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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensorbaustein und
insbesondere einen Infrarotsensorbaustein von in sich abgeschlossener
Art, der ein pyroelektrisches Element sowie einen IC-Chip einschließt, der
ein von dem Element ausgegebenes Signal zum Bereitstellen einer
bestimmten Sensorausgabe verarbeitet.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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Die
US-Patentschrift Nr. 6,121,614 offenbart einen Infrarotsensor der
oben erwähnten
in sich abgeschlossenen Art, der einen dielektrischen Träger aufweist,
auf dem das pyroelektrische Element ebenso wie IC-Chips montiert
sind. Der Träger
wird in einem Raum zwischen einer Basis und einer Abdeckung gehalten.
Die Basis weist I/O-Anschlußstifte auf,
die mit dem IC-Chip
und Vorsprüngen
zur Verbindung mit einer externen Schaltung verbunden sind. Um den
IC-Chip elektrisch mit dem pyroelektrischen Element, den externen
elektrischen Teilen und den I/O-Anschlußstiften zu verbinden, ist
der Träger
der im allgemeinen kubischen Anordnung mit einer komplexen Leiterstruktur über zwei
oder mehr Schichten des Trägers
ausgebildet. Doch die Leiterstruktur kann nur durch verschiedene
Prozesse unter Verwendung spezifischer Einrichtungen umgesetzt werden,
wodurch die Herstellung des Sensors zu geringen Kosten schwierig
wird.
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Aus
dem Abstract des Japanischen Patents JP 08-015007 A sind ein Infrarotsensor
und ein Herstellungsverfahren dafür bekannt, wobei offenbart wird,
daß ein
Infrarotdetektor in einem Aussparungsteil untergebracht ist, der
einen isolierenden Schutzkörper
umfaßt,
wobei ferner offenbart wird, daß Sensorschaltungsteile
und andere Elemente zum elektrischen und mechanischen Verbinden
der Schaltungsteile durch ein Harzmaterial fest eingebaut sind.
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Basierend
auf dem oben beschriebenen Stand der Technik besteht eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Infrarotsensorbaustein
zur Verfügung
zu stellen, der zu geringeren Kosten hergestellt werden kann und
trotzdem seine Kompaktheit beibehält sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit
des Infrarotsensors und geringem Ableitstrom von der Sensorausgabe
des verwendeten pyroelektrischen Elements aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Infrarotsensorbaustein nach Anspruch 1
gelöst,
Anspruch 2 bis 7 betrifft spezielle vorteilhafte Ausführungsformen des
Infrarotbausteins nach Anspruch 1.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Infrarotsensorbaustein der vorliegenden Erfindung umfaßt einen
dielektrischen Träger,
der aus einem plastischen Material geformt ist, um eine Sensorhalterung
zur Verbindung eines pyroelektrischen Elements ebenso wie eine IC-Halterung
zur Verbindung eines IC-Chips aufzuweisen, der ein Signal von dem
pyroelektrischen Element verarbeitet. Der Träger ist auf einer Basis befestigt,
die mit einer Mehrzahl von I/O-Anschlußstiften ausgebildet ist, die sich
durch die Basis zur elektrischen Verbindung des IC-Bausteins mit
einer externen Schaltung erstrecken. Eine Abdeckung ist auf der
Basis gesichert, um dazwischen einen Raum zur Unterbringung des
Trägers
zu schaffen. Der Träger
ist mit Sensorleitern für elektrische
Verbindung zwischen dem pyroelektrischen Element und dem IC-Baustein
und außerdem mit
I/O-Leitern für
elektrische Verbindung zwischen dem IC-Baustein und den I/O-Anschlußstiften
ausgebildet. Die wichtige Eigenschaft der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß die
Sensorleiter und die I/O-Leiter in den elektrischen Halter geformt
und fest eingebaut sind. Somit können
die Sensorleiter ebenso wie die I/O-Leiter durch einen ziemlich
einfachen Herstellungsprozeß umgesetzt
werden, wodurch die Herstellungskosten für den Infrarotsensor verringert werden
können
und die elektrischen Verbindungen seitens des Trägers zwischen dem IC-Baustein
und dem pyroelektrischen Element und zwischen dem IC-Baustein und
den I/O-Anschlußstiften
gewährleistet
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Träger
im allgemeinen kubisch geformt mit einer oberen Fläche, einer
Vorderfläche
und einer unteren Fläche.
