Alle Artikel von Hans-Peter Hohe

Artikel mit der Beteiligung von Hans-Peter Hohe:

xD-Hallsensorik

 

Joystickwissenschaften

Positionsmesssysteme werden aus Verschleiß- und Konstruktions-Gründen immer häufiger als berührungslose Systeme ausgeführt. Magnetfeldsensoren, die das magnetische Feld oder die Flussdichte in einer Richtung erfassen, sind in diesem Bereich stark vertreten. Am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS wurde in den letzten Jahren die neue HallinOne®-Technologie entwickelt, mit der es möglich ist, alle drei Raum-Komponenten des Magnetfeldes quasi punktförmig zu messen. Dies ermöglicht es, in eine völlig neue Klasse von magnetfeld-basierten Positionsmessystemen vorzudringen: die mehrdimensionale Gradienten-Messung.
[…]
Damit können komplexe mehrachsige Bewegungen erfasst werden. Neben schaltenden Anwendungen können mit der neuen Technologie auch sehr präzise Systeme zur Messung von Winkel- und Linearpositionen und Kombinationen von diesen aufgebaut werden.
[…]
Grundlagen magnetische Positionssensorik
Um mit einem Magnetfeldsensor Relativbewegungen eines anderen Körpers detektieren zu können, wird an dem bewegten Teil ein Magnet befestigt. Sobald sich dieser Körper relativ zum Sensor bewegt ändert sich damit das vom Sensor ‚gesehene’ Magnetfeld. Aus dem Wissen, um welche Art von Magnet und damit Feldverlauf es sich handelt, kann mit Hilfe des gemessenen Magnetfeldes die neue Position des Körpers bestimmt werden. Diese Aufbau erlaubt sehr einfache einachsige Winkel und Positionsmesssysteme.
Bei Verwendung eines 3D-Magnetfeldsensors erhält man 3 Magnetfeldgrößen womit maximal dreiachsige Positionsmesssysteme möglich sind. In der Mechanik gibt es aber sechs Freiheitsgrade: drei translatorische und drei rotatorische.

Um diese zusätzlichen Freiheitsgrade über ein magnetisches Positionsmesssystem erfassen zu können, benötigt man weitere linear unabhängige Messgrößen. An dieser Stelle können die Vorteile der HallinOne®-Technologie sehr gut genutzt werden. Diese Technologie bietet die Möglichkeit, auch Ableitungen der drei Magnetfeldkomponenten zu messen. Insbesondere ist es monolithisch auf einem Chip möglich, die Ortsableitungen der drei Magnetfeldkomponenten nach x und y zu bestimmen indem man mehrere gleichartige Sensoren in einem definierten Abstand auf dem gleichen Chip anordnet. Wenn man Ableitungen der ersten Ordnung realisiert, so ergeben sich mit den Absolut-Werten bereits neun unabhängige Messgrößen auf einem Chip. Damit können zumindest theoretisch bereits alle sechs mechanischen Freiheitsgrade eines Körpers bestimmt werden. Von Sensor-Seite her ist es sogar möglich, auch Ableitungen 2. Ordnung zu bestimmen, was die Anzahl der linear unabhängigen Messgrößen auf einem Chip noch weiter erhöht. Damit kann beispielsweise eine Unterdrückung homogener externer magnetischer Felder erreicht werden. Grundsätzlich können mit einer höheren Anzahl an Messgrößen auch weitere Störeinflüsse, wie z.B. mechanische Dejustagen erkannt und korrigiert werden.
[…]
Die HallinOne®-Sensor-Technologie kann in vielen ein- oder mehrdimensionalen Positions-Erfassungs-Systemen vorteilhaft angewandt werden. Durch die quasi punktförmige Erfassung aller 3 Raum-Komponenten des Magnetfeldes und deren Ableitungen, die vollständige Integrierbarkeit aller Sensoren in einem Halbleiter- Substrat und die verzerrungsfreie Erfassung des Magnetfeldes lassen sich nun Aufgaben der Positionserfassung mit Hilfe von Feldgradienten lösen. Dadurch werden völlig neue Anwendungen erst möglich bzw. können bisherige Lösungen deutlich verbessert bzw. vereinfacht werden.
Weiterführende Informationen
(PDF; 2,3 MB)

