CN100585406C - Z轴角速度传感器 - Google Patents

Abstract

描述了一种振荡速率传感器，用于检测围绕z轴的旋转。它在结构性链接和动力学上具有音叉的性质，从而两检验质体的基础反相振荡由于机械链接而得以实现。

Description

Z轴角速度传感器

相关申请

本申请要求2003年9月25日提交临时申请号为60/505,990、名为“Z-AXISANGULAR RATE SENSOR WITH UNIQUE DYNAMICS”的专利的优先权。在此要求美国临时申请35USC§119(e)之下的权益，并且前述的申请通过参照而在此全文引入。

发明背景

发明领域

本发明涉及微型器件和微型结构领域。更具体地，本发明涉及到角速度传感器。

技术领域

微型电机系统(MEMS)技术的发展使得人们在低成本、可靠的高质量回旋角速率传感器的研发上倾注了极大的兴趣。传统的军事级回旋仪生产技术并非称得上是大规模低成本的生产。MEMS技术利用半导体生产技术以构建微型电机系统，并且因此而提供了低成本惯性传感系统的制造模型。广大研发者利用各种设计和生产方法来从事MEMS振荡速率回旋仪设计。但是所有的这些设计均是源自基础的振荡回旋动力学原理，早在U.S专利2,309,853(Lyman等)已有揭示，并且在诸如Academic Press，§13.7，p.368(1961)，由R.N.Arnold和L.M.Maunder著的“Gyrodynamics”的文章中已经讨论过。

速率传感器指示规定的迪卡尔轴上的旋转速率，该迪卡尔轴通常与传感器包装盒的一轴平行。术语“Z轴”表示感应是沿着与包装盒安装平面(诸如印刷电路板)相垂直的一轴，同时被称为“偏向”速率传感器。该“Z轴”通常也垂直于构造MEMS传感器的硅晶片的平面。

标准耦合的振荡器具有“对称”和“非对称”谐振模式，但是在某些应用中并非希望出现对称模式，这些在Harcourt College Publisher，第4卷，§12.2，p.460(1994)，由J.B.Marion和S.T.Thornton著的文章Classical Dynamics of Particlesand Systems中已经讨论过，这种对称模式就是基础模式。

以其最简单的形式，振荡速率回旋仪首先以其谐振频率沿着线性轴来驱动弹性体系统，驱动力由下式给出：

该质体的位置和速度由下式来描述：

                    (2)以及

                     (3)其中

${\mathrm{\δ}}_x=\frac{Q_x{F}_{\mathrm{drive}}}{k_x}$                     (4)以及

                     (5)

δ_x是沿着x轴的谐振位移幅值，

是沿着x轴的谐振频率，Q_x是沿着x轴的谐振质量因子，k_x是沿着x轴的线性弹性常数，并且m是质量。当该振荡器沿着某一轴以速率

在直角坐标系中的科里奥利(Coriolis)力由下式给出：

${\stackrel{\mathrm{\μ}}{F}}_{\mathrm{Coliolis}}=-2m\stackrel{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\Ω}}\×\stackrel{\mathrm{\ρ}}{v},---\left(6\right)$

其中 $\stackrel{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\Ω}}={\mathrm{\Ω}}_z,$ 并且由等式(3)所给出的

变为：

科里奥利力然后在振荡质体、或者其中所包含的悬挂质体的x运动上施加y运动，在谐振中y响应运动并非是必需的，并且它的位置由下式给出：

其中

(10)以及

(11)

是沿着y轴的谐振频率，Q_y是验证y轴的谐振性质因子，并且k_y是沿着y轴的线性弹性常数。沿着y轴的科里奥利响应的幅值和相位由等式(9)和(10)给出，同时时间变量与受驱x运动的相同。由于由速率(Ω_z)所致的科里奥利响应的时间变量等于受驱x运动的时间变量，则使用类似于AM无线电或锁定放大器的解调技术可以将y-科里奥利运动与由线性加速度所致的伪运动区分开。在该方式中，通常在专用集成电路(ASIC)中所包含的电子控制装置感应并处理动力学信号，以产生与角速率成比例的滤波电输出。

