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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise geht aus der Druckschrift
DE 199 15 257 A1 ein
Coriolis-Drehratensensor mit einer auf einem Grundelement drehbeweglich
aufgehängten Schwingstruktur, an der durch eine extern
einwirkende Drehrate eine Drehimpulsänderung bewirkbar
ist und mit einer kapazitiven Sensoranordnung, mit der die durch
die Drehimpulsänderung hervorgerufene Kippbewegung der
Schwingstruktur detektierbar ist, hervor, wobei die kapazitive Sensoranordnung
durch eine Mehrzahl von Kapazitäten gebildet ist, wobei
die einen Elektroden der Kapazitäten auf einem Kreisumfang
der als die anderen Elektrode wirkende Schwingstruktur derart gegenüberliegen,
dass eine kapazitive Detektion von Kippbewegungen der Schwingstruktur
in mehreren Richtungen der Kippbewegungen durchführbar
ist. Auf diese Weise können Drehimpulsänderungen
um Drehachsen gemessen werden, welche parallel zu einer Haupterstreckungsebene
des Grundelements ausgerichtet sind. Eine Messung von Drehraten
senkrecht zur Haupterstreckungsebene ist nicht vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung
und die erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass mittels der Sensoranordnung
(im Folgenden auch als Drehratensensor bezeichnet) nicht nur eine Drehrate
um eine Drehachse parallel zur Haupterstreckungsebene aufgrund einer auf
die Schwingstruktur wirkenden Corioliskraft detektierbar ist, sondern
dass gleichzeitig auch eine Drehbeschleunigung der Schwingstruktur
um die Schwingachse mittels der dritten Detektionsmittel zu bestimmen
ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die dritten Detektionsmittel
die Bewegung der Schwingstruktur um die Schwingachse relativ zum Substrat
auswerten und somit eine Beschleunigung der Schwingstruktur um die
Schwingachse detektieren, welche der mittels den Antriebselementen
angetriebenen Drehschwingung überlagert ist und welche durch
die Massenträgheit der Schwingstruktur bei einer äußeren
Drehbeschleunigung der gesamten Sensorstruktur, d. h. Substrat und
Schwingstruktur, um die Drehachse erzeugt wird. In einer Vielzahl
von Anwendungsgebieten für Drehratensensoren werden 2 kanalige
Messungen benötigt, d. h. Messungen von zwei im Wesentlichen
senkrecht zueinander ausgerichteten Drehbewegungen. Das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb eines Drehratensensors ermöglicht in vorteilhafter
Weise, zusätzlich zur Messung der Kippbewegung um eine
Kippachse in der Haupterstreckungsebene, eine Messung von Drehbewegungen
mit einer Drehachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene, so dass
besonders vorteilhaft eine 2-kanalige Messung von Drehbeschleunigungen
mit dem einen Drehratensensor um beliebige Drehachsen ermöglicht
wird und dadurch die Ausrichtung des Drehratensensor bei der Anwendung bzw.
