Gedruckte Sensoren von InnovationLab

»Quality made in Germany« neues Leben einhauchen

21. Februar 2022, 11:55 Uhr | Markus Haller
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Sensoren aus dem Industriedrucker gelten als aussichtsreicher Ansatz, sowohl für hohe Stückzahlen als auch für sehr kleine Losgrößen. Einer der Technik-Pioniere ist InnovationLab, das zur industriellen Produktion mit Heidelberger Druckmaschinen kooperiert.

Business Developer Dr. Florian Ullrich sieht die Technik als Chance, um auch in Hochlohnländern konkurrenzfähig zu produzieren.

Markt&Technik: Dr. Ullrich, welche Arten von Sensoren lassen sich mit Ihrer Technik drucken?

Dr. Florian Ullrich: Unser Fokus sind Druck- und Temperatursensoren. Außerdem haben wir Feuchtigkeits- sowie Flüssigkeitssensoren, Berührungssensoren für Eingabesysteme, Slider, Präsenzdetektion, Füllstandssensoren, Dehnungsmessstreifen, Gassensoren, Photodioden sowie pH-Wert- und biochemische Sensoren entwickelt bzw. arbeiten an deren Weiterentwicklung.

Für wen ist die Technik interessant?

Sie ist sehr vielfältig, und damit sind auch die Anwendungsbereiche sehr breit gefächert. Täglich begegnen uns neue, oft sehr branchenspezifische Anwendungen, an die wir noch nicht gedacht haben. Wir haben uns jedoch für fünf Hauptmärkte entschieden: Automotive, Healthcare, Logistics, Retail und Smart City inklusive Smart Home.

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Dr. Florian Ullrich, InnovationLab: »Damit wird eine Produktionsverlagerung nach Asien irrelevant.«
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Wo liegen die Vorteile, wenn man das industrielle Druckverfahren mit der Herstellung von Halbleitersensoren vergleicht?

Ein wesentlicher Vorteil der gedruckten Elektronik ist der Erhalt großflächiger und ortsaufgelöster Messdaten. Jeder Zentimeter einer Oberfläche kann detektiert werden. Gedruckte Elektronik ermöglicht so den günstigen Zugriff auf sehr große Datenmengen, die mit herkömmlichen Methoden nicht zugänglich wären oder nicht bezahlbar. Gerade für Industrie 4.0 oder KI-Anwendungen ist dies essenziell.
Bei einer sehr erfolgreichen Entwicklung für den Dentalbereich beispielsweise wird die Druckverteilung zwischen Ober- und Unterkiefer gemessen. Dazu braucht man Sensoren mit einer Gesamtdicke von unter 50 µm und eine Ortsauflösung von unter einem Quadratmillimeter. Mit klassischer Halbleitertechnologie wäre das nicht machbar. Ohne die Flexibilität der Folie wäre diese Anwendung auch undenkbar. Das Bedrucken von dehnbaren oder thermoformbaren Folien eröffnet ganz neue Möglichkeiten, zum Beispiel für Wearables oder für Eingabesysteme im Fahrzeug.

Ein weiterer Pluspunkt sind die günstigen Herstellungskosten. Da wir zur Produktion eine modifizierte Etikettendruckmaschine verwenden, können wir komplexe Layouts und mehrere Schichten in einem Durchlauf und bei hoher Geschwindigkeit drucken. Da zudem für die Überwachung kaum Personal benötigt wird, wird eine Produktionsverlagerung nach Asien irrelevant. Beim Druck handelt es sich um ein additives Verfahren, es gibt also nahezu keinen Materialausschuss. Die Tinte wird gezielt an die Stellen gebracht, an denen sie benötigt wird. Bei herkömmlichen Prozessen, wie beim Bedampfen oder der Photolithografie, gelangt entweder ein Großteil des Materials gar nicht erst auf das Substrat oder es wird nachträglich wieder weggeätzt.

Viele Materialien sind organisch und nicht giftig. In gedruckten Akkus sind keine Flüssiganteile mit giftigen Elektrolyten enthalten, die auslaufen oder explodieren könnten. Einer Entsorgung im Restmüll spricht aus chemischer Sicht nichts entgegen.
Zwar werden auch beim Druck höhere Temperaturen zum Ausheizen der Tinte benötigt, mit typischerweise 120 bis maximal 230 °C liegen sie jedoch weit unterhalb dessen, was zum Schmelzen von Silizium nötig ist. Außerdem ist der Formfaktor frei wählbar. Innerhalb der Maße der Druckmaschinen lassen sich die Sensoren in ihrer Form nahezu uneingeschränkt an individuelle Bedürfnisse anpassen.

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Ortsaufgelöstes Druckprofil, aufgenommen über einen Foliensensoren im Fahrzeugsitz
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Aus der Display-Technik ist bekannt, dass organische Elektronik wie OLEDs weniger robust als Halbleitertechnik ist und eine kürzere Lebensdauer aufweist. Ist das bei der Sensorik kein Problem?

