Magnetsensor: Die Navi-Finger

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Sowohl in realen als auch virtuellen Umgebungen hängt vieles von der genauen Positionsbestimmung ab. Hauchdünne Magnetfeldsensoren leisten das nun in beiden Welten, indem sie die Träger völlig unkompliziert in einen „Kompass“ verwandeln.

Was wir von der Umwelt mitbekommen, ist weniger als die halbe Wirklichkeit. Nicht nur sind unsere Sinne eingeschränkt, manche fehlen uns auch völlig. Ein Blick ins Tierreich deckt da schnell die Mängel auf. Fledermäuse hören Töne im Ultraschallbereich, Hammerhaie „spüren“ elektrische Felder und das Grubenorgan vermittelt einigen Otterarten ein dreidimensionales Wärmebild der Umgebung. Und die Liste ließe sich beliebig verlängern. Der Mensch kann solche Fertigkeiten nur mit zum Teil erheblichem technischen Aufwand nachbilden. So etwa auch die Fähigkeit der Vögel, sich am Erdmagnetfeld zu orientieren.

Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelten dazu einen hochempfindlichen Magnetsensor, der die Bewegungen eines Körpers im Raum über die Interaktion mit dem Erdmagnetfeld bestimmt. Hauchdünn und flexibel findet er überall auf der Haut Platz. So klebten die Forscher den Sensor zum Beispiel an den Zeigefinger. Orientiert sich nun der Träger von Norden über Westen nach Süden und zurück, steigt oder fällt die elektrische Spannung dementsprechend. Daraus lässt sich dann einfach die Funktionsweise eines normalen Kompasses reproduzieren.

Virtuell unterwegs mit einem Magnetsensor

Magnetsensoren
Bewegt sich die Hand nach links, hin zum magnetischen Norden, schlägt auch das Tier diese Richtung ein (a). Eine Verschiebung nach rechts lässt ihn in die Gegenrichtung wandern (b). Bei einer Bewegung zur Mitte orientiert sich der Panda wiederum leicht nach links. (Bild: HZDR/Cañón Bermúdez).

Das ist aber nur die eine Seite der magnetischen Medaille. Denn das Prinzip taugt ebenso in virtuellen Welten. Dort konnten die Forscher zum Beispiel bei Panda3D, einer Software für die Produktion von Computerspielen, einen digitalen Panda allein über Magnetsensoren steuern. Der Norden entspricht in dem Fall einer Bewegung nach links, der Süden einer Bewegung nach rechts. Die Detektion des Magnetfelds aus der realen Welt lässt sich also direkt in den virtuellen Bereich übersetzen.

Die Sensoren selbst sind aus hauchdünnen Permalloy-Streifen zusammengesetzt. Dabei handelt es sich um ein Legierung aus Nickel (81 Prozent) und Eisen (19 Prozent). Als Messprinzip dient der seit sechzig Jahren bekannte anisotrope (von der Raumrichtung abhängig) magnetoresistive Effekt (AMR). In Materialien mit eigener Magnetisierung tritt dabei abhängig von der Orientierung zu einem äußeren Magnetfeld eine Änderung des elektrische Widerstandes auf. Heute finden sich AMR- Sensoren unter anderem in der KFZ-Lenkung, in hochpräzisen Kameraobjektiven oder in augenmedizinischen Messgeräten. Sogar auf dem Mars, wo sie die Erkundungsfahrzeuge steuern, sind sie unentbehrlich.

Um sie nun aber speziell auf das Erdmagnetfeld auszurichten, haben die Forscher des Helmholtz-Zentrums die ferromagnetischen Streifen in einem Winkel von 45 Grad mit leitfähigen Goldplättchen belegt. Der Strom kann deshalb nur in diesem Winkel fließen, wodurch die Sensoren am empfindlichsten in der Nähe besonders kleiner Magnetfelder sind. Die Spannung ist also am stärksten, wenn die Sensoren auf Norden, und am schwächsten, wenn sie auf Süden ausgerichtet sind.

 

 

 

Magnetsensor (Bild: pixabay).

Mit Magnetsensoren können Menschen wie Vögel das Magnetfeld der Erde zur Orientierung nutzen? (Bild: pixabay).