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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drehratensensor mit einem Sensorelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mikromechanische Drehratensensoren erfassen Drehungen bzw. Drehraten um eine oder mehrere Achsen, indem Auslenkungen von oder Kraftwirkungen auf eine mechanische Struktur oder mehrere mechanische Strukturen bzw. auf eines oder auf mehrere Sensorelemente für gewöhnlich mittels kapazitiver Erfassungsvorrichtungen ausgewertet werden. Im Detail erfolgt diese Erfassung durch mehrere Kondensatoren bzw. Kondensatoranordnungen, welche durch Elektrodenstrukturen sowie ggf. einen Teil oder Teile des Sensorelements oder von Sensorelementen gebildet werden, wobei der jeweilige relevante Abstand, etwa der Elektrodenabstand, die Kapazität oder den Kapazitätswert der Kondensatoranordnungen beeinflusst, so dass hierdurch die (relative) Position der mechanischen Struktur bzw. des Sensorelements oder der Sensorelemente, insbesondere zu substratfesten Elektrodenstrukturen bestimmbar ist. Eine solche Erfassungsvorrichtung ist somit in der Lage, eine durch eine Bewegung der mechanischen Struktur bzw. des Sensorelements hervorgerufene Änderung des Elektrodenabstands aufgrund einer Änderung der Kapazität zu detektieren. Diese ist (im linearen Bereich) proportional zu dem externen physikalischen Stimulus bzw. der Auslenkung des Sensorelements.
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Die Erfassungsvorrichtungen bzw. Elektrodenstrukturen werden typischerweise entweder in Form von parallelen Platten oder in Form von Kammelektroden realisiert. Erstere werden häufig für vergleichsweise kleine Auslenkungen genutzt, da solche Erfassungseinrichtungen bzw. Elektrodenstrukturen eine vergleichsweise hohe Sensitivität bereitstellen. Letztere werden für größere Auslenkungen genutzt, wie sie zum Beispiel beim Antrieb des Sensorelements entstehen. Die erwähnten Plattenkondensatoren werden typischerweise für die Erfassung in Detektionsrichtung (d.h. in der Regel senkrecht zur Antriebsrichtung) verwendet. Der Vorteil dieser Lösung ist eine höhere Empfindlichkeit, allerdings auf Kosten einer Abhängigkeit der Empfindlichkeit vom Abstand der betrachteten Platten der Kondensatoranordnung. Eine solche Abhängigkeit führt zu einer starken Nichtlinearität im Ansprechverhalten, die in der Regel (in erster Ordnung) durch differentielles Auslesen zweier Plattenkondensatoren mit entgegengesetzter Änderung des Plattenabstands kompensiert werden kann. Selbst wenn eine solche differentielle Auslesung den größten Teil der Nichtlinearität beseitigt, führt eine Gleichtaktänderung (common mode) des Abstandes bzw. Plattenabstandes (d. h. die Plattenabstände beidseitig des Sensorelements oder für mehrere Sensorelemente ändern sich mit demselben Vorzeichen) zu einer Änderung der Empfindlichkeit und im Allgemeinen zu einer Leistungsverschlechterung. Eine solche Gleichtaktänderung des Abstandes bzw. Plattenabstandes beidseitig des Sensorelements kann durch unerwünschte Effekte wie eine Verformung des Substrats aufgrund von Temperatur oder Auflöten verursacht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Sensorsystem mit einem Sensorelement bereitzustellen, mit dem es möglich ist, einerseits eine hohe Sensitivität einer kapazitiven Erfassungsvorrichtung zu gewährleisten und andererseits einen effizienten, insbesondere energieeffizienten, Betrieb zu realisieren.