Die obere Fläche
ist mit der Sensorhalterung ausgebildet und die Vorderfläche ist
mit der IC-Halterung ausgebildet. Jeder der Sensorleiter besitzt
auf den oberen und unteren Flächen
des Trägers
exponierte Teile jeweils zur Verbindung mit dem an der Sensorhalterung
befestigten pyroelektrischen Element ebenso wie zur Verbindung mit
dem an der IC-Halterung befestigten IC-Baustein. Jeder I/O-Leiter
besitzt auf den vorderen und unteren Flächen des Trägers exponierte Teile jeweils
zur Verbindung mit dem IC-Baustein und dem I/O-Anschlußstift an
der unteren Fläche
des Trägers.
Mit dieser Anordnung kann das Sensorgehäuse kompakt hergestellt werden
und die Strukturen der einzelnen Leiter werden vereinfacht.
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Eine
Metallabschirmung ist in einem Teil in den Träger geformt, der benachbart
zu der IC-Halterung
ist und mit einem stabilisierten elektrischen Potential in der Schaltung
des IC-Bausteins
zur Abschirmung des IC-Bausteins an dem stabilisierten elektrischen
Potential verbunden ist, wodurch die Schaltung des IC-Bausteins
elektromagnetisch geschützt wird,
um die störende
Kapazität
zwischen der Eingabe und der Ausgabe des IC-Bausteins für verbesserte
Zuverlässigkeit
der Sensorausgabe zu minimieren. In diesem Zusammenhang kann die
Metallabschirmung geformt sein, ein vertikales Segment, das in den
Träger
hinter der IC-Halterung eingebettet ist, und ein horizontales Segment
aufzuweisen, das von dem oberen Ende des vertikalen Segments zur
Abschirmung des IC-Bausteins von dem pyroelektrischen Element gebogen
ist. Das ist ebenfalls für
die effektive Abschirmung des IC-Bausteins von dem pyroelektrischen
Element vorteilhaft, jedoch unter Verwendung der in den Träger eingebetteten
Metallabschirmung.
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Die
Metallabschirmung kann geformt sein, einen Hauptteil, der hinter
der IC-Halterung in der Vorderfläche
eingebettet ist, und einen Anschlußabschnitt aufzuweisen, der
sich von dem Hauptabschnitt zu der Vorderfläche des Trägers zur Verbindung mit einem
konstanten Potentialteil der Schaltung des IC-Bausteins erstreckt.
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Ferner
weist die Metallabschirmung vorzugsweise eine fest eingebaute Ausdehnung
auf, die sich hinter der Sensorhalterung ebenfalls zur Abschirmung
des pyroelektrischen Elements erstreckt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
befindet sich einer der Sensorleiter, der für die Verbindung mit einer
Signalausgabe des pyroelektrischen Sensors verantwortlich ist, benachbart
zu der oberen Fläche
und ist diagonal relativ zu der Vorderfläche von einem der I/O-Leiter
beabstandet, der mit einer Ausgabe des IC-Bausteins verbunden ist.
Das dient der Verringerung einer möglichen kapazitiven Kopplung zwischen
der Signaleingabe und der Ausgabe des IC-Bausteins für zuverlässige Infraroterkennung.
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Ferner
kann der I/O-Leiter ein vertikales, innerhalb des Trägers eingebettetes
Segment und ein sich vom unteren Ende des vertikalen Segments auswärts des
Trägers
erstreckendes horizontales Element zur sofortigen Verbindung mit
dem I/O-Anschlußstift
umfassen.
