Components and Systems Based on Printed Metal Oxide Electronics and Silicon Devices
Creators: name: Scholz, Alexander
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Gedruckte Elektronik ermöglicht die Anfertigung elektrischer Bauteile und Systeme auf großflächigen, flexiblen Trägersubstraten. Des Weiteren wird durch berührungsfreie Druckverfahren, wie dem Tintenstrahldruck, eine flexible, dezentrale Fertigung elektronischer Bauteile und Systeme ermöglicht. Dies erlaubt unter anderem das Split-Manufacturing sicherheitskritischer elektronischer Komponenten, sowie eine größtmögliche Designfreiheit im Sinne von freien Formfaktoren und nicht standardisierter Strukturen mit unterschiedlichsten Abmessungen im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Millimetern. Durch die genannten technologischen Aspekte bildet die gedruckte Elektronik einen interessanten Gegenpol zur klassischen hochintegrierbaren, miniaturisierten Silizium-Elektronik. Durch eine komplementäre Nutzung der Vorteile beider Technologien entstehen neuartige Synergien und Applikationen in Form von hybriden Systemen. Während hybride Lösungen, basierend auf passiven gedruckten Bauteilen und elektrisch leitfähigen Komponenten bereits kommerziell erhältlich sind, bleiben komplexe Systeme, die sowohl passive, als auch aktive, gedruckte elektronische Bauteile nutzen, noch selten. Um ganzheitliche, gedruckte sowie hybride elektronische Systeme zu ermöglichen, sind diverse Bausteine erforderlich. Hierzu zählen leichtgewichtige Möglichkeiten zur Datenspeicherung sowie Komponenten, die sich selbst mit Energie versorgende Systeme ermöglichen und insbesondere Schaltungen zur sicheren, eindeutigen Identifizierbarkeit ganzheitlicher, gedruckter Systeme für das Internet der Dinge. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit, durch Tintenstrahldruck hergestellten, elektronischen Bauteilen, Schaltkreisen, sowie hybriden Systemen. Es wurden Lösungen zu aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen in den Bereichen effizienter gedruckter Speicherbausteine, nachhaltiger elektronischer Systeme, sowie der hardwarebasierten Sicherheit, auf Basis gedruckter Elektronik, erforscht und entwickelt. Zur Datenspeicherung für gedruckte Systeme wurde ein, mittels Tintenstrahldruck hergestellter, Memristor entwickelt. Das Bauteil wurde vollumfänglich im Hinblick auf die Speicherung digitaler Information, charakterisiert. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass der Memristor als nichtflüchtiges Speicherelement genutzt werden kann. Um ganzheitliche, nachhaltige elektronische Systeme zu ermöglichen wurde ein gedruckter Vollweggleichrichter entwickelt. Durch die Verwendung von Electrolyte-Gated Transistoren mit einer Schwellspannung von nahe-null Volt, ist die Schaltung in der Lage kleine Wechselspannungen, wie sie von piezoelektrischen Energy Harvestern erzeugt werden, gleichzurichten. Der, mittels Tintenstrahldruck hergestellte, Vollweggleichrichter wurde elektrisch vollumfänglich charakterisiert. Zur Erzeugung einzigartiger Identifikationsmerkmale wurden zwei Implementierungenmöglichkeiten physikalisch unklonbarer Funktionen entwickelt. Dieser Ansatz nutzt die unvorhersehbare, intrinsische Variation gedruckter Bauteile als hardwarebasiertes Sicherheitsfeature. Eine untersuchte Implementierung basiert auf einer Crossbar-Anordnung integrierbarer Electrolyte-Gated Transistoren. Die zweite Implementierungsvariante nutzt Inverterstrukturen, ebenfalls auf Basis von Electrolyte-Gated Transistoren, zur Erzeugung der einzigartigen Systemantworten. Beide Varianten wurden sowohl mit Hilfe von elektrischen Simulationen, als auch experimentell untersucht. Die Inverter-basierte, intrinsische Variationsquelle wurde des Weiteren vollständig in ein Silizium-basiertes Gesamtsystem integriert und hinsichtlich ihrer Sicherheitsmetriken untersucht. Das Gesamtsystem bildet ein hybrides System, bestehend aus gedruckten Bauteilen sowie klassischer Silizium-Elektronik, zur Erzeugung einzigartiger Systemantworten.