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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere in Form eines Gassensors, aufweisend ein Substrat mit mindestens einer gassensitiven Sensormaterialstruktur. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Sensoranordnung mit mindestens einer gassensitiven Sensormaterialstruktur.
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Stand der Technik
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Metalloxid-(MOx-)Sensoren basieren auf einer Leitfähigkeitsmessung von bestimmten Metalloxiden und können eine Vielzahl von Gasen durch die Auswahl des Basis-Halbleiterwerkstoffes und dessen Dotierung detektieren. Aufgrund der regulär unbefriedigenden Driftstabilität derartiger Sensoren sind diese hinsichtlich ihrer Genauigkeit und der minimal möglichen Detektionsgrenze limitiert. Diese Einschränkungen verhindern den Einsatz derartiger Gassensoren bei sicherheitskritischen Anwendungen. Darüber hinaus können derartige MOx-Sensoren während ihres Produktlebens, sofern möglich, nur mit einem hohen Aufwand re-kalibriert werden.
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Weiterhin ist die hohe Leistungsaufnahme von Sensorsystemen, die MOx-Sensoren aufweisen und ansteuern, problematisch. Zum Erzielen der maximalen Empfindlichkeit des MOx Sensormaterials und einer wünschenswerten Dynamik des Antwortsignals des MOx-Sensors ist ein Heizen des Sensormaterials während der Dauer des Messvorgangs erforderlich. Dies erfordert die Bereitstellung einer erhöhten elektrischen Leistung für die Aufrechterhaltung des effizienten Sensorbetriebs.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, die eine driftstabile Messung von Gasen während einer minimalen Zeitdauer ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung bereitgestellt. Die Sensoranordnung kann beispielsweise in Form eines Gassensors ausgestaltet sein.
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Die Sensoranordnung weist ein Substrat mit mindestens einer gassensitiven Sensormaterialstruktur und mindestens drei voneinander beabstandete Elektroden auf. Die mindestens drei Elektroden sind elektromagnetisch mit der Sensormaterialstruktur gekoppelt. Vorteilhafterweise ist die Sensormaterialstruktur im Bereich der Elektroden beheizbar ausgestaltet. Je nach Ausgestaltung der Sensoranordnung können eine oder mehrere Elektroden als Heizeinheiten fungieren, um einen zumindest zeitweisen Wärmeeintrag in die Sensormaterialstruktur zu bewirken. Das Sensormaterial ist durch die Elektroden zumindest gleichzeitig mittels mindestens zwei gleicher oder unterschiedlicher Anregungsfrequenzen anregbar.
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Die gassensitive Sensormaterialstruktur kann beispielsweise aufgrund einer Wechselwirkung und/oder Absorption eines bestimmten Gases oder Gasgemischs eine Veränderung seiner elektrischen Leitfähigkeit und/oder Induktivität in Abhängigkeit von einer Gaskonzentration erfahren.
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Je nach Ausgestaltung können die Elektroden direkt mit der Sensormaterialstruktur verbunden sein oder indirekt über einen Abstand oder eine Trennschicht mit der Sensormaterialstruktur verbunden sein. Dabei können die Elektroden aufgrund von angelegten Anregungsfrequenzen elektrisch leitend in die Sensormaterialstruktur einkoppelt oder über erzeugte elektromagnetische Felder in die Sensormaterialstruktur einkoppeln bzw. mit der Sensormaterialstruktur wechselwirken.