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Der erfindungsgemäße mikromechanische Drehratensensor mit einem Sensorelement gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass neben der Erfassung des dynamischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazitäten (differentielle kapazitive Erfassung) ebenfalls der statische Kapazitätsanteil der veränderlichen Kapazitäten (gleichgerichtete kapazitive Erfassung/common mode) erfasst werden kann. Mittels dieser weiteren Erfassung lassen sich Störeffekte, die nicht aufgrund der differentiellen Auswertung kompensiert werden können, gezielter, insbesondere in digitaler Form, kompensieren. Somit können Störeffekte, beispielsweise ausgelöst durch Temperaturänderungen oder Löteffekte, besser kompensiert werden und charakterisierende Parameter des mikromechanischen Drehratensensors, wie zum Beispiel die Sensitivität und die Phasenverschiebung der Erfassungsvorrichtung und/oder die vorgegebene Spannung mit der das Sensorelement (mechanische Struktur) beaufschlagt wird, effizienter justiert werden. Vorteilhafterweise lässt sich der mikromechanische Drehratensensor somit effektiv und energieeffizient nutzen.
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Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mikromechanische Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass dieser in einem Testbetriebsmodus und in einem Operativbetriebsmodus betreibbar ist, wobei während des Testbetriebsmodus das Sensorelement gemäß der Variation der vorgegebenen Spannung beaufschlagt wird und wobei während des Operativbetriebsmodus das Sensorelement statisch mit der vorgegebenen Spannung beaufschlagt wird,
wobei der mikromechanische Drehratensensor insbesondere vorgesehen ist, dauerhaft während maximal 2 Sekunden im Testbetriebsmodus betrieben zu werden, insbesondere dauerhaft maximal während 1 Sekunde, insbesondere dauerhaft während maximal 500 ms, insbesondere dauerhaft während maximal 50 ms im Testbetriebsmodus betrieben zu werden. Vorteilhafterweise lässt sich so der mikromechanische Drehratensensor energieeffizient in dem Operativbetriebsmodus, welcher ein vergleichsweise großes Zeitintervall im Betrieb des mikromechanischen Drehratensensors abdeckt, betreiben. Insbesondere lässt sich in dem vergleichsweise kurzen Zeitintervall des Testbetriebsmodus ein Kompensationswert ermitteln, welcher dann im Operativbetriebsmodus zur, insbesondere digitalen, Kompensation der Störeffekte genutzt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine weitere Erfassungsvorrichtung zur Erfassung einer mechanischen Auslenkung des Sensorelements parallel zur Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die weitere Erfassungsvorrichtung eine dritte und eine vierte Elektrodenstruktur aufweist,
wobei das Sensorelement entlang der Erfassungsrichtung gegenüber der dritten Elektrodenstruktur und gegenüber der vierten Elektrodenstruktur derart angeordnet ist, dass zwischen Sensorelement und dritter Elektrodenstruktur sowie zwischen Sensorelement und vierter Elektrodenstruktur jeweils eine weitere veränderliche Kapazität gebildet wird,
wobei die weitere Erfassungsvorrichtung zur differentiellen Erfassung der weiteren veränderlichen Kapazitäten vorgesehen ist, wobei die weiteren veränderlichen Kapazitäten ebenfalls jeweils einen weiteren statischen Kapazitätsanteil und einen weiteren zur gegensätzlichen Variation vorgesehenen dynamischen Kapazitätsanteil aufweisen, wobei der mikromechanische Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass mittels Variation der vorgegebenen Spannung der weitere
statische Kapazitätsanteil ermittelt wird. Somit ist es vorteilhaft möglich, ebenfalls in Antriebsrichtung eine Erfassung des statischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazität vorzunehmen und Störeffekte, die nicht aufgrund der differentiellen Auswertung kompensiert werden können, zu kompensieren. In vorteilhafter