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Der
Träger
ist über
eine erste Metallabschirmung und eine zweite Metallabschirmung geformt, die
zur Abschirmung des IC-Bausteins voneinander beabstandet zu der
IC-Halterung sind. Die erste Metallabschirmung ist elektrisch mit
einer Masseleitung des IC-Bausteins verbunden und die zweite Metallabschirmung
ist elektrisch mit einem Teil des IC-Bausteins mit einem elektrisch
höheren
Potential als die Masseleitung verbunden. Durch den Einschluß der zweiten
Metallabschirmung ist es leicht möglich, einen Kriechstrom von
der Sensorausgabe des pyroelektrischen Elements zu verringern, wodurch
die Zuverlässigkeit
des Infrarotsensors verbessert wird.
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Die
Sensorleiter können
jeweils mit Anschlüssen
ausgebildet sein, die auf dem Träger
zur elektrischen Verbindung mit Elektroden des pyroelektrischen
Elements mittels elektrisch leitfähiger Haftmittel herausragen.
Der Träger
ist mit einer Wölbung
zum darin Aufnehmen einer externen elektrischen Komponente ausgebildet,
die mit der Schaltung des IC-Bausteins verbunden wird. Ein Paar Komponentenanschlüsse ist
in dem Träger
geformt, wobei Teile davon an einer Oberseite der Höhlung für einen
Kontakt mit der externen elektrischen Komponente und für elektrische
Verbindung der Komponente mit dem IC-Baustein exponiert sind. Somit
kann die notwendige elektronische Komponente außerhalb des IC-Bausteins zusammen
mit dem IC-Baustein
in den Träger
eingeschlossen werden, wodurch der gesamte Aufbau kompakt wird.
In diesem Zusammenhang sind die jeweiligen Teile der Komponentenanschlüsse an einer
Oberseite der Höhlung
exponiert, wobei sie den IC-Baustein für die elektrische Verbindung
der externen elektrischen Komponente des IC-Bausteins aufnehmen.
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Diese
und andere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführunsgsformen
im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Einzelbilddarstellung eines Infrarotsensorbausteins
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 und 3 sind
perspektivische Ansichten eines Hauptteils des Sensorbausteins jeweils aus
unterschiedlichen Richtungen betrachtet,
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4 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine interne Struktur des Bausteins
darstellt,
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5 ist
eine perspektivische Ansicht von Metalleitern, die in einem Kunststoffträger des
Bausteins eingebettet sind,
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6 ist
eine Vorderansicht des Trägers,
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7 ist
ein Querschnitt entlang der Linie 7-7 der 6,
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8 ist
ein Querschnitt entlang der Linie 8-8 der 6,
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9A und 9B sind
jeweils eine Draufsicht und Unteransicht eines pyroelektrischen
Elements, das in dem Baustein verwendet wird,
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10 ist
ein Schaltdiagramm es Sensorbausteins,
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11A bis 11F sind
perspektivische Ansichten, die einen Herstellungsprozeß des Sensorbausteins
darstellen,
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12A bis 12D sind
perspektivische Ansichten, die einen Herstellungsprozeß des Sensorbausteins
darstellen,
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13 ist
eine perspektivische Ansicht einer Anpassung des oben genannten
Sensorbausteins.
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AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf 1 wird ein Infrarotsensorbaustein gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Infrarotsensorbaustein wird
zum Beispiel bereitgestellt, um menschliche Gegenwart im Zimmer
oder in einem Bereich zu erkennen, um eine Warnung oder Steuerung
an eine verbundene Beleuchtungsvorrichtung oder ähnliches abzugeben. Der Baustein
setzt sich im allgemeinen aus einer Basis 10 zusammen, die
einen dielektrischen Träger 20,
I/O-Endanschlußstifte 11 bis 13 und
eine Abdeckung 100 trägt,
die über
den Träger 20 auf
der Basis 10 angepaßt
ist. Der dielektrische Träger 20 hält ein pyroelektrisches Element 30,
einen IC-Baustein 40, der eine Signalverarbeitungsschaltung
ausbildet, und eine elektronische Komponente 50, die mit
der Schaltung des IC-Bausteins 40 verbunden wird. Das pyroelektrische Element 30 erzeugt
beim Empfang einer Infrarotstrahlung durch ein transparentes Fenster 101 in
der Oberseite der Abdeckung 100 eine Signalausgabe. Wie
in 10 gezeigt realisiert die Signalverarbeitungsschaltung
einen Strom-Spannungsumwandler 41 zur Umwandlung der Signaleingabe
in Form eines Stroms in eine Spannung, einen Verstärker 41 zur Verstärkung der
Spannung, einen digitalen Filter 43 zur Herausfilterung
von Rauschen, das nicht von anderen Quellen als dem Menschen stammt,
und einen Ausgabebereich 44, der einen Fenstervergleicher umfaßt, der
die gefilterte Spannung mit Grenzwerten für die Erkennung menschlicher
Präsenz
vergleicht, und eine bestimmte Sensorausgabe ausgibt, die menschliche
Präsenz
durch ein Ausgabeendgerät 45 anzeigt.