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Durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung können Eigenschaften von Metalloxid-basierten Gassensorsystemen optimiert werden. Insbesondere werden damit zuverlässige, driftstabile Messungen von Gasen bzw. Gaskonzentrationen innerhalb kürzester Zeit und bei minimaler Leistungsaufnahme möglich. Durch die reduzierte Messdauer wird die erforderliche Dauer zum Heizen der Sensormaterialstruktur ebenfalls verringert und der Energiebedarf gesenkt. Des Weiteren kann eine Selektivität des Gassensorsystems bzw. der Sensoranordnung gegenüber verschiedenen Gasen verbessert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit mindestens einer gassensitiven Sensormaterialstruktur bereitgestellt. Die Sensormaterialstruktur wird unmittelbar einem zu analysierenden Gas ausgesetzt. In einem weiteren Schritt werden mindestens zwei Elektrodenpaare aus mindestens drei Elektroden gleichzeitig durch eine Steuereinheit zum Beaufschlagen der Sensormaterialstruktur mit mindestens einer ersten Anregungsfrequenz und mit mindestens einer zweiten Anregungsfrequenz angesteuert. Je nach Ausgestaltung können auch mehr Elektroden bzw. Elektrodenpaare zum Erzeugen von gleichen oder unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durch eine Steuereinheit angesteuert werden. Bei drei Elektroden können beispielsweise zwei oder drei Elektrodenpaare gebildet werden, die Bereiche der Sensormaterialstruktur mit Anregungsfrequenzen beaufschlagen können. In einem weiteren Schritt werden Antwortsignale der Anregungsfrequenzen durch die Steuereinheit empfangen.
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Basierend auf einer parallelen Messung und Auswertung mehrerer Bereiche der Sensormaterialstruktur kann beispielsweise mittels Differenzbildung und/oder Verhältnisbildung eine Driftkompensation durch Referenzierung der Antwortsignale realisiert werden.
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Die Messdauer kann vorteilhafterweise minimiert werden, da die Sensormaterialstruktur zeitgleich mit mehreren unterschiedlichen oder gleichen Anregungsfrequenzen beaufschlagt wird. Eine serielle Beaufschlagung der Sensormaterialstruktur ist somit nicht erforderlich.
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Eine Selektivitätserhöhung der Sensoranordnung kann insbesondere durch eine angepasste Auswahl der durch die Heizeinheit eingestellten Temperatur und der Wahl der Anregungsfrequenzen erzielt werden.
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Die Anregungsfrequenzen können bei einer Ausführungsform identisch sein. Dies ermöglicht eine unabhängige zweite Messung und erlaubt es, das Signal-zu-Rauschverhältnis der Sensoranordnung zu verbessern.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Sensormaterialstruktur durch eine erste Anregungsfrequenz zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode anregbar. Die Sensormaterialstruktur ist darüber hinaus durch eine zweite Anregungsfrequenz zwischen der ersten Elektrode und einer dritten Elektrode anregbar. Die Anregungen über die Elektrodenpaare können durch verschiedene Anregungsspannungen, in Form von eingestellten Spannungsamplituden und/oder Spannungs-Offsets, erfolgen. Durch diese Maßnahme kann die Störanfälligkeit der Sensoranordnung minimiert werden. Darüber hinaus können Signal-zu-Rauschverhältnisse in den jeweiligen Frequenzbereichen der verwendeten Anregungsfrequenzen vergrößert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Sensormaterialstruktur durch eine dritte Anregungsfrequenz zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode anregbar. Hierdurch kann bereits mit drei Elektroden eine redundante Anregung der Sensormaterialstruktur mittels drei Anregungsfrequenzen erfolgen. Damit lässt sich die Selektivität der Messung verbessern, ohne zusätzliche Leistung für den Betrieb der Sensoranordnung zu benötigen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Membran in das Substrat eingebracht. Vorteilhafterweise sind die gassensitive Sensormaterialstruktur und die Elektroden auf der Membran angeordnet. Hierdurch kann eine mechanische und thermische Entkopplung der für die Messung relevanten Komponenten der Sensoranordnung realisiert werden. Ein weiterer Vorteil einer Anordnung auf einer Membran gegenüber einer Anordnung auf dem Substrat ist, dass das Antwortsignal im Wesentlichen nur die Wechselwirkung mit der gassensitiven Sensormaterialstruktur beinhaltet und keine Überlagerung einer elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Substrat das Antwortsignal beeinträchtigen kann.