Weise lässt sich somit eine präzise und effiziente, insbesondere energieeffiziente, Erfassung in Antriebsrichtung vornehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorelement zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur und/oder zwischen der dritten Elektrodenstruktur und der vierten Elektrodenstruktur angeordnet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass es insbesondere möglich ist den mikromechanischen Drehratensensor mit einem Sensorelement besonders effektiv und kompakt zu gestalten/fertigen/herzustellen und somit einen vorteilhaften energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassungsvorrichtung der veränderlichen Kapazitäten wenigstens einen Operationsverstärker zur Messung des statischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazität aufweist und/oder die weitere Erfassungsvorrichtung der weiteren veränderlichen Kapazitäten wenigstens einen weiteren Operationsverstärker zur Messung des weiteren statischen Kapazitätsanteils der weiteren veränderlichen Kapazität aufweist. Somit ist es vorteilhafterweise möglich, eine (weitere) bereits vorhandene Erfassungsstruktur zur Ermittlung des dynamischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazität umzufunktionieren und insbesondere mittels des Anlegens einer Referenzspannung (auf einen der beiden Eingänge des Operationsverstärkers) den statischen Anteil der veränderlichen Kapazitäten herauszufiltern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Variation der vorgegebenen Spannung einer Rechteckspannung entspricht. In vorteilhafter Weise ist es somit möglich eine effiziente, insbesondere energieeffiziente Erfassung des statischen Anteils der veränderlichen Kapazitäten zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mikromechanische Drehratensensor mit oder ohne Betrieb der Antriebsvorrichtung, im Rahmen der Herstellung und/oder im operativen Betrieb, temporär zu Eichzwecken und/oder kontinuierlich mit einer vorgegebenen Periodizität, insbesondere alle 100 Sekunden, insbesondere alle 10 Sekunden, im Testbetriebsmodus betrieben wird. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass es insbesondere möglich ist den mikromechanischen Drehratensensor energieeffizient zu betreiben.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorsystems mit einem Sensorelement gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorsystems mit einem Drehratensensor erweist sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch als vorteilhaft, dass die Erfassung des statischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazität dazu genutzt werden kann um Störeffekten entgegen zu wirken. Insbesondere können dadurch Störeffekte, die nicht durch den dynamischen Kapazitätsanteil der veränderlichen Kapazität kompensiert werden können und beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Löteffekte ausgelöst werden, berichtigt werden. Erfindungsgemäß lassen sich dadurch ebenfalls charakteristische Parameter der Erfassungsvorrichtung, beispielsweise deren Sensitivität und Phasenverschiebung und/oder die vorgegebene Spannung mit der das Sensorelement beaufschlagt wird, effektiver justieren und somit ein energieeffizienter Betrieb gewährleisten.
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Für das Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorsystems mit einem Sensorelement können die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorsystems bzw. des Sensorelements beschrieben wurden.
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Es ist vorzugsweise denkbar, dass der mikromechanische Drehratensensor mit einem Sensorelement Schaltungsmittel aufweiset und/oder mit Schaltungsmitteln verbunden ist, wobei der mikromechanische Drehratensensor und/oder die Schaltungsmittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden 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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- 1 a und 1 b zeigen jeweils eine Prinzipdarstellung eines Teils einer Erfassungsvorrichtung bzw. von relativbeweglichen Elektrodenstrukturen in Form von Kammelektroden (1 a) und in Form von parallelen Plattenelektroden (1 b), gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Teils einer Erfassungsvorrichtung in Form einer parallelen Plattenelektrodenanordnung zur differentiellen Auslesung bzw. Erfassung des dynamischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazitäten, gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild der Erfassungsvorrichtung inklusive eines Operationsverstärkers zur differentiellen Kapazitätsauslesung bzw. Auslesung des dynamischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazitäten, gemäß dem Stand der Technik.
