Beschleunigungssensoren sind heutzutage omnipräsent. In jedem Smartphone und den meisten eBook-Readern findet man sie. Unter anderem sorgen sie dafür, dass sich das Display dreht, wenn man das Gerät auf die Seite stellt. Aber wie genau funktioniert das eigentlich?
Den Mythos vom kleinen Kobold, der bei jeder Bewegung aus dem Bett kullert und wütend das Bild dreht, widerlegt ein kurzes Erklärungsvideo des „EngineerGuy“. Sein bürgerlicher Name lautet Bill Hammack und er ist Dozent für chemische und biomolekulare Ingenieurwissenschaften an der Universität von Illinois.
Bill erklärt regelmäßig interessante Phänomene und Geräte unserer Zeit. Diese Woche geht es um den Beschleunigungssensor in Smartphones und anderen mobilen Geräten. Eigentlich ist das Prinzip denkbar einfach. Für einen eindimensionalen „B-Messer“ benötigt man kaum mehr als eine Feder und eine träge Masse.
Die Feder wird sich bei jeder Bewegung senkrecht zur Erdanziehungskraft zusammenziehen und ausdehnen. Misst man diese Veränderungen, lässt dies Rückschlüsse auf die Bewegung zu. Ordnet man je einen solchen Sensor in jeder der drei Achsen des Raumes an, kann die Bewegung eines Gegenstandes in drei Dimensionen gemessen werden.
Nun ist in einem Mobiltelefon, sei es nun ein iPhone 4S oder ein Galaxy S3, bekanntermaßen kein Platz für dicke Röhren und schwere Kugeln. Schließlich werden die i- und sonstige Devices dünner und dünner.
Darum bedienen sich die Konstrukteure sehr viel filigranerer Technik. Grundsätzlich bildet auch die komplexe Silizium-Konstruktion nur das Prinzip aus träger Masse und Feder ab. In dem winzigen Chip befinden sich drei federnd gelagerte, Kamm-artige Strukturen aus Silizium.
Jeder der „Zinken“ dieses Kamms bildet mit zwei weiteren Bauteilen einen Differenzialkondensator. Klingt kompliziert, bedeutet aber nur, dass bei Bewegung des „Kammes“ Strom fließt. Aus der Stärke des Stromflusses wiederum lässt sich die Bewegung errechnen.
Wenn das noch nicht interessant genug ist, bleibt die Frage: Wie wird so ein Teil gebaut, das gerade einmal 0,05 Millimeter breit ist? Dabei machen sich die Ingenieure eine der besonderen Eigenschaften des Elementes Silizium zu Nutze. In diesen Größenordnungen wäre jedes mechanische Werkzeug überdimensioniert, also muss die Chemie helfen.
Mithilfe von Kaliumhydroxid, das in Wasser zu Kalilauge gelöst wird, ätzt man sozusagen die nicht benötigten Strukturen aus einem Siliziumblock, so dass nur noch das gewünschte Bauteil übrig bleibt. Kontrollieren lässt sich der Vorgang aufgrund der besonderen Kristallstruktur des Silizium. Sie bewirkt, dass die Kalilauge „umgekehrte Pyramiden“ in das Material wäscht.
Ist das Ganze einmal präzise ausgerechnet, kann die Herstellung der Sensoren sehr leicht automatisiert werden, was natürlich die Kosten enorm senkt.
Manchmal mag es ganz heilsam sein, sich die Komplexität und den Fortschritt zu vergegenwärtigen, der inzwischen in unseren Alltag eingezogen ist. Wenn also das Smartphone mal wieder abstürzt oder nicht so recht will, wie sein Benutzer — einfach mal einen Schritt Abstand nehmen. Einfach mal einen Moment darüber nachdenken, dass da gerade auf unvorstellbar kleinem Raum Bauteile zum Einsatz kommen, von denen wir bis vor wenigen Jahren nur träumen konnten.
So bewahrt man sich die Ehrfurcht, aber auch das Staunen über die Technik, die wir eigentlich als selbstverständlich hinnehmen.
(via CultOfMac, Bild: iFixit.com)
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