Elektronische Sensoren können branchenübergreifend Kosten senken, für bessere Zuverlässigkeit sorgen oder neue Funktionen ermöglichen. Besonders wichtig ist ihr Einsatz, wenn Stoffe wie Trinkwasser, Nahrungsmittel, Öl oder Gas durch Rohrleitungen befördert werden und eine vertrauenswürdige Liefer- und Verteilkette Pflicht ist.
Gerade Sensoren stellen allerdings Ziele für Angriffe und Verfälschungen dar. Das am 1. Mai 2021 gestartete Verbundvorhaben „sensIC“ will deshalb gedruckte Elektronik und Siliziumkomponenten direkt in Produkte integrieren, um Sensoren abzusichern.
Sicherheit über die Hardware
Eine zentrale Komponente für „sensIC“ entwickeln Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT): gedruckte Sicherheitsschaltungen mit speziellen hardwarebasierten Funktionen, sogenannte Physical Unclonable Functions (PUFs). „Zurzeit basiert Informationssicherheit in diesen Anwendungen vor allem auf Software-Algorithmen. Aber keine Software ist perfekt“, erklärt Prof. Jasmin Aghassi-Hagmann, Leiterin der Forschungsgruppe „Low Power Electronics with Advanced Materials“ am KIT. „Daher müssen wir auch über die Hardware für Sicherheit sorgen.“
Besonders gut eignen sich hierfür laut Aghassi-Hagmann additive Verfahren, die Schicht für Schicht zwei- und dreidimensionale Bauteile erzeugen. „Mithilfe solcher Bauteile können wir Sicherheitsfunktionen nachträglich einbauen, ohne das Design dafür an den Hersteller abgeben zu müssen.“
Digitaler Fingerabdruck zur Verschlüsselung
Als konkrete Anwendung des Projekts bauen die Forscher hybrid-integrierte Sensorschaltungen in Schläuche ein, wie sie für verschiedene Automotive- und Industrieanwendungen erforderlich sind. Das von Benecke-Kaliko – einem Tochterunternehmen von Continental – koordinierte Vorhaben verbindet dadurch Materialwissenschaft und Cybersecurity.
Bei den PUFs, die die Gruppe um Aghassi-Hagmann am Institut für Nanotechnologie (INT) entwickelt, 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.
Fälschungssichere Partikelmuster
In einer kürzlich in „Nature Communications“ erschienenen Publikation haben Wissenschaftler des KIT und der Hochschule Offenburg eine auf Metalloxid-Dünnschicht-Bauteilen basierende hybride PUF vorgestellt, die gedruckte Elektronik und Siliziumtechnologie kombiniert. Sie eignet sich dafür, Geräte im IoT abzusichern und Daten zu schützen.
Das Projekt „sensIC“ ergänzt diese PUFs nun für Anwendungen in Industrie und Automotive um optische Identifizierungsmerkmale, die von der Firma Polysecure hergestellt werden. Eingebettete Fluoreszenzpartikel bilden dabei prozessbedingt zufällige und daher nicht kopierbare Muster. Diese Partikelmuster werden während des Produktionsprozesses registriert und erlauben die eindeutige Identifizierung des Bauteils sowie einen zusätzlichen Tamper-Schutz gegen Hardwaremanipulationen.
Projektvolumen und Partner
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das auf drei Jahre angesetzte Projekt „sensIC“ im Rahmenprogramm „Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstreiber der Digitalisierung“ mit 2,9 Millionen Euro. Das Projektgesamtvolumen beträgt 4,25 Millionen Euro. Als Koordinator fungiert Benecke-Kaliko.
Neben dem Institut für Nanotechnologie des KIT sind als weitere Partner Cyient, Polysecure, das Leibniz-Institut für Neue Materialien, die Hochschule Offenburg, ContiTech MGW und als assoziierter Partner Elmos Semiconductor beteiligt.