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Die Membran kann vorteilhafterweise eine Membranstärke bzw. Dicke aufweisen oder aus einem Material bestehen, welches ein Einkoppeln von elektromagnetischen Feldern aufgrund der Anregungsfrequenzen der Elektroden unterbindet oder zumindest minimiert, Die Mebrandicke bzw. Membranstärke kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 5µm und 100µm liegen, Dabei kann die Membran aus einem Material des Substrats bestehen oder aus einem anderen Material, wie beispielsweise einem Polymer hergestellt sein.
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Je nach Ausgestaltung kann die Membran als eine geschlossene Membran oder als eine offene Membran geformt sein. Als Membran kann hierbei eine im Wesentlichen freigelegte Schicht oder Gruppe von Schichten gelten. Die Membran kann durch ein bereichsweises Freilegen oder Abtragen, beispielsweise mittels Ätzen oder Trenchen, des Substrats ausgebildet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Elektroden zwischen dem Substrat und der Sensormaterialstruktur oder zwischen einer Membran und der Sensormaterialstruktur angeordnet. Alternativ ist die Sensormaterialstruktur zwischen den Elektroden und dem Substrat oder zwischen den Elektroden und der Membran angeordnet. Die Elektroden können somit flexibel auf der Sensormaterialstruktur oder unter der Sensormaterialstruktur angeordnet werden, wodurch die gegenüber einer zu messenden Umgebung exponierte Fläche der Sensormaterialstruktur an das Einsatzgebiet der Sensoranordnung anpassbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Sensormaterialstruktur als ein Metall-Oxid, insbesondere als ein SnO2, WO3 oder In2O3, ausgestaltet oder weist ein Metall-Oxid auf. Neben den genannten Metall-Oxiden, SnO2, WO3, In2O3, können auch andere gassensitive und halbleitende Metall-Oxide für die Sensormaterialstruktur verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Sensormaterialstruktur dazu eingerichtet, einen direkten Kontakt zu einer Messumgebung aufzuweisen. Hierdurch wird die Sensormaterialstruktur direkt einer zu analysierenden Gasatmosphäre ausgesetzt. Die Gasatmosphäre kann ein Umgebungsgas bzw. eine Mischung von Gasen sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Elektroden als Interdigitalstrukturen oder als Spiralstrukturen geformt. Dabei können die Elektroden im Wesentlichen in einer Ebene geformt sein. Die zumindest drei Elektroden können nebeneinander positioniert sein, wobei eine mittlere Elektrode bzw. mittig angeordnete Elektrode als eine Referenzelektrode fungieren kann und auf Massepotenzial einstellbar ist.
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Die Elektroden sind vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sich die elektromagnetischen Wechselwirkungsbereiche der Elektrodenpaarungen in der Sensormaterialstruktur gegenseitig lateral nicht überschneiden. Durch diese Maßnahme wird eine Interferenz der simultan gemessenen Antwortsignale unterbunden Die Verwendung von Interdigital- bzw. Spiralstrukturen ermöglicht ein besonders dichtes Durchsetzen des Volumens der Sensormaterialstruktur mit elektromagnetischen Feldern.
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Die Form und der Verlauf der Elektroden und der Zuleitungen zu den Elektroden, die Form und Position der Heizeinheit und dergleichen können unterschiedlich passend zur Messfrequenz ausgelegt sein. Beispielsweise können bei einer niederfrequenten Messung breite Leiterbahnen für minimale Zuleitungswiderstände und bei einer höherfrequenten Messung schmälere Leiterbahnen zur Minimierung der Parasitärkapazität eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoranordnung eine Steuereinheit auf, welche elektrisch leitend mit den Elektroden verbunden ist. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Elektroden mit Anregungsfrequenzen zu beaufschlagen und Antwortsignale der Sensormaterialstruktur zu empfangen.