- 4 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild der Erweiterung der Erfassungsvorrichtung wie sie in 3 gezeigt ist um einen Operationsverstärker zur Auslesung des statischen Kapazitätsanteils der veränderlichen Kapazitäten, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung:
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In 1 a und 1 b ist jeweils eine Prinzipdarstellung eines Teils einer Erfassungsvorrichtung bzw. einer einseitig bewegbaren Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In 1a ist eine einseitig bewegbare bzw. relativbewegliche Kammelektrodenstruktur 100 zusehen, während in 1b eine einseitig bewegbare Elektrodenstruktur in Form von parallelen Platten 200 dargestellt ist. In beiden Fällen der Elektrodenanordnung resultiert ein Kapazitätswert 110 und 210, welcher sich insbesondere durch eine Relativbewegung der jeweiligen Elektrodenstruktur 100 und 200 verändert. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Erfassung der Kapazität 110 der Kammelektrodenstruktur 100 bevorzugt genutzt wird, um große Auslenkungen zu detektieren - typischerweise (jedoch nicht zwingend) verwendet in Antriebsrichtung. Für kleine Auslenkungen wird bevorzugt eine Detektion mittels paralleler Platten 200 vorgenommen - typischerweise (jedoch nicht zwingend) verwendet in Detektionsrichtung.
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In 2 ist eine Prinzipdarstellung eines Teils einer Erfassungsvorrichtung bzw. einer Anordnung 300 von zwei äußeren starren Elektroden und das Sensorelements in der Mitte. Die Anordnung 300 verdeutlicht das Prinzip der differentiellen Messung der Kapazität bzw. des Kapazitätswert der Elektrodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus sind die Elektroden in der Anordnung 300 als parallele Platten dargestellt. Für Auslenkungen des Sensorelements ergibt sich für die beiden eingezeichneten veränderlichen Kapazitäten 310 und 320 neben einem statischen Kapazitätsanteil auch ein dynamischer Kapazitätsanteil. Insbesondere ergibt sich für kleine Auslenkungen der gleiche statische Kapazitätsanteil, sowie der gleiche dynamische Kapazitätsanteil.
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3 zeigt ein Prinzipschaltbild der Erfassungsvorrichtung inklusive eines Operationsverstärkers zur Bestimmung des dynamischen Kapazitätsanteils 710 der veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' (differentielle Auslesung) gemäß dem Stand der Technik. Die Kapazitäten 410 und 410' entsprechen den Kapazitäten 310 und 320 gemäß 2. Weiter wird das Sensorelement des mikromechanische Drehratensensor 400 statisch mit einer vorgegebenen Spannung 500 beaufschlagt. Die beiden betrachteten Kondensatoranordnungen der veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' sind (über Leitungen 600 und 600`) mit einem Operationsverstärker 700 verbunden. Mittels des Operationsverstärkers 700 erfolgt die differentielle Bestimmung der beiden veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' und somit eine Erfassung des dynamischen Kapazitätsanteils 710.
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4 zeigt ein Prinzipschaltbild der Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Neben dem Operationsverstärker 700 ist ein weiterer Operationsverstärker 800 zur Auslesung des statischen Kapazitätsanteils 810 vorgesehen, welcher insbesondere parallel zum Operationsverstärker 700 geschaltet ist. Das Sensorelement des mikromechanische Drehratensensor 400 wird ebenfalls mit einer vorgegebenen Spannung 500` beaufschlagt; zur Erfassung bzw. Bestimmung des statischen Kapazitätsanteils 810 ist diese Spannung 500` als eine variierende vorgegebenen Spannung 500` vorgesehen bzw. realisiert. Die beiden betrachteten Kondensatoranordnungen der veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' sind wiederum (über Leitungen 600 und 600`) mit den beiden Operationsverstärkern 700 und 800 verbunden. Über den Operationsverstärker 700 werden die beiden veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' differentiell ausgelesen und somit der dynamische Kapazitätsanteil 710 der veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' bestimmt. Zudem wird über den Operationsverstärker 800 mittels einer Referenzspannung 850 der statische Kapazitätsanteil 810 der veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' bestimmt, sofern die vorgegebene Spannung 500` eine variierende vorgegebene Spannung ist.
