CN101566643B - 一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构及制作方法。薄膜热电变换器主要由制作在下层硅片上的加热电阻(1)、制作在上层硅片上的双材料微悬臂梁(2)和将上、下硅片密封在一起的密封环(3)组成，由低汤姆逊系数材料制作的加热电阻(1)位于下层硅片上应力平衡的绝热薄膜(4)上表面或者夹层中；与加热电阻(1)相对放置的双材料微悬臂梁(2)可以直接支撑在衬底上，也可以通过绝热悬臂梁(7)或绝热悬桥(8)支撑在衬底上。双材料微悬臂梁(2)测量加热电阻(1)温度的原理与传统的双金属片温度传感器类似，加热电阻(1)温度升高后其热量经对流、辐射或热传导等途径引起双材料微悬臂梁(2)温度升高。由于组成双材料微悬臂梁(2)的两种材料的热膨胀系数不同，双材料微悬臂梁(2)自由端挠度或根部应变发生变化，通过检测元件(9)检测双材料微悬臂梁(2)形变后可获得加热电阻(1)的温度信息。本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器具有以下优点：利用双材料微悬臂梁(2)测量加热电阻(1)的灵敏度高、经双材料微悬臂梁温度敏感元件传导到衬底的热量极小、加热电阻可以灵活设计、交直流转换误差小。

Description

一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构及制作方法

技术领域

本发明涉及热电变换器的结构及制造方法，特别是一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(MEMS)领域。

背景技术

交直流转换标准是基本电学标准之一，通过这个标准可以将10Hz～1MHz的交流电压(或电流)从相应的直流量导出，并溯源到约瑟夫森直流量子电压基准(不确定度优于10^-8)。目前国际上最精确的交直流转换标准系统是通过热电转换器实现的。热电转换器由加热电阻和温度传感器组成。交流电压(或电流)和直流电压(或电流)依次轮流施加在加热电阻上，温度传感器测量加热电阻的温度，比较它们产生的焦耳热，就可以计量交流电压(或电流)产生电功率的大小。对于理想的热电转换器，等功率的交流和直流电压施加在相同的加热电阻两端，温度传感器的输出电压也应当相等。作为交直流转换标准的热电转换器有以下三种主要类型：单元热电转换器、立体多元热电转换器和薄膜(或平面)型热电转换器。

单元热电转换器于上世纪50年代研制成功，由真空玻璃泡里的一根细灯丝加热器和一对热偶组成。热偶通过绝缘的玻璃或陶瓷小球与加热器中点热接触以测量加热器的温度。SJTC结构简单、频响范围宽(最高工作频率可达到GHz)，长期漂移可忽略不计，广泛应用于交直流转换标准和交流功率标准。通过与分流器的并联，电流测量范围可扩展到1mA～20A之间；通过与感应分压器或量程扩展电阻的串连，电压测量范围可扩展到0.001～1000V之间。用它建立的交直流转换标准的不确定度为10^-6量级。SJTC的缺点在于输出热电势信号比较微弱(仅在毫伏量级)，为达到10^-6量级转换精度，热电势测量精度需要达到纳伏量级。

上世纪70～80年代出现的立体多元热电转换器最早是由德国联邦标准实验室研制成功。制作这种立体多元热电转换器需要在显微镜下将直径为10μm的热偶丝通过点焊或氩弧焊等方式串联起来形成螺旋线型热电堆，热电堆上支承一个双线加热器，利用热电堆测量加热器温度。立体多元热电转换器的缺点在于使用频率范围窄、易被静电击穿、手工操作不适合批量生产、价格昂贵、最大输出电压一般只有几十毫伏。