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Hierdurch kann die Steuereinheit die Erzeugung von Anregungsfrequenzen und die Auswertung von empfangenen Antwortsignalen übernehmen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Anregungsfrequenz als eine 0 Hz Frequenz ausgestaltet. Eines der Anregungssignale kann somit als ein statisches DC-Signal und weitere Anregungssignale dynamisch (z. B. periodisch pulsierend / alternierend) ausgestaltet sein. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise eine Sensordrift festgestellt und kompensiert werden. Alternativ kann eine Gasselektivität durch geeignete Wahl des Anregungssignals verbessert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Sensormaterialstruktur im Bereich der Elektroden durch eine zusätzliche Heizeinheit und/oder durch eine als mindestens eine Elektrode ausgestaltete Heizeinheit beheizbar ausgestaltet. Die Temperatureinstellung kann durch diese Maßnahme mittels einer der Elektroden umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann neben den Elektroden eine zusätzliche Heizeinheit die Temperatureinstellung der Sensormaterialstruktur übernehmen. Hiermit lässt sich durch gezielte Einstellung der Temperatur der Sensormaterialstruktur ebenfalls die Selektivität und Antwortzeit gegenüber bestimmten Gaskomponenten optimieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Antwortsignale der Anregungsfrequenzen zum Bilden von Durchschnittswerten und/oder zum Durchführen einer Plausibilisierung empfangen. Durch diese Maßnahme kann die Zuverlässigkeit der Messergebnisse der Steuereinheit gewährleistet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Sensormaterialstruktur mit mindestens einer ersten Anregungsfrequenz beaufschlagt, welche dazu eingerichtet ist ein gasresponsives Antwortsignal auf die erste Anregungsfrequenz anzuregen. Darüber hinaus wird die Sensormaterialstruktur mit mindestens einer zweiten Anregungsfrequenz beaufschlagt, welche dazu eingerichtet ist ein driftresponsives Antwortsignal auf die zweite Anregungsfrequenz anzuregen. Beispielsweise können die Anregungsfrequenzen dabei derart gewählt sein, dass die Sensormaterialstruktur bei einer (ersten) niedrigen Anregungsfrequenz quantitativ gasresponsiv ist, während es bei einer höheren (zweiten) Anregungsfrequenz driftresponsiv ist. Durch Differenz- oder Verhältnisbildung der beiden Impedanz-Antwortsignale kann ein robustes, driftkorrigiertes Sensorsignal ermittelt oder durch gezielte Frequenzwahl eine höhere Selektivität bei der Messung der Gaskonzentration erreicht werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 ein schematisches Ablaufdiagramm der Sensoranordnung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Detailansicht der Sensoranordnung aus 1 und
- 3 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm der Sensoranordnung 1 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist in 1 eine grobe Übersicht der Sensoranordnung 1 veranschaulicht. Die 2 zeigt eine schematische Detailansicht auf einen gassensitiven Teil 2 der Sensoranordnung 1. Die Sensoranordnung 1 und insbesondere der gassensitive Teil 2 der Sensoranordnung 1 ist beispielhaft in Form eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS) ausgestaltet. Die Sensoranordnung 1 ist als ein Gassensor ausgestaltet.
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Die Sensoranordnung 1 weist ein Substrat 4 mit mindestens einer gassensitiven Sensormaterialstruktur 6 und mindestens drei voneinander beabstandete Elektroden 7, 8, 9 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Übersicht halber drei Elektroden 7, 8, 9 dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 nicht auf drei Elektroden 7, 8, 9 beschränkt ist und somit weitere Elektroden aufweisen kann.
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Die Elektroden 7, 8, 9 sind elektrisch leitend mit der Sensormaterialstruktur 6 verbunden. Insbesondere ist die Sensormaterialstruktur 6 auf die Elektroden 7, 8, 9, beispielsweise durch Materialabscheidung, aufgebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 7, 8, 9 auf einer Membran 5 angeordnet, welche in das Substrat 4 eingebracht ist.