对于实际的速率感应设备来说，重要的是除了前述的解调技术之外，还必需使其不受伪加速度的影响。因此对前述描述的速率感应做出必需的修正：在沿着相同的线性x轴向采用了第二受驱质体，但是与第一质体的相位相差π弧度。类似地然后第二质体响应于科里奥利力沿着y轴运动，但必需与第一质体的相位相差π弧度。可以在一种配置中感应出两质体的运动，在该配置中，诸如由加速度所致的同方向上的两质体的同时偏向相抵消，如同普通模式一样，但是相反的科里奥利偏向有不一致的增加。使得受驱x振荡具有π弧度相位差的两质体被称为“反相”或“非对称”操作，并且速率传感器分类通常被称为“音叉”。

必需以足够的相位精度来实现反相运动。可以通过各种技术来实现该运动，但是大多数技术增加了系统的复杂性或生产工艺。这些技术包括以材料消蚀方式进行机械平衡，以传感器电极和电反馈方式进行静电频率调谐，使用单独的可调谐受驱信号相位，以及采用上述技术的结合。

在复杂系统控制、微小传感信号、热波动以及经常出现的误差信号方面，现有技术中的MEMS速率传感器面临着诸多的技术挑战。因此，在本领域中需要有一种产品，它可以实现大规模低成本的制造，同时单个的传感器只需微小的调谐和测试。

发明内容

本发明是一种平面振荡速率传感器，具有独特的结构链接(linkage)配置，从而实现具有可忽略相位误差的基础“音叉”反相型运动。基础反相运动的存在在单个传感器的频率和相位、制造公差以及机械调谐方面减轻了系统控制的负担。当两个链接的质体沿着平面内x轴振动，并且基体沿着平面之外的z轴旋转时，质体响应于科里奥利力并沿着平面内y轴振动。Y响应同样是反相的，并且差分传感和解调将会从y运动中选取回旋速率信号，其中加速度信号被消除，如同普通模式一样。

本发明的速率传感器包括由多个对称锚点悬挂的总质体，两检验质体之间的锚点由挠性件连接到刚性梁上。用挠性件将这些梁以对称的方式依次交联，并且挠性件介于刚性梁之间。最终是用对称的挠性件将内部结构和外部结构相连。最好用周界挠性件来支撑检验质体。当沿着对称轴对检验质体施力时，则其间的多个链接和挠性件产生偏向，从而迫使第二检验质体沿着相反线性方向上的对称轴移动。多个刚性梁和链接对检验质体运动有严格的限制，对反相振荡有微小的阻力，同时对其它运动有强大的阻力，这样一点可以在反相的是基础振动模式、而其它模式则是可以轻易分离的较高阶模式中得以证明。

在一实施例中，实施了检验质体之间的两组对称锚点。可以选择性实施附加组的对称锚点，以增加对伪加速度的阻力，但是驱动更多质体的成本也会增加。

每一个检验质体最好是包括具有由挠性件所悬挂的内部质体的框架，每个框架最好是与相对的检验质体相连的内部链接进行刚性连接，以防止框架对科里奥利力产生响应。但是，可以单独地调谐框架的内部质体和悬挂形式，以使其具有一谐振频率，从而在该谐振频率上对科里奥利力产生预定程度的响应。

最好是用电容梳驱动器在MEMS设备中激励检验质体。最好是用类似的电容性技术来完成受驱运动和科里奥利速率运动。电子ASIC具备必要的驱动、感应以及信号处理功能，以提供与速率成比例的输出电压。或者，采用压电或磁性激励元件也在本发明的精神之内。