beim Einbau des Drehratensensors frei wählbar ist. Dies
hat den Vorteil, dass der Drehratensensor besser an einbauspezifische
Gegebenheiten anpassbar ist, da die Einbauposition bzw. Einbauausrichtung
des Drehratensensors nicht auf die sensitiven Achsen des Drehratensensors
abgestimmt werden muss. Die Herstellungs- und Montagekosten sind
somit deutlich reduzierbar. Die Schwingstruktur ist vorzugsweise
mittels Federelementen am Substrat federelastisch bzw. beweglich
gegenüber dem Substrat aufgehängt. Die Haupterstreckungsebene im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen parallel zur
X-/Y-Ebene ausgerichtet, während die Schwingachse senkrecht
zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallel zur Z-Achse
verläuft.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass mittels der dritten
Detektionselemente eine Kapazitätsänderung zwischen
einer Detektionselektrode am Substrat und einer Gegendetektionselektrode
an der Schwingstruktur detektiert wird. Vorzugsweise wird die der
Drehschwingung überlagerte Drehbeschleunigung mittels der
Kapazitätsänderung zwischen der Detektionselektrode
und der Gegendetektionselektrode detektiert, welche unabhängig
von den Antriebselektroden sind. Insbesondere ergibt sich die Drehbeschleunigung
aus einer von den dritten Detektionsmitteln gemessenen Kapazitätsänderung,
welche von einer im Wesentlichen periodischen Kapazitätsänderung
zwischen Detektionselektrode und Gegendetektionselektrode hervorgerufen
durch die angeregte Drehschwingung abweicht, da die periodische
Kapazitätsänderung hervorgerufen durch die angeregte
Drehschwingung auch bei der Abwesenheit einer der Drehschwingung überlagerten
Drehbeschleunigung durch die dritten Detektionsmittel messbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Drehschwingung mittels
der Antriebselemente kapazitiv erzeugt wird, wobei die Antriebselemente
Antriebselektroden am Substrat und entsprechende Gegenantriebselektroden
an der Schwingstruktur umfassen, wobei vorzugsweise zwischen den
Antriebselektroden und den Gegenantriebselektroden Antriebsspannungen
angelegt werden. Die Antriebselektroden und die Gegenantriebselektroden
umfassen insbesondere einen elektrostatischen Kammantrieb, wobei
eine Kraftwirkung zwischen den Antriebselektroden und den entsprechenden
Gegenantriebselektroden durch eine Antriebsspannung zwischen den
Antriebselektroden und Gegenantriebselektrode erzeugt wird, wobei
sich die Kapazität zwischen Antriebselektroden und Gegenantriebselektroden
in Abhängigkeit der Auslenkung zwischen Antriebselektroden
und Gegenantriebselektroden verändert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass mittels
der dritten Detektionselemente die Antriebsspannungen ausgewertet
werden. Eine Drehbeschleunigung der Schwingstruktur, welche der
Drehschwingung überlagert ist, ist besonders vorteilhaft
durch Auswertung der Antriebsspannungen an den Antriebselementen detektierbar,
so dass abgesehen von dritten Detektionselementen zur Auswertung
der Antriebsspannungen keine zusätzlichen Detektionselemente
im Bereich der Schwingstruktur benötigt werden. Die Auswirkungen
einer der Drehschwingung überlagerten Drehbeschleunigung
sind insbesondere bei solchen Antriebselementen realisiert, bei
denen die Antriebsspannungen durch Rückkopplung gesteuert
werden. Das heißt, dass die Drehschwingung mittels zusätzlicher
Detektionsmittel überprüft wird und zur frequenzgenauen
Steuerung der Antriebselemente auf die Antriebsspannung phasenverschoben
rückgekoppelt wird. Eine der Drehschwingung überlagerte Drehbeschleunigung
ist somit durch die Auswertung einer Antriebsspannungsveränderung
quantifizierbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass erste Kippbewegung mittels
der ersten Detektionselemente kapazitiv detektiert wird, wobei die
ersten Detektionselemente erste Elektroden an dem Substrat und entsprechende
erste Gegenelektroden an der Schwingstruktur umfassen, wobei vorzugsweise
eine erste Kapazitätsänderung zwischen der ersten
Elektrode und der ersten Gegenelektrode detektiert wird. Durch die Drehschwingung
der Schwingstruktur mit einer Schwingachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene
wirkt auf die Schwingstruktur eine erste Corioliskraft im Wesentlichen
parallel zur Schwingachse, wenn eine erste Drehrate um eine erste
Drehachse auf die Sensoranordnung auftritt, wobei die erste Corioliskraft
die erste Kippbewegung der Schwingstruktur um die erste Kippachse
hervorruft und wobei die erste Drehachse im Wesentlichen senkrecht
zur ersten Kippachse und im Wesentlichen senkrecht zur Schwingachse
ausgerichtet ist und wobei ferner die erste Kippachse im Wesentlichen
senkrecht zur Schwingachse ausgerichtet ist. Die Kippbewegung erzeugt
eine Abstandsänderung der sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene überlappenden
ersten Elektrode und ersten Gegenelektrode, welche über die
entsprechende erste Kapazitätsänderung zwischen
der ersten Elektrode und der ersten Gegenelektrode messbar ist.