Das Problem ist tatsächlich weniger präsent bis nicht existent. Das hat verschiedene Gründe. Zum einen sind die Aufbauten häufig deutlich weniger komplex als in OLEDs. Für Druck- und Temperatursensoren werden beispielsweise nur zwei gedruckte Materialien verwendet: eine leitfähige Tinte für die Elektroden sowie eine druck- bzw. temperatursensitive Tinte. Eine weitere Verkapselung ist nicht unbedingt notwendig, da die druck- und temperatursensitiven Tinten selbst chemisch stabil sind – auch in Atmosphäre. Ähnliches gilt für feuchtigkeits- und pH-sensitive Materialien. Falls doch sensiblere Substanzen verwendet werden, kommen Verkapselungsmaterialien zum Einsatz, die nicht wie bei OLEDs perfekt transparent sein müssen. Sie können ausschließlich dem chemischen Schutz dienen oder zusätzlichen mechanischen Schutz bieten.

Was die Langlebigkeit von Drucksensoren angeht, kann ich ein kleines Beispiel geben: Hier können Zyklen von mehr als eine Million Wiederholungen mit 15 kg/cm2 Belastung durchlaufen werden, ohne dass es zu nennenswerten Störungen im Sensorsignal kommt. Maximaldrücke von einigen 100 kg/cm2 sind ohne Beschädigung möglich.

Es gibt aber auch viele Anwendungen für gedruckte Elektronik, bei denen extreme Langlebigkeit nicht notwendig oder gefordert ist. Das ist beispielweise bei der Okklusionskontrolle oder bei Smart Patches und Smart Labels der Fall. Hier besteht das Produkt aus einer kostenintensiveren Elektronik, die wiederverwendet wird, und einem günstigen gedruckten Sensor, der nach der Anwendung entsorgt wird.

Wie ist der aktuellen Stand der Technik und woran arbeiten Sie mit Ihren Partnern gerade?

Jede Sensortechnik ist auf einem anderen Stand, und wir bearbeiten aktuell rund 30 Projekte. Ich werde versuchen, anhand einiger Beispiele einen Eindruck zu geben. Eine sehr spannende Anwendung ist sicherlich die Batterieüberwachung mit druck- und temperatursensitiven Folien (siehe Textkasten: Battery Monitoring System). Für einen OEM haben wir ein System aus Sensorfolie, Ausleseelektronik und Software entwickelt. Damit können Experten untersuchen, wie sich Akkusysteme für E-Fahrzeuge verhalten. Im Gegensatz zu einzelnen Akkuzellen, deren Verhalten schon recht gut verstanden wird, ist das Verständnis von größeren Arrangements noch lückenhaft. Bisher war es einfach nicht möglich, Druck- und Temperaturdaten aus dem Inneren eines Akkupacks zu bekommen. Um mehr Leistung aus den Akkus herauszuholen, wäre das aber notwendig. Experten sprechen von 40 Prozent Lebensdauerverlängerung, die über die Forschung und entsprechende Daten gewonnen werden könnten. Dieses System haben wir gerade zu einem Produkt weiterentwickelt, sodass jeder, der Akkuteststände betreibt, diese wertvollen Daten sammeln kann.

Ein weiteres Thema dreht sich auch um Akkus, und zwar um gedruckte. Hier arbeiten wir mit Evonik zusammen. Gedruckte Akkus haben zwar nicht die Kapazität von herkömmlichen, aber sie sind dünn, leicht und flexibel. Damit eignen sie sich hervorragend für IoT-Anwendungen. Ein drittes Beispiel kommt aus dem Bereich Logistik. Für die Firma Trelleborg haben wir ein System für automatisierte Bestandsauffüllung von C-Teilen in Boxen entwickelt, das bald auch für andere Kunden verfügbar sein wird.

Das Potenzial von gedruckter Elektronik für Logistikanwendungen zeigt sich auch durch das Interesse von SAP, einem unserer Gesellschafter. In Kürze wird das erste intelligente Regal im Experience Center in Wiesloch/Walldorf ausgestellt. Es zeigt, wie gedruckte Sensorik zur Erfassung des Bestands in Lagern und Regalen genutzt werden kann, um das SAP-System mit Daten zu füttern. Außerdem arbeiten wir mit Automobilzulieferern wie Recardo an intelligenten Sitzen, an Eingabesystemen und lokalen Heizelementen. Und dann gibt es noch einige spannende Projekte, über die ich liebend gerne erzählen würde, es aktuell aber leider noch nicht darf.


  1. »Quality made in Germany« neues Leben einhauchen
  2. Märkte für gedruckte Sensorik
  3. Steckbrief: Battery Monitoring System

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