Printed Devices and Circuits in Hybrid Systems on Foils

Gedruckte Elektronik bietet gegenüber konventionellen siliziumbasierten CMOS Technologien überzeugendeVorteile, darunter eine kosteneffiziente additive
Fertigung, Niederspannungsbetrieb der Bauelemente sowie mechanische Nachgiebigkeit.
Der Übergang von einzelnen gedruckten Bauelementen hin zu zuverlässigen Systemimplementierungen stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar, insbesondere aufgrund inhärenter Bauelement-zu-Bauelement-Variabilität sowie der Komplexität der Schnittstellenbildung zwischen gedruckter Elektronik und
rechnerisch leistungsfähigen siliziumbasierten Systemen. ... mehrDiese Dissertation adressiert diese Herausforderungen durch die Herstellung und Charakterisierung
gedruckter elektronischer Bauelemente, deren Nutzung auf Schaltungsebene sowie die Realisierung hybrider System-in-Folie-Integrationsstrategien zur sicheren
Identifikation und Temperaturmessung für automobile Anwendungen.
In dieser Arbeit werden zwei komplementäre Architekturen elektrolyt-gesteuerter Transistoren (EGTs) entwickelt. Hybrid-gedruckte EGTs auf Glassubstraten, realisiert durch laserablatierte Indium Zinn Oxid (ITO) Elektroden in Kombination mit tintenstrahlgedruckten Indiumoxid-Halbleiterschichten und kompositen
festen Polymerelektrolyten, ermöglichen einen stabilen Betrieb bei Spannungen unter 1V bei gleichzeitig verbesserter Bauelementuniformität. Diese Architektur
bildet eine robuste Grundlage für die Schaltungsrealisierung und die nachfolgende Systemintegration. Parallel dazu werden vollständig gedruckte EGTs auf Glas- und flexiblen Polyimid-Substraten unter Verwendung aerosolstrahlgedruckter GoldelektrodeninKombinationmittintenstrahlgedrucktenFunktionsschichten realisiert. Die vollständig gedruckten EGTs auf Glas dienen als Prozess- und Leistungsreferenz und ermöglichen die Übertragung auf Polyimid-Substrate, auf denen flexible Bauelemente mit Betriebsspannungen unter 1V demonstriert werden. Die gezeigte Funktionalität dieser Bauelemente belegt die grundsätzliche Eignung für eine Schaltungsimplementierung auf flexiblen Substraten.
Basierend auf der hybrid-gedruckten EGT-Architektur wird ein Inverter-Array unter Verwendung von EGTs in Kombination mit resistiven Pull-up-Lasten re
alisiert und als Physikalisch Unklonbare Funktion (PUF) eingesetzt. Die PUF nutzt analoge Variabilitäten der Übertragungskennlinien der Inverter als En
tropiequelle und ermöglicht die Generierung von 36-bit Identifikatoren mittels relativer Vergleichung der Ausgangsspannungen. Parallel dazu werden tintenstrahlgedruckte, platinbasierte Widerstands-Temperatursensoren in Pt100- und Pt1000-Konfigurationen entwickelt und über einen automotiv-relevanten Temperaturbereich von 20◦C bis 80◦C charakterisiert. Aufgrund der besseren Kompatibilität mit ASIC-basierter Ausleseelektronik sowie der geringeren Empfindlichkeit gegenüber Leitungswiderständen wird der Pt1000-Sensor für die hybride System-in-Folie-Integration ausgewählt.
Auf Systemebene werden die gedruckte PUF und die Temperatursensoren mit einem kundenspezifischen 180nm-CMOS-ASIC integriert, der auf eine Dicke
von etwa 30µmrückseitig verdünnt und in eine Polyimidfolie eingebettet ist. Das resultierende hybride System-in-Folie ermöglicht eine zuverlässige Auslese, Digitalisierung und Schnittstellenanbindung gedruckter Bauelemente, die in einem mechanisch robusten T-förmigen Modul zusammengeführt sind, das realistische automobile Systembedingungen repräsentiert. Ein Sicherheitsdemonstrator ergänzt die hybride System-in-Folie-Architektur, indem Entropie aus dem Kommunikationskanal zur Ableitung eines gemeinsamen 256-bit Sitzungsschlüssels genutzt wird, wodurch eine sichere Identifikation sowie eine authentifizierte Sensordatenübertragung ohne Speicherung statischer kryptographischer Schlüssel ermöglicht wird. Insgesamt zeigt diese Dissertation einen kohärenten Entwicklungspfad von gedruckten Bauelementen bis hin zur hybriden System-in-Folie-Integration und demonstriert, wie Niederspannungs-gedruckte Elektronik in Kombination mit Folie eingebetteten ASICs eine systemweite Temperaturmessung und PUF-basierte Identifikation innerhalb eines automobilorientierten Sicherheitsrahmens ermöglicht.

Printed electronics offer compelling advantages over conventional silicon CMOS technologies, including cost-efficient additive fabrication, low-voltage device operation, and mechanical compliance. However, the transition from standalone printed devices to reliable system-level implementations remains challenging due to inherent device-to-device variability and the complexity of interfacing printed electronics with computationally performant silicon-based systems. This thesis addresses these challenges through the fabrication and characterization of printed electronic devices, their circuit-level utilization, and the realization of hybrid system-in-foil integration strategies enabling secure identification and temperature sensing for automotive applications.
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Two complementary electrolyte-gated transistor (EGT) architectures are developed in this thesis. Hybrid-printed EGTs on glass substrates, implemented using laser-ablated indium tin oxide (ITO) electrodes combined with inkjet printed indium oxide semiconductor and composite solid polymer electrolyte layers, enable stable sub-1V operation with improved device uniformity. This architecture provides a robust basis for circuit realization and subsequent system-level integration. In parallel, fully-printed EGTs on glass and flexible polyimide substrates are realized using aerosol jet printed gold electrodes together with inkjet printed functional layers. Fully-printed EGTs on glass serve as a process and performance reference, facilitating transfer to polyimide substrates, where flexible devices with sub-1V operation are demonstrated. The demonstrated operation of these devices establishes the feasibility of circuit implementation on flexible substrates. Based on the hybrid-printed EGT architecture, an inverter array is realized using EGTs in combination with resistive pull-up loads and employed as a physically unclonable function (PUF). The PUF exploits analog variability in inverter transfer characteristics as an entropy source, enabling the generation of 36-bit identifiers using their relative output voltage comparison. In parallel, inkjet printed platinum-based resistive temperature sensors are developed in both Pt100 and Pt1000 configurations and characterized over an automotive-oriented temperature range (20◦C to 80◦C). The Pt1000 sensor is selected for hybrid system in-foil integration due to its compatibility with ASIC-based readout and reduced sensitivity to interconnect resistance.
At the system level, the printed PUF and temperature sensors are integrated with a custom 180nm CMOS ASIC, backside-thinned to approximately 30µm and embedded in a polyimide foil. The resulting hybrid system-in-foil enables reliable readout, digitization, and interfacing of printed devices assembled into a mechanically robust T-piece module representative of automotive systems. A security demonstrator further complements the hybrid system-in-foil architecture
by leveraging communication-channel entropy to derive a shared 256-bit session key, illustrating system-level secure identification and authenticated sensor data exchange without storing static cryptographic keys.
Overall, this thesis presents a coherent development pathway from printed devices to hybrid system-in-foil integration, demonstrating how low-voltage printed
electronics combined with foil-embedded ASICs enable system-level temperature sensing and PUF-based identification within an automotive-oriented security
framework.