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Die Erfassungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dazu vorgesehen, entweder in einem Testbetriebsmodus oder aber in einem Operativbetriebsmodus betrieben zu werden. Während des Testbetriebsmodus wird das Sensorelement des mikromechanischen Drehratensensors 400 mit der variierenden vorgegebenen Spannung 500' beaufschlagt, so dass jedenfalls der statische Kapazitätsanteil 810 bestimmbar ist und ggf. auch der dynamische Kapazitätsanteil 710 der veränderlichen Kapazitäten 410 und 410' bestimmt wird (insbesondere falls der Antrieb des Drehratensensors aktiviert ist). Im Operativbetriebsmodus wird das Sensorelement des mikromechanischen Drehratensensors 400 ebenfalls mit der vorgegebenen Spannung 500' beaufschlagt, wobei jedoch in diesem Fall diese vorgegebene Spannung 500' einer statischen Spannung 500' entspricht, so dass lediglich der dynamische Kapazitätsanteil 710 bestimmt wird. Insbesondere lässt sich der Operationsverstärker 800 im Operativbetriebsmodus vorzugsweise in einen Ruhezustand und/oder Energiesparzustand versetzen.
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Ferner ist es insbesondere erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mikromechanische Drehratensensor 400 dauerhaft während maximal 2 Sekunden im Testbetriebsmodus, insbesondere dauerhaft während maximal 1 Sekunde, insbesondere dauerhaft während maximal 500 ms, insbesondere dauerhaft während maximal 50 ms betrieben wird.
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Zudem lässt sich der mikromechanische Drehratensensor 400 mit oder ohne Betrieb der Antriebsvorrichtung, im Rahmen der Herstellung und/oder im operativen Betrieb, temporär zu Eichzwecken und/oder kontinuierlich mit einer vorgegebenen Periodizität, insbesondere alle 100 Sekunden, insbesondere alle 10 Sekunden im Testbetriebsmodus betreiben. Im Fall eines Betriebs ohne Antrieb wird lediglich der statische Kapazitätsanteil 810 bestimmt. Insbesondere lässt sich der Operationsverstärker 700 im Testbetriebsmodus vorzugsweise in einen Ruhezustand und/oder Energiesparzustand versetzen.
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Erfindungsgemäß kann der statische Kapazitätsanteil 810 mittels einer geeigneten Signalverarbeitung, beispielsweise Demodulation, in ein digitales Signal umgewandelt werden und für eine effiziente Kompensation von Störeffekten gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden.
Beispielhafte Anwendungen für solch eine Vorrichtung sind vorzugsweise Gyroskope und Beschleunigungssensoren. Für beiden Sensortypen lassen sich Störeffekte in Detektionsrichtung feststellen. Diese ließen sich durch die oben genannte Demodulation effektiv kompensieren und somit die Funktionsweise der Sensoren effizienter gestalten.
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Ferner ist es erfindungsgemäß ebenfalls möglich, Deformationen der mechanischen Struktur zu detektieren und zu kompensieren. Solche Deformationen, wie sie beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Löteffekte entstehen, lassen sich nicht mittels einer differentiellen Auslesung 710 kompensieren, da diese Art von Deformation aufgrund ihrer gleichgerichteten Änderung (d.h. Änderung des statischen Kapazitätsanteils 810) in der Differenz der differentiellen Detektion 710 weitestgehend ausgeblendet wird.
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Eine analoge Erfassung kann auch durch eine weitere Erfassungsvorrichtung parallel zur Antriebsvorrichtung vorgesehen sein, dies ist jedoch nicht in der 4 dargestellt. Somit können durch die weitere Erfassungsvorrichtung ein weiterer statischer Kapazitätsanteil und ein weiterer dynamischer Kapazitätsanteil mittels Variation der vorgegebenen Spannung 500' bestimmt werden.
