Das Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik sowie Wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) der Technischen Universität Chemnitz, hat eine Methode vorgestellt, um eine äußerst empfindliche Einheit richtungsabhängiger magnetischer 3D-Sensoren zu entwickeln, die in ein E-Skin-System integriert werden kann. Dabei nutzten sie einen völlig neuen Integrationsansatz zur Miniaturisierung und ultrakompakten Anordnung mikroelektronischer Komponenten.
Christian Becker, Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Schmidt am Forschungszentrums MAIN der TU Chemnitz und Erstautor der Studie, sagt: „Unser Ansatz erlaubt die exakte Anordnung funktionaler Sensorelemente in drei Dimensionen, die in einem parallelen Verfahrensschritt auf einem Chip erzeugt werden kann. Solche Sensorsysteme sind mit konventionellen Methoden der Mikroelektronik extrem schwer herzustellen“.
Sensoren für E-Skins
Kern des vom Forschungsteam vorgestellten Sensorsystems ist ein sogenannter anisotropischer magnetoresistiver Sensor (AMR). Mit einem AMR können Veränderungen in Magnetfeldern präzise bestimmt werden. Aktuell werden AMRs zum Beispiel als Drehzahlsensoren im Pkw oder zur Positions- und Winkelbestimmung von beweglichen Komponenten in Maschinen eingesetzt.
Verfahren der Wahl: Mikro-Origami-Methode
Zur Entwicklung ihres hochkompakten Sensorsystems bediente sich das Team des sogenannten Mikro-Origami-Verfahrens. Dieses Verfahren dient der automatischen Auffaltung von mehreren AMR Sensorkomponenten auf einem Chip in eine drei dimensionale Würfelstruktur, die das magnetische Vektorfeld auflösen kann. Mit der Mikro-Origami-Methode passen viele mikroelektronische Komponenten auf engsten Raum mit Geometrien, die man mit konventionellen Mikrochip-Herstellungsverfahren nicht realisieren kann.
Das Forschungsteam integrierte die Mikro-Origami-Magnetsensoren in eine aktive elektronische Matrix, mit der jedes einzelne Sensorelement durch elektronische Schaltkreise bequem adressiert und ausgelesen werden kann. „Die Kombination aus aktiver Sensormatrix mit sich selbst organisierenden Mikro-Origami-Bauteilen ist ein völlig neuer Ansatz für die Miniaturisierung und Integration von 3D-Sensorsystemen mit hoher Auflösung“, sagt Dr. Daniil Karnaushenko, der maßgeblich an der Konzeption und Durchführung des Projekts beteiligt war.
Jedes Härchen eine eigene Sensoreinheit
Darüber hinaus ist es dem Forschungsteam gelungen, die 3D-Magnetfeldsensoren mit feinsten künstlichen Härchen in eine künstliche Haut zu integrieren. Die Härchen wurden jeweils mit einer magnetischen Wurzel ausgestattet. Die Haut besteht aus einer elastischen Polymermatrix, in die Elektronik und Sensorik integriert wurde. Das ist so ähnlich wie bei echter organischer Haut, in der die Nerven und Sinneszellen eingebettet sind.
Werden die Härchen leicht berührt, bewegen sich die magnetischen Wurzeln in eine bestimmte Richtung, dessen Positionen von den darunterliegenden Magnetfeldsensoren exakt bestimmt werden können. Das bedeutet, dass die Sensormatrix nicht nur die Bewegungen der Haare registriert, sondern auch deren Richtung. Somit wird – wie bei echter Haut – jedes Haar auf einer E-Skin zu einer eigenen Sensoreinheit, die Veränderungen in der direkten Umgebung richtungsabhängig wahrnehmen kann.
Einsatzfelder von E-Skins
Die Einsatzfelder von E-Skins reichen vom Hautersatz über Anwendungen als medizinische Sensoren am Körper bis hin zu künstlicher Haut für zum Beispiel menschenähnliche Maschinen wie humanoide Roboter und Androiden.
Die magneto-mechanische Kopplung zwischen 3D Magnetfeldsensor und magnetischer Haarwurzel stattet E-Skin mit einer neuen Form der berührungsempfindlichen Wahrnehmung aus. Diese Fähigkeit ist zum Beispiel von großer Bedeutung, wenn Menschen und Roboter eng zusammenarbeiten und ein Roboter seinen menschlichen Gegenpart kurz vor einer gewollten Berührung oder einer gefährlichen Kollision vorausschauend und exakt wahrnehmen soll. (eve)