附图说明

图1示出本发明的角速率传感器的示意性实施例；

图2A示出本发明角速率传感器的运动的第一相位，其中检验质体沿着x方向上平移偏离中心。

图2B示出本发明角速率传感器的运动的第二相位，其中传感器处于非弯曲状态；

图2C示出本发明角速率传感器的运动的第三相位，其中检验质体沿着x方向上平移趋近中心。

图3A示出本发明的另一实施例，其中在传感器的内部区域中仅配置一对基底锚；

图3B示出本发明的另一实施例，其中在传感器的内部区域中配置三对基底锚；

图4A示出本发明较佳生产工序的第一步骤；

图4B示出本发明较佳生产工序的第二步骤；

图4C示出本发明较佳生产工序的第三步骤；

图4D示出本发明较佳生产工序的第四步骤；

图4E示出本发明较佳生产工序的第五步骤；

图4F示出本发明较佳生产工序的第六步骤；

图4G示出本发明较佳生产工序的第七步骤；

图4H示出本发明较佳生产工序的第八步骤；

图5示出本发明一实施例的等角坐标立体图；以及

图6示出本发明的较佳实施例的示意图，该实施例具有增加元件期望刚性的附加支撑梁和角撑架。

具体实施例

由于本发明的速率传感器的机械连接强化了两个振荡质体的基础反相运动，则该传感器可满足苛刻的回旋动力学要求。与之形成对比的是现有技术的耦合振荡器的动力学过程，这种振荡器具有“对称”和“非对称”谐振模式，而非期望的对称模式是基础的。

在本发明中，通过会导致可忽略相位误差的独特结构性连接配置来实现该反相操作。这些链接决定对小质量和弹力非平衡不敏感的机械动力学过程，它们的基础模式就是反相运动。该结构性对称以稳健的模式来产生线性运动。其它的振动模式则是可以轻易分离的较高阶模式。最好是使用各种MEMS生产技术中的任意一种来实现该机械设计，这些生产技术包括，但不限于：深度反应离子蚀刻(DRIE)、表面微型机械加工、厚度微型机械加工等。最好是在各种介质中的任意一种上生产该设备，这些介质包括，但不限于：单晶硅晶片、绝缘体硅(SOI)晶片、多晶硅晶片、外延晶片或者是较大尺寸的常规机械装置。

参照图1，速率传感器(150)具有沿着设备x轴(1)的对称轴，该轴同时也是受驱反相运动的轴。所示出的结构的基底上具有锚点，第一组(4)和(5)通常在该结构的内部，而第二组(6)和(7)通常在结构的外部。在基底锚点之间的挠性件和刚性梁的交联决定了该结构的基础反相运动。

挠性件(8)和(9)使得刚性梁(10)和(11)以锚点(4)和(5)为枢轴。挠性件(12)和(14)将刚性梁(10)链接到刚性梁(16)和(18)，将梁(10)的枢轴运动传动成梁(16)和(18)的运动，其中梁(16)和(18)维持其x方向的朝向。刚性梁(10)、(16)和(18)的运动然后构成了一个与锚点(4)相关的受迫折叠的菱形，该过程由抵制y轴(2)上的压缩、但是可以在x轴(1)上弯曲的交联挠性件(8)、(12)和(14)所实现。对称地，挠性件(13)和(15)将刚性梁(11)连接到刚性梁(17)和(19)，类似地刚性梁(11)、(17)和(19)构成与锚点(5)相关的、受迫折叠的的菱形。刚性梁(10)和(11)最好是旋转刚性梁，但刚性梁(16)、(17)、(18)和(19)最好是非旋转梁。虽然四挠性件(8)和(9)在传感器的平面内形成一矩形，但是有意地稍微错开挠性件并不脱离本发明的范围，并且这样做仅仅是稍微影响到传感器的性能。

当两个菱形(10)、(16)、(18)以及(11)、(17)、(19)在z轴(3)的反向上感应折叠时，点(20)和(21)沿着x轴(1)在相同的方向上平移，但是在y轴(2)上沿着对称的反方向平移。然后将梁(16)和(17)连接到框架(29)的挠性件(24)和(25)，抑制压缩，并迫使框架(29)随着连接到锚点(6)的挠性件(30)和(31)的弯曲而沿着x轴(1)平移。由于点(20)和(21)的运动，挠性件(24)和(25)还沿着y轴(2)的相反方向上出现对称的弯曲，同时这样的对称反向弯曲不会对框架(29)造成净y轴(2)运动。框架(29)然后沿着x轴(1)进行独有的线性运动。