Die ersten Detektionselemente umfassen vorzugsweise wenigstens zwei
Paare von ersten Elektroden und entsprechenden ersten Gegenelektroden,
welche rotationssymmetrisch um die Schwingachse angeordnet sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine zweite
Kippbewegung der Schwingstruktur um eine im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene
parallele und im Wesentlichen zur ersten Kippachse senkrechte zweite Kippachse
mittels zweiten Detektionselementen detektiert wird, wobei die zweiten
Detektionselemente bevorzugt zweite Elektroden an dem Substrat und entsprechende
zweite Gegenelektroden an der Schwingstruktur umfassen, wobei besonders
bevorzugt eine zweite Kapazitätsänderung zwischen
der zweiten Elektrode und der zweiten Gegenelektrode detektiert
wird. Besonders vorteilhaft ist somit die Sensoranordnung sensitiv
gegenüber senkrecht zueinander stehenden Drehraten in der
Haupterstreckungsebene und gleichzeitig gegenüber einer
Drehbeschleunigung senkrecht zur Haupterstreckungsebene, so dass
in besonders einfacher und kostengünstig herzustellender
Weise, vorzugsweise ohne zusätzliche Detektionselemente
in der Schwingstruktur, ein 3-kanaliger Drehratensensor realisierbar
ist. Die Ausrichtung und Einbauposition des Drehratensensors ist
somit insbesondere frei wählbar. Die zweiten Detektionsmittel
sind vorzugsweise analog zu den ersten Detektionsmitteln aufgebaut,
wobei die zweiten Detektionsmittel gegenüber den ersten
Detektionsmitteln um 90 Grad um die Schwingachse verdreht sind.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung
mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und
einer gegenüber dem Substrat beweglichen Schwingstruktur,
wobei die Sensoranordnung Antriebselemente zur Erzeugung einer Drehschwingung
der Schwingstruktur um eine im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene
senkrechten Schwingachse aufweist und wobei die Sensoranordnung
erste Detektionselemente zur Detektion einer ersten Kippbewegung
der Schwingstruktur um eine im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene
parallelen ersten Kippachse aufweist und wobei ferner die Sensoranordnung
dritte Detektionselemente zur Detektion einer der Drehschwingung überlagerten
Drehbeschleunigung der Schwingstruktur im Wesentlichen um die Drehachse
aufweist. Durch die Realisation von dritten Detektionselementen
zur Detektion der Drehbeschleunigung, welcher der Drehschwingung überlagert
ist, wird in besonders einfacher und kostengünstiger Weise
die Realisierung eines Drehratensensors ermöglicht, welcher
eine Drehbeschleunigung der Schwingstruktur um die Schwingachse
detektiert. Besonders vorteilhaft wird somit die Realisierung eines
3-kanaligen Drehratensensors ermöglicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebselemente
Antriebselektroden am Substrat und entsprechende Gegenantriebselektroden
an der Schwingstruktur umfassen, wobei die dritten Detektionselemente
zur Auswertung von Antriebsspannungen zwischen den Antriebselektroden
und den Gegenantriebselektroden vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft
müssen somit keinerlei bauliche Veränderungen
an der Schwingstruktur und/oder an den Elektroden der Schwingstruktur
bzw. an dem Substrat vorgenommen werden. Die dritten Detektionselemente
umfassen vorzugsweise lediglich eine elektronische Schaltung bzw.