Zusätzlich
umfaßt
die Schaltung eine Stromversorgung 46, die durch eine externe
Quellspannung <VDD> mit Energie versorgt
wird, um das pyroelektrische Element 30 mit einer Betriebsspannung <VR> ebenso wie verschiedene
Teile der Schaltung mit anderen Spannungen zu versorgen, und es
umfaßt
außerdem
einen Takterzeuger 47, der ein Taktsignal an den digitalen
Filter 43 gibt. Die externe elektronische Komponente 50 ist
ein Kondensator mit ziemlich großer Kapazität, der nicht in dem IC-Baustein 40 enthalten
ist und mit dessen Schaltung verbunden ist.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, ist der Träger 20 aus
einem dielektrischen Kunststoffmaterial in einen im allgemeinen
flachen Kubus geformt, der eine enge Oberseite und eine große Vorderfläche aufweist.
Die Oberseite ist mit einer Sensorhalterung 21 zur Sicherung
des pyroelektrischen Elements 30 ausgebildet, während die
Vorderfläche
mit einer IC-Halterung 25 zur Sicherung des IC-Bausteins 40 ausgebildet
ist. Der Kunststoffträger 20 ist
aus einem flüssigen
Kristallpolymer hergestellt und ist über die Metallteile geformt,
damit er darin fest eingebaut ist. Das heißt die Metallteile sind teilweise
in den Träger 20 an
dessen Ausformung eingebettet. Wie in 4 und 5 gezeigt
umfassen die Metallteile ein Paar Sensorleiter 61 und 62 zur
elektrischen Verbindung des pyroelektrischen Elements 30 mit
dem IC-Baustein 40, drei I/O-Leitern 71 bis 73 zur
elektrischen Verbindung des IC-Baisteins 40 jeweils mit
den I/O-Anschlüssen 11 bis 13,
ein Paar Komponentenanschlüsse 81 und 82 zur
elektrischen Verbindung der externen Komponente 50 mit
dem IC-Baustein 40 und Abschirmungsplatten 90 und 95.
Die Abdeckungsplatte 90 ist von den anderen Metallteilen
getrennt und umfaßt
ein vertikales Segment 91, ein horizontales Segment, das
sich von der Spitze des vertikalen Segments ausdehnt, und eine Anschlußleitung 93,
die sich horizontal von einer Seite des vertikalen Segments erstreckt.
Das vertikale Segment 91 ist in den Träger 20 an einem Ort
hinter dem oberen Teil des IC-Bausteins 40 zur elektromagnetischen Abschirmung
dessen eingebettet, während
das horizontale Segment 92 in den Träger an einem Ort unterhalb
des pyroelektrischen Elements 30 zur Abschirmung oder elektromagnetischen
Isolierung des IC-Bausteins 40 von dem pyroelektrischen
Element 30 eingebettet ist. Die Abschirmungsplatte 95 ist
andererseits als fest eingebautes oder durchgängiges Bauteil mit den I/O-Leitern 72 ebenso
wie mit dem Komponentenanschluß 82 ausgebildet
und umfaßt ein
vertikales Segment 96, das sich hinter dem unteren Ende
des IC-Bausteins 40 befindet, ein horizontales Segment 97,
das über
das untere Ende des vertikalen Segments 96 zur Abschirmung
des unteren Endes des IC-Bausteins 40 herausragt, und eine
Seitenausdehnung 98 zur Abschirmung des IC-Bausteins 40.
