Eine neue Richtung für digitale Kompasse

Mobiltelefone und viele andere mobile Geräte sind heute mit Sensoren ausgestattet, die sie bei ihrer Bewegung verfolgen können. Die digitalen Kompasse, Gyroskope und Beschleunigungsmesser, die in solche Geräte eingebettet sind, haben eine breite Palette von standortbasierten Diensten sowie neuartige Möglichkeiten zur Steuerung mobiler Geräte hervorgebracht – zum Beispiel durch Schütteln oder Streichen. Jetzt könnte eine neue Art, diese Sensoren herzustellen, diese Technologie kleiner und billiger machen.

Der Fortschritt könnte auch dazu führen, dass Bewegungssensoren in vielen weiteren Geräten und Objekten auftauchen, einschließlich Laufschuhen oder Tennisschlägern, sagt Nigel Drew von der in Barcelona, ​​Spanien ansässigen Baolab-Mikrosysteme , die die neue Technologie entwickelt hat.

Baolab hat einen neuen digitalen Kompass mit einer einfacheren Herstellungsmethode entwickelt. Die Technologie werde nächstes Jahr in GPS-Geräten auftauchen, sagt Drew. Das Unternehmen hat auch Prototypen von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen hergestellt und plant, alle drei Sensortypen auf demselben Chip zu kombinieren.

Herkömmliche digitale Kompasse werden mit der sogenannten komplementären Metalloxid-Halbleiter-Fertigung hergestellt, der gebräuchlichsten Methode zur Herstellung von Mikrochips und elektronischen Steuerschaltungen. Solche Kompasse enthalten jedoch Strukturen wie Magnetfeldkonzentratoren, die nach der Herstellung des Chips hinzugefügt werden müssen, was die Komplexität und die Kosten erhöht. Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass [unser Kompass] vollständig innerhalb des Standard-CMOS erstellt wird, sagt Drew.

Dies ist möglich, weil der Kompass ein Phänomen namens Lorentzkraft ausnutzt. Die meisten kommerziellen digitalen Kompasse beruhen auf einem anderen Phänomen, dem sogenannten Hall-Effekt, der funktioniert, indem ein Strom durch einen Leiter geleitet wird und Spannungsänderungen durch das Erdmagnetfeld gemessen werden.

Die Lorentzkraft hingegen entsteht, wenn ein magnetisches Feld eine Kraft auf ein leitendes Material ausübt, wenn ein Strom durch dieses fließt. Ein Gerät kann das Magnetfeld bestimmen, indem es die Verschiebung eines Objekts misst, auf das diese Kraft einwirkt.

In Baolabs Chips wird ein nanoskaliges mikroelektromechanisches System (MEMS) aus einem herkömmlichen Siliziumchip herausgeätzt. Dieses Nano-MEMS-Bauelement besteht aus einer an Federn aufgehängten Aluminiummasse. Wenn ein Gerät einen Strom durch die Masse treibt, üben alle vorhandenen Magnetfelder eine Kraft auf die Masse aus und beeinflussen ihre Resonanz. Ein Paar Metallplatten, die die Masse flankieren, erkennt diese Veränderungen. Ein Gerät kann das Magnetfeld in einer Richtung messen, indem es winzige Änderungen der Kapazität dieser Platten feststellt. Mit einem Satz von drei dieser Sensoren kann das Gerät die Richtung des Erdmagnetfelds und damit seine Ausrichtung bestimmen.

Diese Art von MEMS-CMOS-Co-Integration-Technologie wird die Empfindlichkeit verbessern und kleinere und daher billigere Sensorchips im Vergleich zu den herkömmlichen ermöglichen, sagt Hiroshi Mizuta , Professor für Nanoelektronik an der NANO Group der Southampton University.

Jeder der Nano-MEMS-Sensoren von Baolab ist weniger als 90 Mikrometer lang. Drew sagt, dass es möglich sein sollte, alle drei Arten von Sensoren in einem einzigen, nur drei Millimeter langen Chip zu integrieren.

Unter der Haube: Ein Rasterelektronenmikroskop-Bild des digitalen Kompasses von Baolab.

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