ein elektronisches Bauelement zur Auswertung der Antriebsspannung,
so dass eine vergleichsweise kostengünstige Realisierung
bzw. Herstellung von 3-kanaligen Drehratensensoren ermöglicht
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dritten Detektionselemente
Detektionselektroden am Substrat und entsprechende Gegendetektionselektroden
an der Schwingstruktur umfassen, so dass in einfacher Weise eine
der Drehschwingung überlagerte Drehbeschleunigung mittels Kapazitätsänderungen
zwischen den Detektionselektroden und den Gegendetektionselektroden
messbar sind. Die dritten Detektionsmittel sind in diesem Fall vorzugsweise
unabhängig von den Antriebselektroden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung
zweite Detektionselemente zur Detektion einer zweiten Kippbewegung
der Schwingstruktur um eine im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene
parallelen und im Wesentlichen zur ersten Kippachse senkrechten zweiten
Kippachse. Besonders vorteilhaft sind somit zwei Drehraten unabhängig
voneinander messbar, welche beide parallel zur Haupterstreckungsebene liegen
und aufeinander im Wesentlichen senkrecht stehen, so dass mit nur
einer einzigen Schwingstruktur in einfacher Weise ein insgesamt
3-kanaliger Drehratensensor realisiert wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 einen
Schnitt durch eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung
gemäß der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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3 einen
Schnitt durch eine schematische Perspektivansicht einer Sensoranordnung
gemäß der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente stets mit den gleichen Bezugszeichnen
versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt
bzw. erwähnt.
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In 1 ist
eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 ein Substrat 2 aufweist.
Das Substrat 2 weist eine Haupterstreckungsebene 100 auf,
welche parallel zur X-/Y-Ebene ausgerichtet ist. Die Sensoranordnung 1 umfasst
ferner eine Schwingstruktur 3, welche mittels einer Feder 4 federelastisch
am Substrat 2 aufgehängt ist und gegenüber
dem Substrat 2 beweglich ist. Die Schwingstruktur 3 wird
mittels Antriebselementen 5, in Form eines Kammantriebs 5' mit
Antriebselektroden 50 am Substrat 2 und entsprechenden
Gegenantriebselektroden 51 an der Schwingstruktur 3 zu
einer Drehschwingung 10 um eine Schwingachse 11 angeregt,
wobei die Schwingachse 11 im Wesentlichen senkrecht zur
Haupterstreckungsebene 100 und parallel zu einer Z-Achse
ausgerichtet ist. Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner
erste Detektionselemente 6, in Form von ersten Elektroden 60 am
Substrat 2 und ersten Gegenelektroden 61 an der Schwingstruktur 3,
wobei die ersten Elektroden 60 die ersten Gegenelektroden 61 parallel
zur Z-Richtung überlappen und wobei zwischen den ersten Elektroden 60 und
den entsprechenden ersten Gegenelektroden 61 jeweils erste
Kapazitäten 62 entstehen. Die ersten Detektionselemente 6 umfassen zwei
Paare von ersten Elektroden 60 und ersten Gegenelektroden 61,
welche zueinander spiegelsymmetrisch zur Y-Achse und punktsymmetrisch
zur Schwingachse 11 angeordnet sind, so dass eine erste
Kippbewegung 63 um die Y-Achse mittels jeweils einer ersten
Kapazitätsänderung der jeweiligen ersten Kapazität 63 an
beiden Paaren von ersten Detektionsmitteln 6 detektiert
wird, wobei sich die erste Kapazität 63 an einem
Paar vergrößert und an dem anderen Paar verkleinert.
Analog zu den ersten Detektionselementen 6 umfasst die
Sensoranordnung zweite Detektionsmittel 7, welche analog
zu den ersten Detektionsmitteln 6 aufgebaut sind und analog
zu den ersten Detektionsmitteln 6 fungie ren und welche ferner
gegenüber den ersten Detektionsmitteln 6 um 90
Grad um die Schwingachse 11 gedreht angeordnet sind, so
dass zwischen zweiten Elektrode 70 am Substrat 2 und
zweiten Gegenelektroden 71 an der Schwingstruktur 3 zweite
Kapazitäten 73 ausgebildet sind, welche durch
zweite Kapazitätsänderungen zur Detektion einer
zweiten Kippbewegung 73 der Schwingstruktur 3 um