类似地，当两个菱形(10)、(16)、(18)以及(11)、(17)、(19)在z轴(3)的反向上感应折叠时，点(22)和(23)沿着x轴(1)在相同的方向上平移，但是在y轴(2)上沿着对称的反方向平移。然后将梁(18)和(19)连接到框架(28)的挠性件(26)和(27)，抑制压缩，并迫使框架(28)随着连接到锚点(6)的挠性件(30)和(31)的弯曲而沿着x轴(1)平移。由于点(22)和(23)的运动，挠性件(26)和(27)还沿着y轴(2)的相反方向上出现对称的弯曲，同时这样的对称反向弯曲不会对框架(28)造成净y轴(2)运动。框架(28)然后沿着x轴(1)进行独有的线性运动。

当两个菱形(10)、(16)、(18)以及(11)、(17)、(19)在z轴(3)的反指向上折叠，导致框架(28)和(29)沿着x轴(1)上的线性偏移时，框架(28)和(29)在沿着x轴(1)的截然相反的反向上平移，从而沿着x轴(1)确立了基础的受限反向运动。可由电容梳(32)和(33)对框架(28)和(29)的反向运动进行静电驱动，其中驱动触排(32)推动框架(28)和(29)彼此相向运动，并且驱动触排(33)推动框架(28)和(29)彼此背向运动。第一组传感电极(110)和(111)电容感应到了框架(28)和(29)的受驱运动，用于对受驱运动幅值实行电子监控。以机械谐振频率在边(32)和(33)上交替地施加电压。对每个边最好是施加具有π弧度相位差的方波。

在框架(28)和(29)内部，检验质体(34)和(35)由挠性件(36)和(37)悬挂起，如图1所示的折叠弹簧所描述的那样。这些挠性件抑制沿着x轴(1)上的压缩，但是可以沿着y轴(2)方向上弯曲。然后检验质体(34)和(35)随着框架(28)和(29)，沿着x轴(1)进行反相运动。在整个设备围绕z轴(3)旋转之后，科里奥利力沿着y轴(2)作用在检验质体(34)和(35)上，但是由于质体沿着x轴(1)进行反相运动，则科里奥利力的作用是相反方向的，如上述等式(3)和(8)所示，在检验质体(34)和(35)的正弦项之间有π弧度的相位差异。类似地，框架(28)和(29)会受到沿着y轴(2)反相的科里奥利力，但是挠性件(24)、(25)、(26)和(27)的弹性常数会大大超过挠性件(36)和(37)的弹性常数，与检验质体(34)和(35)相比，这样导致框架(28)和(29)的小量y轴运动。

可以通过第二组感应电容梳(38)和(39)来静电性地感应出检验质体(34)和(35)沿y轴的科里奥利引致反相运动。电容梳边(38)和(39)被电线连接，从而当梳边(38)和(39)之间是普通模式时可以感应到检验质体(34)和(35)沿y轴同相运动。但是在梳边(38)和(39)之间会有差别地感应到检验质体(34)和(35)沿y轴(2)的反相运动，并且该运动由ASIC转换成速率信号。由于对检验质体运动的感应是相对于框架运动而做出的，则框架(28)和(29)响应科里奥利力而出现的小量y轴(2)运动将减小可感应得到的检验质体(34)和(35)的运动。因此，框架(28)和(29)的科里奥利引致y轴(2)运动较之检验质体(34)和(35)的科里奥利引致运动是可以忽略不计的。

图2A到2C示出了上述传感器链接和检验质体的受驱反相运动在一个连续周期内的一系列三个相位。在图2A中，由(10)、(16)和(18)所形成的菱形沿逆时针折叠，而由(11)、(17)和(19)所形成的菱形沿顺时针折叠，从而导致检验质体(34)和(35)沿着x轴(1)平移远离中心。图2B示出了非弯曲的状态，在图2C中，由(10)、(16)和(18)所形成的菱形沿顺时针折叠，而由(11)、(17)和(19)所形成的菱形沿逆时针折叠，从而导致检验质体(34)和(35)沿着x轴(1)平移远离中心。

