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Wie ein Handy Oben und Unten unterscheidet EngineerGuy Folge #4
Ich glaube das ist eins der coolsten Features der heutigen Smartphones.
Es weiss, wo Oben und wo Unten ist.
Ein kleines Bauelement, welches in den Schaltkreis eingebaut ist
kann die Lage des Gerätes bestimmen und den Bildschirm entsprechend rotieren lassen.
Lassen Sie mich Ihnen anhand eines alten iPhones zeigen, wie es aussieht.
Hier ist es
Es ist ein Beschleunigungssensor.
Ich werde Ihnen erklären, wie ein solcher Chip funktioniert und wie dieser hergestellt wird.
Aber zuerst einmal das Wesentliche über Beschleunigungssensoren.
Sie haben zwei grundlegende Teile
Ein Gehäuse, welches mit dem Objekt verbunden ist, von dem wir die Beschleunigung messen wollen
und eine Masse, die sich bewegen kann, obwohl sie mit dem Gehäuse verbunden ist.
In unserem Fall ist es eine Feder mit einer Metallkugel.
Wenn man das Gehäuse bewegt, bewegt sich auch die Metallkugel
und dehnt die Feder.
Wenn wir nun messen, wie sehr sich die Feder dehnt
können wir daraus die Schwerkraft berechnen.
Sie können sich leicht vorstellen, dass drei davon
die Lage eines Objektes im 3-dimensionalen Raum ermitteln können.
Wenn nur die z-Achse senkrecht zur Gravitationskraft liegt,
wird nur die Kugel auf der x-Achse die Feder dehnen.
Wenn man das Ganze so kippt, dass die z-Achse nach oben zeigt, wird nur
der Beschleunigungssensor entlang dieser Achse die Feder dehnen.
Nun, wie misst dieses Handy und dieser Chip die Änderung der Schwerkraft.
Obwohl etwas komplexer als das einfache Modell mit Kugel und Feder,
basiert es dennoch auf den gleichen grundlegenden Überlegungen.
Im Inneren des Chips haben Ingeneure einen kleinen Beschleunigungssensor entwickelt.
Dieser hat natürlich ein Gehäuse, welches mit dem Handy verbunden ist
und einen Bereich, der an einen Kamm erinnert und sich vor und zurück bewegen kann.
Das ist die seismische Masse, vergleichbar mit der Metallkugel.
Die Feder ist in diesem Fall die Flexibilität
des Siliziums, welches mit dem Gehäuse verbunden ist.
Wenn man nun die Bewegung des mittleren Bereiches misst,
kann man die Lageänderung bestimmen.
Um zu sehen, wie das funktioniert, betrachten wir drei der Finger des Beschleunigungssensors.
Diese drei Finger sind ein Differentialkondensator.
Das bedeutet, wenn sich der mittlere Finger bewegt, wird ein Strom fließen.
Ingeneure setzen die Größe des Stromes mit der Beschleunigung in Beziehung.
Dieser Beschleunigungssensor fasziniert mich,
doch faszinierender ist es, wie sie ein solches Ding herstellen.
Es scheint schier unmöglich zu sein ein solch komplexes Bauelement
so winzig zu machen, wie den Beschleunigungssensor in einem Smartphone.
Jenseits von 0,5mm kann kein einziges Werkzeug solch ein Ding herstellen.
Stattdessen nutzen die Ingeneure die einzigartigen chemischen Eigenschaftes
des Siliziums, um die Finger des Beschleunigungssensors und den H-förmigen Bereich zu ätzen.
Um zu verstehen, wie sie das machen
zeige ich Ihnen, wie man einen einfachen freischwebenden Ausleger,
z.B. ein Sprungbrett,
aus einem festen Stück Siliziums herstellt.
Die Ingeneure bemerkten, dass beim Ausgießen von Kaliumhydroxid
auf eine Siliziumoberfläche
das Silizium so weggeätzt wird, dass ein pyramidenförmiges Loch entsteht.
Dies geschieht wegen der einzigartigen kristallinen Struktur des Siliziums.
Um ein pyramidenförmiges Loch ins Silizium zu ätzen, wird alles außer
eines kleinen Rechtecks mit einer Maske bedeckt, die Kaliumhydroxid nicht durchlässt.
Nun wird lediglich des Rechteck, welches nicht durch die Maske verdeckt wird, weggeätzt.
Das Kaliumhydroxid löst das Silizium in vertikaler Richtung schneller auf,
als in horizontaler Richtung.
Deshalb entsteht ein pyramidenförmiges Loch.
Um einen freischwebenden Ausleger herzustellen, gehen Ingeneure wie folgt vor.
Zuerst wird die Oberfläche mit einer U-förmigen Maske bedeckt.
Am Anfang wird das Kaliumhydroxid zwei nebeneinander liegende inverse Pyramiden herauslösen.
Bei weiterem Ätzen wird das Kaliumhydroxid das Material
zwischen den beiden Löchern auflösen.
Wenn man nun zum richtigen Zeitpunkt das Kaliumhydroxid auswäscht,
bevor es das Silizium unmittelbar unter der Maske auflöst,
bleibt ein kleiner freischwebender Ausleger über einem rechteckigem Loch übrig.
Genau mit einer solchen Methode stellen Ingeneure die Beschleunigungssensoren für ein Smartphone her,
doch wie man sich vorstellen kann, braucht man eine Reihe von unterschiedlichen Masken,
um die komplexe Struktur des Beschleunigungssensors zu erschaffen.
Obwohl es so aufwendig ist, kann der ganze Prozess automatisiert werden.
Dies ist äußerst wichtig bei der Verkleinerung der Technik
Mitlerweile schaffen es die Ingeneure viele unglaubliche Dinge in dieser winzigen Größe herzustellen
Winzige Motoren mit Antrieben, die mit 300,000 Umdrehungen in der Minute rotieren
Düsen in Ink-Jet Druckern und mein Lieblingsbauteil
Mikrospiegel, welche das Licht in Halbleiterlasern bündeln.
Ich bin Bill Hammack, der Engineer Guy.
Dieses Video basiert auf einem Kapitel des Buches
Eight Amazing Engineering Stories
Dieses Kapitel beinhaltet weitere Informationen über dieses Thema.