Wie am besten in 6 gezeigt ist der Hauptteil
des vertikalen Segments 96 an der Vorderfläche des
Trägers 20 exponiert
und mit einer Masse des IC-Bausteins 40 verbunden. In diesem
Zusammmenhang ist der in die Abschirmungsplatte 95 fest eingebaute
I/O-Leiter 72 an der Oberseite des Trägers für direkten Kontakt mit einem
Masseleiter 14 an dem oberen Ende der Basis 10 exponiert
und dadurch elektrisch mit dem I/O-Anschluß 12 verbunden.
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Wieder
mit Bezug auf 2 und 3 ist die Sensorhalterung 21 durch
ein Paar Randleisten an gegenüberliegenden
Enden eines in der oberen Fläche
des Trägers 20 ausgebildeten
Hohlraums begrenzt. Das pyroelektrische Element 30 überbrückt (1)
die Randleisten, um an der oberen Fläche des Trägers 20 gesichert
zu sein. Das pyroelektrische Element 30 besteht aus einem
dielektrischen Substrat 31, das jeweils an gegenüberliegenden
Flächen
mit den Licht empfangenden Elektroden 32 und 33 ausgebildet
ist. Die Elektroden 32 und 33 sind an der oberen
Fläche
des Substrats in einer Struktur (9A) und
an der unteren Fläche
des Substrats in einer Struktur (9B) derart
angeordnet, daß vier Paare
der Elektroden 32 und 33 entgegengesetzter Polaritäten gegeben
sind, wobei das Substrat zwischen den Elektroden jedes Paars eingeschoben
ist. Das Substrat 30 ist an seinen gegenüberliegenden Enden
mit Anschlüssen 34 und 35 ausgebildet,
die jeweils mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit Anschlüssen oder
den Teilen der Sensorleiter 61 und 62 verbunden
sind, die an der oberen Fläche
des Trägers 20 hervorstehen.
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Die
IC-Halterung 25 hat die Form einer rechteckigen Aussparung
in der Oberseite eines Fensters 26 in der Vorderfläche des
Trägers 20 zur
Aufnahme darin des IC-Bausteins 40, wie in 1 und 7 durch
gepunktete Linien angezeigt. Der IC-Baustein 40 ist durch
einen Klebstoff an der Oberseite der Aussparung 25 gesichert
und durch die Drahtanschlußtechnik
elektrisch mit den Teilen des Leiters verbunden, der in dem Träger eingebettet
ist. Wie am besten in 4 und 6 gezeigt
sind an der Oberseite des Fensters 26 um die Aussparung 25 Teile
der Sensorleiter 61 und 62, die Komponentenanschlüsse 81 und 82,
das vertikale Segment 96, die Anschlußleitung 93 und die
I/O-Leiter 71 und 73 exponiert. Diese Teile sind
durch Drahtanschluß mit
den entsprechenden Anschlußleitungen
an der Außenseite
des IC-Bausteins 40 verbunden. In diesem Zusammenhang sind die
Wände,
die das Fenster 26 umgeben, geneigt, um einen Durchgang
oder eine Öffnung
zu bieten, der wie in 7 und 8 gezeigt
an der Oberseite breiter ist, wodurch die Drahtanschlußvorgänge erleichtert
werden, das heißt
eine für
den Drahtanschluß verwendete
Kapillare leicht beherbergt.
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Der
Sensorleiter 61 ist verbunden, eine Signalausgabe von dem
pyroelektrischen Element 30 zu empfangen, und mit einer
Signaleingabe <SIN> der Schaltung des
IC-Bausteins 40 durch Drahtanschluß verbunden, während die
Schaltung dem Sensor Ausgabe durch den Ausgabeanschluß 45 an
den I/O-Leiter 71 gibt. Wie in den Figuren gezeigt ist
die Signalausgabe, das heißt
die Verbindung mit dem Sensorleiter 61, relativ zu der
Vorderfläche
des Trägers 20 von
der Sensorausgabe, das heißt
von der Verbindung des I/O-Leiters 71, diagonal beabstandet.