图3A和3B示出了本发明的另一实施例。在图3A和3B中没有标明的元件是与图1中讨论和标明的元件相同的。在图3A中，仅仅在传感器(40)内部区域以x轴(1)为对称轴的上面(41)和下面(42)设置一个基底锚。挠性件(53)和(54)使得刚性梁(45)和(49)分别以锚点(41)和(42)为枢轴。刚性梁(45)通过挠性件(44)连接到刚性梁(43)，并且通过挠性件(46)连接到刚性梁(47)。刚性梁(49)通过挠性件(48)连接到刚性梁(50)，并且刚性梁(49)通过挠性件(51)连接到刚性梁(52)。在该实施例中，其刚性和稳定性不及在以x轴为对称轴的上面和下面设置两个或多个锚的刚性和稳定性。但是，在这种结构中只需驱动较小的质量，并且每晶片模具占用的面积较少。

以类似于图1和2的实施例的方式来实现图3A的实施例的反相运动。梳驱动器(32)和(33)交替推动框架(28)和(29)以及检验质体(34)和(35)，并且内部的链接(41)-(54)限制振荡只是在内部沿着对称轴x轴反相进行。

在图3B中，在传感器(60)内部区域以x轴(1)为对称轴的上面(61)和下面(62)设置三个基底锚。挠性件(75)和(76)使得刚性梁(68)和(71)分别以锚点(61)和(62)为枢轴。刚性梁(68)通过挠性件(66)连接到刚性梁(65)，并且刚性梁(68)通过挠性件(69)连接到刚性梁(67)。刚性梁(71)通过挠性件(70)连接到刚性梁(74)，并且通过挠性件(73)连接到刚性梁(72)。在该实施例中，其刚性和稳定性大于在以x轴为对称轴的上面和下面设置两个或少于两个锚的刚性和稳定性。但是，在这种结构中需要驱动较大的质量，并且每晶片模具占用的面积较大。在以x轴为对称轴的上面和下面可设置任何数量的内部基底锚，但是稳定性上的增益将被驱动较大质量以及每晶片模具占有面积所需费用的直线上升而迅速掩盖。

以类似于图1和2的实施例的方式来实现图3B的实施例的反相运动。梳驱动器(32)和(33)交替推动框架(28)和(29)以及检验质体(34)和(35)，还有内部链接(61)、(62)，并且内部的链接(65)-(76)限制振荡只是在内部沿着对称轴x轴反相进行。

可以通过现有技术中任何一种生产方法来制造出本发明的速率传感器。一种用于制造本发明的角速率传感器的较佳生产工序就是利用在指定给本发明的受让人的U.S专利6,239,473(Adams等)以及6,342,430(Adams等)中已有描述的硅微型机械生产工艺，并且上述专利通过引用结合在此。该工艺将会得出由细长硅梁的桁架结构以及整体电绝缘部件所构成的速率传感器，而这些整体电绝缘部件用作使得速率传感器的分离部分机械接触但电性绝缘。

在U.S专利6,239,473中详细揭示了该生产工艺，并且在图4A到4H中也有描述。在第一步骤，如图4A所示，首先提供具有用常规技术形成图案(91)的介电层(92)的基底或晶片(93)(最好是由硅制成)。在步骤2(图4B)中，对晶片(93)进行蚀刻以得到绝缘沟槽(94)。在步骤3(图4C)中，用介电层(96)对沟槽进行填充(95)。在步骤4(图4D)中，对介电层(96)和受填沟槽(95)进行平整处理以提供构成整体电绝缘介电部件的平滑介电平面(97)。在步骤5(图4E)中，对在电介质(97)中的通道(98)进行图案成形和蚀刻以显露出硅(93)的表面，用于电气链接。在步骤6(图4F)中，金属层(99)电极在介电层(97)上并通过通道(98)与硅表面相接触(100)。在步骤7(图4G)中，最好是用铝进行图案成形以创建不同的电路配置。在步骤8(图4H)中，对最好由硅制成的梁(102)进行图案成形、蚀刻、钝化并释出以对微型机械元件提供自立式悬臂。所有的MEMS结构最好是用相同的构造梁所制成，这些梁在一起构建成不同的配置以制成，例如刚性梁和/或挠性件。