Anfang der 90er Jahre, ein Blick in das Zimmer eines Nerds, der nicht weiss, dass er ein Nerd ist oder was ein Nerd ist. Nicht einmal das Wort kennt er. An der Wand ein StarWars-Poster, im Regal fragwürdige Plastikfiguren, auf dem Schreibtisch ein C64 oder ein Amiga, von den Eltern gekauft mit dem Versprechen, nicht nur zu spielen, sondern auch “Textverarbeitung” für die Schule zu machen. Naja. In der Schule in Physik nimmt er gerade den Hall-Effekt durch. Er versteht schnell, worum es da geht, eine elektrische Spannung baut sich auf, wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld befindet, irrtierenderweise quer zur Richtung von Stromfluss und Magnetfeld. Interessant, aber nicht abendfüllend und für den Alltag mäßig interessant, jedenfalls nicht so interessant computerspielen, denkt der Nerd und vergisst den Hall-Effekt wieder.

Vor seinem Amiga steht eine Reihe seltsamer rotschwarzer Plastikkonstruktionen, der Nerd schließt sie nacheinander an den Compi an, wie man damals zum Computer sagte, die 90er waren nur mäßig kreativ. Der Nerd testet. Er testet Joysticks auf ihre Widerstandsfähigkeit, was mit dem Spiel “California Games” ausgezeichnet funktioniert, denn Ziel des Spiels ist, den Steuerknüppel so schnell und so heftig wie möglich hin und her zu reissen und dabei den Feuer-Knopf in höchster Frequenz zu drücken. Die Testergebnisse des Nerds stehen schnell fest, an Platz eins der Competition Pro, an Platz zwei der Quickshot II, die anderen gehen eigentlich alle sofort kaputt. Nerds können beachtliche Handkräfte entwickeln. Aber selbst der Competition Pro überdauert bei intensiver Benutzung maximal acht Wochen. Denn obwohl die Plastikschale robust ist – die stromführenden Kontakte zur Steuerung im Innern sind es eben nicht. Weil sie Kontakte sind, weil sie sich berühren und deshalb die ungeheure Nerdhandkraft hunderttausend Mal pro Tag aushalten müssen. Ab und zu, an heissen Sommertagen, hat er einen Traum, aber der erscheint ihm technisch unmöglich, man kann Joysticks einfach nicht überall hin mitnehmen.

Rissschwenk ins heute. Ab und zu denkt der Nerd noch an früher, an seine Joysticks, er hat sich sogar einen Atari 2600 gekauft, aus Wehmut, aber es ist nicht mehr das Gleiche. Und mit einem Mal prallt das Wichtige von damals – der Joystick – zusammen mit dem Vergessenen von damals – dem Hall-Effekt. Diese physikalische Erscheinung könnte plötzlich wieder eine Rolle im Nerdleben spielen. Positionsbestimmungen wie im Joystick funktionieren natürlich nicht nur mit schnell kaputtgehenden Kontakten, sondern inzwischen auch berührungslos. Zum Beispiel mithilfe des Hall-Effekts, indem man misst, wie und in welcher Stärke er auftritt. Die Sensoren dafür waren leider bisher empfindlich und ab und zu ungenau, weil sie nur in einer Ebene funktionieren, zum Beispiel von links nach rechts. Mit oben und unten sind sie also schon überfordert, man könnte hier auf Krampf ein politisches Wortspiel anschließen, aber man muss ja nicht.

Mit einer vor einiger Zeit entwickelten Technologie mit dem, sagen wir, angemessen innovativen Namen “HallinOne-Sensor”, lässt sich mit einem Chip aber die Position im dreidimensionalen Raum messen. Und zwar ausreichend präzise, dass es sogar einer der höchsten Anforderungen in der Technologie überhaupt genügt, also bei Joysticks in Nerdhänden mit California-Games-Erfahrung. Damit sind in den Joysticks drin dreidimensionale Positionsbestimmungen berührungslos ohne die ständig defekten Kontakte möglich – und das ist nichts weniger als famos. Denn Berührungslosigkeit vereinfacht wesentlich die Herstellung von wasserdichten Joysticks. California Games in der Badewanne, mit einem Joystick, der nicht kaputt geht, schon bevor die Fingerkuppen wellig werden – ein Traum wird wahr.