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Wie ein Kompass: Superflacher Sensor registriert Magnetfelder

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Dinge steuern allein mit der Bewegung von Hand und Fingern: Bisher ist das in virtuellen Welten nur mit speziellen Handschuhen möglich. Ein Sensor für Magnetfelder könnte dies ändern - hoffen zumindest seine Erfinder.

Schematische Darstellung eines 2D-Magnetfeldsensors, der auf einer Handfläche montiert ist.
Schematische Darstellung eines 2D-Magnetfeldsensors, der auf einer Handfläche montiert ist.
(Bild: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V.)

Bewegungen in der virtuellen Realität ohne klobige Handschuhe - das könnte mit einem neu entwickelten Sensor möglich werden. Eingebettet in eine künstliche Haut misst das winzige Gerät die Lage einer Hand im Raum anhand eines äußeren Magnetfeldes.

Noch muss dieses Feld von einem kleinen Permanentmagneten erzeugt werden. Aber die Forschergruppe um Denys Makarov vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist zuversichtlich, dass nach einer Weiterentwicklung das Magnetfeld der Erde ausreichen wird - wie bei einem Kompass. Die Wissenschaftler beschreiben ihre Erfindung im Fachmagazin Science Advances.

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"Diese Technologie wird eine Fülle von Anwendungen ermöglichen, von der Navigation, der Bewegungsverfolgung in Robotik, regenerativer Medizin, Sport und Gaming bis hin zur Interaktion in ergänzter Realität", schreiben die Forscher. Der Sensor und die künstliche Haut sind dabei mit einer Stärke von 3,5 Mikrometern (Tausendstel Millimetern) so flach, dass sie für den Träger kaum wahrnehmbar sind.

Als Grundlage dient eine von Makarov und Kollegen entwickelte hauchdünne Polyimid-Folie, die mehr als 300 Grad Celsius aushält. Nachdem der Sensor aus verschiedenen Metalllegierungen mit Methoden der Mikroelektronik hergestellt wurde, wird er zusammen mit der Folie von einer Schicht Polydimethylsiloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis, bedeckt. Dadurch ist das Gerät sehr flexibel und verträgt sogar, gebogen zu werden.

Das eine zentrale Sensorelement ist ein sogenanntes Spin Valve: Es besitzt zwei unterschiedlich magnetisierbare Materialien und sein elektrischer Widerstand ändert sich mit der Ausrichtung eines äußeren Magnetfeldes. Spin Valves werden beispielsweise zum Auslesen magnetischer Festplatten genutzt. Die Spin Valves sind eingebunden in zwei ineinander verschachtelte sogenannte Wheatstone-Brücken, mit denen kleine Widerstandsänderungen gemessen werden können. Die dadurch entstehenden winzigen Änderungen der elektrischen Spannung werden aufgezeichnet und analysiert.

Die Forscher setzten zwei Anwendungsbeispiele um: Beim ersten Projekt wurde der Sensor in ein Armband integriert. Mit einem kleinen Magneten an der Fingerspitze ist ein Nutzer nun in der Lage, eine Ziffernfolge zu generieren, indem er den Magneten an verschiedene Seiten des Sensors hält. Projekt 2 ist eine berührungslose Einrichtung zum Dimmen einer Lichtquelle. Mit einer Handdrehung um 180 Grad kann der Nutzer den Lichtschalter vom Minimum zum Maximum bringen, mit vier Zwischenstufen.

Torsten Kröger vom Karlsruher Institut für Technologie, der nicht an der Studie beteiligt war, findet den Ansatz der Dresdner Forscher interessant, Sensoren für Magnetfelder zu verwenden. Üblicherweise funktionieren entsprechende Sensoren nach elektrostatischen oder -dynamischen Prinzipien. "Wenn man ein eigens erzeugtes Magnetfeld verwendet, kann ich mir vorstellen, dass es sehr robust funktioniert." Hinsichtlich der Verwendung des Erdmagnetfeldes ist er skeptischer, weil dieses recht starke örtliche Schwankungen aufweist. Das Nutzen der neuen Technologie für Bewegungen in der virtuellen Realität hält er für eine "tolle Anwendung".

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