Diese räumliche
Anordnung fördert
die elektrische Isolation zwischen der Signalausgabe des pyroelektrischen
Elements 30 und der Sensorausgabe des IC-Bausteins 40 in
Zusammenarbeit mit einem einzigartigen elektromagnetischen Abschirmungssystem,
das zwei Abschirmungsplatten 90 und 95 der unterschiedlichen
Potentiale verwendet. Das heißt die
Abschirmungsplatte 95, die benachbart zu der Sensorausgabe
des I/O-Leiters 71 ist, ist mit einer Schaltungsmasse der
Schaltung des IC-Bausteins 40 verbunden, während die
Abschirmungsplatte 90, die zu dem Sensorleiter 61 benachbart
ist, der die Sensorausgabe bereitstellt, an der Anschlußleitung 93 mit
einem Teil des IC-Bausteins 40 verbunden ist, der ein konstantes
Potential <VR2> oder <VR> von der Masse erhöht aufweist,
wie in 10 gezeigt. Das konstante Potential
oder die stabilisierte Spannung wird als Referenzspannung angegeben,
mit der die Ausgabe <SIN> des pyroelektrischen
Elements 30 verglichen wird, um die menschliche Präsenz zu bestimmen.
Da die Abschirmungsplatten 91 und 92 an der Referenzspannung über der
Masse gehalten werden, wird ein möglicher Kriechstrom von der
Ausgabe des pyroelektrischen Elements an den IC-Baustein minimiert,
wodurch zuverlässiges
Erkennen sichergestellt wird. Der Träger 20 ist ebenfalls
an der Vorderfläche
benachbart zu dem Fenster 26 mit einer Höhlung 24 ausgebildet,
in die die externe Komponente 50 eingefügt ist und elektrisch mittels
des elektrisch leitfähigen
Klebstoffs mit den Teilen der Komponentenanschlüsse 81 und 82 verbunden
ist, die an der Oberseite der Höhlung 24 exponiert
sind. Die jeweiligen unteren Enden der I/O-Leiter 71 sind
gebogen, um Füße zu ergeben,
die an dem unteren Ende des Trägers
zur Verbindung mit den I/O-Anschlüssen 11 und 13 an
der oberen Fläche
der Basis 10 exponiert sind, wie in 1 gezeigt.
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11A bis 11F und 12A bis 12D stellen
Schritte der Herstellung des Infrarotsensorbausteins dar. Zunächst werden
die Leiter oder Metallteile in einem einzelnen Blech 8 ausgebildet,
indem sie daraus ausgestanzt werden (11 A).
Dann wird der Träger 20 über die
Abschnitte der Metallteile geformt und der IC-Baustein 40 wird
an den Träger 20 montiert
(11B), wonach das Fenster mit einer verkapselnden
Zusammensetzung 2 zur Versiegelung des IC-Bauseins darin
gefüllt
wird (11C). Danach wird die externe
elektronische Komponente 50 in die Höhlung 24 eingepaßt (11D) und der Träger 20 wird von einem
Rahmen des Blechs entfernt (11E),
wonach die Füße der I/O-Leiter 71 und 73 gebogen
werden (11F). Dann wird der Träger 20 auf
der Basis 10 mit den I/O-Leitern 71 bis 73 zusammengebaut,
die mit den I/O-Anschlüssen 11 und 13 und
dem Masseleiter 14 der Basis verbunden sind (12A und 12B). Zuletzt
wird das pyroelektrische Element 30 an der Sensorhalterung 21 auf
dem Träger 20 gesichert (12C) und die Abdeckung 100 wird über den
Träger
plaziert und mit der Basis 10 versiegelt (12D).
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13 stellt
eine Anpassung der oben beschriebenen Ausführungsform dar, in der der
Sensor 21 durch ein Paar abgestufter Randleisten begrenzt ist,
die von der oberen Fläche
des Trägers
durch eine Tiefe zurückgesetzt
sind, die der Dicke des pyroelektrischen Elements in den abgestuften
Randleisten der Sensorhalterung 21 entspricht.