Intelligente Etiketten – Autarke Sensoren sind der Einstieg in die Zukunft

Das Thema Smart Tags, Smart Objects oder intelligente Etiketten wird schon länger diskutiert, viel wurde versucht oder demonstriert, aber bis heute hat sich (noch) kein massentaugliches Produkt daraus ergeben. Vor zehn bis fünfzehn Jahren glaubte man, dass in wenigen Jahren RFID-Tags auf Item-Level zum Alltag gehören werden. Momentan gewinnt das Thema jedoch zunehmend an Bedeutung. Prof. Dr.-Ing. Gunter Hübner, HdM Stuttgart, erläutert die Hintergründe.

In Pilotstudien, wie dem Metro Future Store wurden Visionen gezeigt, wie es wäre, wenn auf jedem Artikel, also auf jedem Joghurtbecher, jeder Milchtüte etc. ein RFID-Tag angebracht ist. Alles geht per Funk, zum Kassieren muss man die Ware nicht mehr auf ein Band legen. Zu Hause weiß der intelligente Kühlschrank, dass kein Joghurt mehr da ist und schreibt die fehlenden Waren gleich auf die elektronische Einkaufsliste. Die RFID-Tags sollten inklusive des Chips vollständig gedruckt sein – Stückzahlen im Multi-Millionen-Bereich.

Beobachten und Informationen bündeln

Heute ist klar, dass dies allein schon aus Kostengründen eine Vision bleiben wird. Organisationen wie die OE-A (organic and printed electonics association www.oe-a.org) bemühen sich die Aktivitäten in diesem Bereich zu bündeln, zu beobachten und Vorhersagen zu treffen. Die OE-A gibt ca. alle zwei Jahre einen Bericht heraus, bei dem existierende Produkte genannt und die zukünftigen Entwicklungen mit einer zugehörigen Zeitschiene vorausgesagt werden. Vergleicht man die Berichte mit den aus vorigen Jahren fällt auf, dass sich die Zeitachse immer ein gutes Stück nach rechts verschiebt. In der Realität heißt das also, dass die Produkte auf Basis gedruckter Elektronik oder funktionalen Druckens immer erst viel später kommen als einmal vorausgesagt wurde.

Es ist heute klar, dass sich Transistoren nicht in konkurrenzfähiger Performance zu silikonbasierten Schaltkreisen drucken lassen. Selbst einfachste logische Schaltungen sind drucktechnisch sehr schwer, nur sehr teuer (die benötigten Halbleitermaterialien sind empfindlich teuer) und nicht haltbar genug zu realisieren – und welchen Zweck sollten Sie denn mit einer ein- bis zweistelligen Zahl von Transistoren erfüllen? Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der geschickten Kombination von funktionalem Druck mit silikonbasierter, klassischer Elektronik. Ein gedruckter Sensor, dessen Messwerte mit Hilfe eines elektronischen Chips ausgewertet werden und per Funk an einen Computer oder ein Smartphone übermittelt werden, wäre ein schönes, passendes Beispiel. Natürlich muss die Handhabung sehr einfach sein und die Kosten müssen gegenüber konventionellen Produkten deutlich niedriger liegen.

Aufklebbarer Temperatur-Logger

Das im Folgenden vorgestellte Beispiel eines Temperatur-Loggers in Form eines aufklebbaren Labels erfüllt die beschrieben Voraussetzungen und scheint ein denkbar großes Potenzial für eine Massenanwendung zu haben.

Der Temperatur-Logger Neftag der Firma Elmeric enthält einen Chip mit Temperaturfühler, eine NFC-Antenne und als Energiequelle eine gedruckte Einweg-Batterie. Der Chip dient zur Auswertung, Speicherung, zum Datenhandling und zur Datenübermittlung an ein Smartphone mit Hilfe der NFC-Antenne. Auf dem Smartphone muss dazu die passende App des Software Herstellers Argo geladen sein. Die Kommunikation zwischen dem Sensor und dem Smartphone erfolgt via NFC durch Auflegen des Smartphones. Der Chip zeichnet den Temperaturverlauf in einem frei wählbaren Messintervall zwischen einer Sekunde und neun Stunden auf. Sein Speicher ist zurzeit auf ca. 20.000 Messpunkte begrenzt. Der Temperaturbereich, den der Sensor abdecken kann, liegt zwischen -20°C bis +60°C.

Das Anwendungspotenzial ist weltweit vor allem in der Logistik von Lebensmitteltransporten groß, da mit Verschärfungen von Transport-Regularien zu rechnen ist. Besonders spannend ist aber die Herstellung dieses autarken Sensors. Auf ein im Etikettenbereich übliches Selbstklebe-Grundsubtrat werden sukzessive alle erforderlichen Leiterbahnen, die Antenne (beides Silberleitpasten) und die Batterie einfach im Siebdruckverfahren aufgedruckt. Im Etikettenbereich sind schmalbahnige Rolle-zu-Rolle-Maschinen mit mehreren Auftragstationen üblich, die für eine solche Produktionsstrecke prädestiniert sind. Nachdem der einzige Chip, der sämtliche Funktionen enthält, mit Pick and Place an die richtige Stelle aufgespendet wurde, wird ein von der Firma Elmeric entwickeltes Niedertemperatur-Löt-Verfahren angewandt um die Verbindung des Chips mit den Leiterbahnen herzustellen. Eine abschließend aufgebrachte Abdeckfolie schützt den Chip vor äußeren Einflüssen und die Batterie (d.h. den Elektrolyten) vor dem Austrocknen. Der Chip kann dann ebenfalls über NFC mit den wählbaren Parametern programmiert werden. Während konventionelle Temperaturlogger ab ca. EUR 15 zu haben sind, verspricht Neftag einen deutlich günstigeren Preis.

Die im Temperaturlogger integrierte Zn/MnO₂-Batterie (Zink-Braunstein) ist aus einer mehrjährigen Forschungsarbeit der Forschungsgruppe IAD (Innovative Anwendungen der Drucktechnologien) an der Hochschule der Medien mit mehreren Partnerfirmen wie z.B. Varta Microbattery und Etikettendruckunternehmen wie Schreiner Group und etifix entstanden. Gefördert wurde die Forschung durch das BMBF. Weitere Informationen zu gedruckten Batterien gibt es im Info-Kasten, auf der Webseite des Autors und auf www.hdm-stuttgart.de/iad.

Interessanter Einstieg geglückt

Weltweit ist Elmeric nicht die einzige Firma, die sich den autarken Sensoren verschrieben hat. Hauptsächlich der finnische Anbieter Enfucell, der kommerziell gedruckte Dünnfilmbatterien anbietet, versucht einen Temperaturlogger mit ähnlichen Eigenschaften zu vermarkten. Ein weiterer deutscher Anbieter nennt seinen Temperaturlogger intellilog. Er ist sehr ähnlich zum Neftag und Informationen sind auf http://www.intellilog.io zu finden. Mit den autarken Temperaturloggern ist ein äußerst interessanter Einstieg in einen vielversprechenden Markt geglückt und die nächsten Monate/Jahre müssen zeigen, ob sich der zu erwartende Erfolg einstellt und noch weitere, ähnliche Produkte folgen.