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Des Weiteren ist mindestens eine Heizeinheit 10 zum Beheizen der Sensormaterialstruktur 6 im Bereich der Elektroden 7, 8, 9 vorgesehen. Je nach Ausgestaltung der Sensoranordnung 1 können eine oder mehrere Elektroden 7, 8, 9 als Heizeinheiten fungieren, um einen zumindest zeitweisen Wärmeeintrag in die Sensormaterialstruktur 6 zu bewirken. Das Sensormaterial 6 ist durch die Elektroden 7, 8, 9 zumindest gleichzeitig mittels mindestens zwei gleicher oder unterschiedlicher Anregungsfrequenzen anregbar. Beispielsweise kann zwischen einer ersten Elektrode 7 und einer zweiten auf Masse liegenden Elektrode 8 eine erste Anregungsfrequenz F1 und zwischen der zweiten auf Masse liegenden Elektrode 8 und einer dritten Elektrode 9 eine zweite Anregungsfrequenz F2 erzeugt und in die Sensormaterialstruktur 6 lokal eingekoppelt werden. Je nach Ausgestaltung kann die erste Anregungsfrequenz F1 eine Frequenz von mehr als 0 Hz aufweisen und beispielsweise bis zu 10 MHz betragen. Die mindestens eine zweite Anregungsfrequenz kann auch eine Frequenz von 0 Hz aufweisen und beispielsweise bis zu 100kHz betragen, während die Sensormaterialstruktur 6 unmittelbar einer der zu analysierenden Gasatmosphäre ausgesetzt ist.
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Die Sensormaterialstruktur 6 ist vollständig gegenüber einer zu messenden Gasatmosphäre exponiert angeordnet und besteht aus einem Metalloxid. Eine Steuereinheit 12 ist über Verbindungsleitungen 14 mit den Elektroden 7, 8, 9 und der Heizeinheit 10 elektrisch leitend verbunden. Die Steuereinheit 12 kann somit die Anregungssignale mit den Anregungsfrequenzen F1, F2 erzeugen und Antwortsignale empfangen bzw. messen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 12 die empfangenen Antwortsignale zumindest teilweise verarbeiten und/oder auswerten. Hierzu kann auch eine nicht dargestellte Speichereinheit vorgesehen sein.
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Die 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens 16 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 16 dient zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 mit mindestens einer gassensitiven Sensormaterialstruktur 6. Die Sensormaterialstruktur 6 wird unmittelbar einem zu analysierenden Gas ausgesetzt 17.
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In einem weiteren Schritt werden mindestens drei Elektroden 7, 8, 9 gleichzeitig durch die Steuereinheit 12 zum Beaufschlagen der Sensormaterialstruktur 6 mit mindestens einer ersten Anregungsfrequenz F1 und mit mindestens einer zweiten Anregungsfrequenz F2 angesteuert 18.
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Je nach Ausgestaltung können auch mehr als drei Elektroden 7, 8, 9 bzw. mehr als zwei Elektrodenpaare zum Erzeugen von gleichen oder unterschiedlichen Anregungsfrequenzen F1-Fn durch die Steuereinheit 12 angesteuert werden. Bei drei Elektroden 7, 8, 9 können beispielsweise zwei oder drei Elektrodenpaare gebildet werden, die Bereiche der Sensormaterialstruktur 6 mit Anregungsfrequenzen F1-Fn beaufschlagen können.
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In einem weiteren Schritt 19 werden Antwortsignale der Anregungsfrequenzen F1-Fn durch die Steuereinheit 12 empfangen. Hierzu ist die Steuereinheiten 12 über Verbindungsleitungen 14 mit den Elektroden 7, 8, 9 verbunden.
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Basierend auf einer parallelen Messung und Auswertung mehrerer Bereiche der Sensormaterialstruktur 6 kann beispielsweise mittels Differenzbildung oder Verhältnisbildung eine Driftkompensation 20 durch Referenzierung der Antwortsignale realisiert werden.