die X-Achse bzw. um eine erste Kippachse 105 vorgesehen
sind. Eine erste Drehrate 12 um die Y-Achse führt
aufgrund der Drehschwingung 10 zu zwei ersten Corioliskräften 13 jeweils
bezüglich der Schwingachse 11 auf einer Seite der
Schwingstruktur 3, welche parallel zur zweiten Z-Achse
wirken und zueinander antiparallel sind, so dass in Abhängigkeit
der ersten Drehrate 12 die zweite Kippbewegung 73 die
erzeugt wird, welche mittels der zweiten Detektionsmittel 7 quantifiziert
wird. Analog werden durch eine zweite Drehrate 14 um die X-Achse
zwei zweite Corioliskräfte 15 erzeugt, welche
ebenfalls parallel zur Z-Richtung und zueinander antiparallel sind
und die erste Kippbewegung 63 um die Y-Achse bzw. um eine
erste Kippachse 106 erzeugen, welche von den ersten Detektionsmittel 6 quantifiziert
wird. Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner Mittel 80 zur
Messung der angetriebenen Drehschwingung 10, welche in
Form von Fingerelektroden 81 am Substrat 2 und
in die Fingerelektroden 81 eingreifenden Gegenfingerelektroden 82 an
der Schwingstruktur 3 ausgebildet sind. Die kap1azitive Vermessung 83 der
Drehschwingung 10 wird zur Steuerung der Antriebsspannungen 55 der
Antriebselemente 5 verwendet. Ferner weist die Sensoranordnung 1 nicht
abgebildete dritte Detektionsmittel auf, welche die Antriebsspannungen 55 überwachen, wobei
insbesondere eine Abweichung der Antriebsspannungen 55 von
einem durch die Drehschwingung 10 im Wesentlichen periodischen
Kennlinie der Antriebsspannungen 55 ausgewertet wird. Eine Drehbeschleunigung 18 der
Sensoranordnung 1 um die Z-Achse, welche der Drehschwingung 10 überlagert
ist, führt aufgrund der Massenträgheit der Schwingstruktur 3 zu
einer Auslenkung der Schwingstruktur 3 gegenüber
dem Substrat 2 um die Schwingachse 11. Diese Auslenkung
führt zu der Abweichung in den Antriebsspannungen 55,
welche von den dritten Detektionsmitteln detektiert und quantifiziert
wird. Die erste Drehrate 12 wird somit von den zweiten
Detektionsmitteln 7, die zweite Drehrate 14 von
den ersten Detektionsmitteln 6 und die Drehbeschleunigung 18 von
den dritten Detektionsmitteln detektiert, so dass die Sensoranordnung
einen 3-kanaligen Drehratensensor umfasst, welche in X-, Y- und
Z-Richtung gleichzeitig und unabhängig voneinander sensitiv
ist.
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In 2 ist
ein Schnitt durch eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß der
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei in 2 ein Schnitt entlang einer
in 1 illustrierten Schnitteben 101 dargestellt
ist, welche senkrecht zur Y-Achse ist und in welcher die Schwingachse 11 verläuft.
Zur Veranschaulichung sind die zwei ersten Kapazitäten 63, 63' schematisch
als Schaltsymbole in Form von zwei Plattenkondensatoren dargestellt.
Ferner sind die zwei zweiten Corioliskräfte 15 parallel
zur Z-Achse schematisch durch Pfeile illustriert, wobei die zwei zweiten
Corioliskräfte 15 zueinander antiparallel ausgerichtet
sind und durch eine zweite Drehrate 73 der Schwingstruktur 3 um
die X-Achse hervorgerufen werden, so dass die Schwingstruktur 3 gegenüber dem
Substrat 2 eine erste Kippbewegung 63 um die Y-Achse
ausführen. Infolge dieser Kippbewegung verändern
sich die Abstände zwischen den ersten Elektroden 60 und
den entsprechenden ersten Gegenelektroden 61, welche jeweils
durch zwei entgegengesetzte erste Kapazitätsänderungen
der zwei ersten Kapazitäten 63 mittels der ersten
Detektionselemente 6 messbar sind.
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In 3 ist
einen Schnitt durch eine schematische Perspektivansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß der
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei in 3 zur Veranschaulichung die
Antriebsspannungen 55 zwischen den Antriebselektroden 50 und
den Gegenantriebselektroden 51 illustriert sind und wobei
ferner schematisch die kapazitive Vermessung 83 der Drehschwingung 10 mit
den Fingerelektroden 81 und den in die Fingerelektroden 81 eingreifenden
Gegenfingerelektroden 82 dargestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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