvolume van 4,25 miljoen euro. Benecke-Kaliko, een dochteronderneming van Continental, treedt op als coördinator. Naast het KIT Institute for Nanotechnology zijn andere partners Cyient, Polysecure, het Leibniz Institute for New Materials, de Offenburg University, ContiTech MGW en, als geassocieerde partner, Elmos Semiconductor.