该工艺具有数个独特的优点，这些优点可使得速率传感器在高性能水平下执行功能和进行操作。在高的方面，单晶硅梁可以使得速率传感器具有毫米级直径的桁架结构，大大超过常规的微型加工标准。可以实现桁架结构的各种链接配置以得到刚性大尺寸梁或细挠性件。这样使得速率传感器可装有大的内部质体，从而得到高灵敏度和高分辨率。仅仅在梁结构的顶部设置有金属导体层，从而提供多结构性连接，而这些连接是梳驱动或传感所必需的。隔离部件结合到硅梁中，减少了寄生电容并且对速率传感器的不同功能进行电去偶(decoupling)。在需要电容梳激励或传感的区域，金属层接触到用作电容器盘片的梁硅核心。由于隔离部件中断了从硅梁到基底硅的传导路径，因此这样做是可行的。最后，在需要电路径相互交叉以安置速率传感器的不同激励部分的区域中，使用顶部的传导金属层以及到底层硅的接触部可实现多层传导路径。从而该工艺实现了速率传感器中所需的每一种功能，并且用标准硅基底在高度可制造环境下实现它们。

图5示出了图1的速率传感器(150)的等角坐标立体图，示出所揭示的硅MEMS设备的梁和挠性件如何具有有限的宽度和高度。宽度和高度的具体比例取决于生产技术和调谐模式而变化。作为一示例，如果制造出本发明的设备具有等式(5)和(11)所定义的频率分隔：

(非x-y谐振操作)，以及由等式(4)所定义的沿着x轴的受驱幅值：δ_x＝10μm，则对于检验质体来说，在Ω_z＝100°/s的输入旋转速率下，由等式(9)所定义的沿着y轴的科里奥利位移为5.4nm。

图6示出稳定性有所改善的本发明实施例。其中速率传感器(200)具有还由刚性梁(220)和(221)，挠性件(222)、(223)、(224)和(225)以及角撑板(201)链接的刚性梁(216)、(217)、(218)和(219)，以在振荡过程中减少梁(216)和(217)以及框架(28)和(29)的非预期动态弯曲。

相应地，可以理解，在此所揭示的本发明实施例仅仅是要示出本发明原理的应用。在此所作的参照以及所示实施例的详细描述并非旨在对权利要求构成限制，而权利要求所陈述的这些特征都是本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种具有正交x、y和z轴、用于检测绕z轴旋转的速率的传感器，包括：

基底；以及

多个质体，相对于所述x轴对称，通过多个外部和内部锚点悬挂在基底上，并且所述多个质体包括：

至少两个检验质体，相对于所述x轴和y轴对称；

受驱框架，环绕每个检验质体并且通过挠性件附于其检验质体和外部锚点上；

一组驱动触排和第一组感应触排，用于使每一受驱框架沿着所述x轴振荡；

附于每一检验质体上的第二组感应触排，用于检测沿所述y轴的科里奥利引致运动；

至少两个旋转刚性梁，每个都以一内部锚点为中心安装，在静止时指向y轴方向，并且能够在正交于z轴的xy平面中绕其锚点旋转；以及

多个内部框架支撑件，相对于y轴对称，将所述旋转刚性梁连接到所述受驱框架，并且包括多个非旋转刚性梁以及多个挠性件，以使得受驱框架运动在反相运动中主要是沿所述x轴，从而导致所述检验质体沿y轴的科里奥利引致反相运动。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，每一驱动触排和每一传感器边都是一电容梳。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述电容梳用来确定所述检验质体的相对位置，并且所述相对位置用来确定感应到的旋转速率。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述旋转刚性梁、非旋转刚性梁以及连接这些梁的挠性件形成至少一个受力折叠的菱形。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述旋转刚性梁包括具有内部锚点的两对旋转刚性梁，所述内部锚点在xy平面形成为一矩形。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述旋转刚性梁包括沿y轴同一直线放置的两个旋转刚性梁。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述旋转刚性梁包括各具有至少三个的两组旋转刚性梁，每一组的锚点都沿x轴呈同一直线。

8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，至少一个非旋转刚性梁包括一角撑架，以抑制所述非旋转刚性梁弯曲。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器通过从以下组中选择的一种生产技术进行生产：

a)深度反应离子蚀刻；

b)表面显微机械加工；以及

c)厚度显微机械加工。

10.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器使用从以下组中选择的一种材料来进行生产：

a)单晶硅晶片；

b)绝缘体上硅晶片；

c)多晶硅晶片；以及

d)外延晶片。

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