随着现代科学技术的发展，特别是微机械加工技术和薄膜技术的不断成熟，热电转换器的结构和制作工艺发生了显著的变化。1989年德国联邦标准实验室研制了世界上第一台基于热电堆测温原理的多元薄膜热电转换器。加热丝和热偶的热端位于背面各向异性腐蚀制作的Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄绝热薄膜上表面，热偶的冷端在硅衬底上。采用100多对CuNi₄₄-Cu或塞贝尔系数更大的Bi-Sb热电偶测量加热电阻温度，两根热偶丝通常在同一平面，也可以通过绝缘夹层上下重叠在一起。早期的加热丝材料为CuNi₄₄，后来改用低汤姆逊系数的NiCr或Ni₄₅Cr₅₀Si₅等材料，采用合适的退火工艺可使电阻温度系数达到几个ppm/℃以下。所制得的薄膜热电转换器的交直流转换误差在中频范围(100Hz～100kHz)内为0.1×10^-6，100kHz时为8×10^-6，1MHz时为40×10^-6，年稳定性优于0.1％。采用134对Bi-Sb热电偶组成的热电转换器在空气中的响应率(输出电压与交流信号功率比值)为16V/W，真空中的响应率为120V/W。在低频下为了增加热电转换器的时间常数，需要在加热电阻下方制作一热质量块，提高热时间常数，结合片上补偿电路可使得交直流转换误差在10Hz时小于3×10^-6。为了减小热电转换器在高频范围的交直流转换误差，将传统的硅衬底改为石英晶体衬底，由于石英晶体的相对介电常数远小于硅衬底，因此减小了加热电阻焊盘的电容量，提高了薄膜热电转换器在高频下的性能，在100～500kHz范围内交直流转换误差降低到3×10^-6，在700KHz～1MHz.范围内为5×10^-6。

除德国联邦标准实验室外，美国标准技术研究院、韩国Inje大学、日本国立先进工业科学与技术研究所均采用这种测温方法实现薄膜热电转换器，性能与PTB研制的器件相近。与立体多元热电转换器相比，这种基于热电堆测温技术实现的多元薄膜热电转换器具有以下优点：(1)利用背面各向异性腐蚀制作的Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄绝热膜隔热效果好，最大输出电压一般大于100mV。(2)采用薄膜工艺和微机械加工技术中的双面光刻、蒸发(或溅射)等工艺代替手工操作制作热电堆具有理想的周期性结构，使加热电阻各段的热阻和温度基本相同，减小了汤姆逊效应引入的交直流转换误差。(3)在硅衬底表面的二氧化硅绝缘层上制作加热器与外引线之间的焊盘可以使因帕尔帖效应产生的热量被硅衬底有效地传导，对热电转换所产生的误差基本可以忽略。(4)利用微机械加工技术可以实现批量制作，成本大幅度下降。因此薄膜多元热电转换器是目前热电转换器研究的热点。

然而，这种以热电堆作为温度敏感元件的热电转换器存在以下缺点；(1)从提高热电堆温度传感器的灵敏度角度考虑，热电偶材料需要具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点，但根据Wedman-Franze定律，材料的热导率与电阻率之积为常数，难以同时减小热导率和电阻率，目前广泛使用的CuNi₄₄-Cu、CuNi-NiCr、Bi-Sb热电偶的热导率比较大，绝热性还不理想，经热偶丝传导到衬底的热量是产生交直流转换误差的主要来源之一。(2)热电偶温度敏感元件的灵敏度比较低。为了提高温度测量灵敏度(或热电转换器的响应率)，通常采用100余对热电偶组成热电堆敏感元件，器件尺寸很大，需要制作大面积Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄隔热薄膜，薄膜易发皱或断裂，不易实现应力平衡。(3)响应率较高的热电堆材料(如Bi、Sb、Bi₂Te₃、Bi_0.5Sb_1.5Te₃、Sb₂Te₃)的沉积、腐蚀、剥离等工艺与标准的集成电路工艺兼容性差、成品率低。(4)大量热电偶组成的热电堆尺寸较大，限制了加热电阻设计的自由度，通常只能采用双线加热电阻，在测量交流小信号时加热电阻温度较低、从而使热电转换器的响应率很小、转换误差较大。

为了克服热电堆技术测量加热电阻温度的缺点，德国联邦标准实验室的F.L.Katzmann等人将商用的光学测辐射热计(或电阻测辐射热计、热电堆红外探测器)与加热电阻组合在一起，加热电阻辐射的热量被红外探测器的聚焦透镜接收后直接传送或经过光纤传送到光子探测器(或热敏电阻、热电堆)转换为电压信号，该方法可以减小热量从加热元件向温度传感器传导的时间和热时间常数，传感元件不会从加热器吸收热量，也可以避免因热电效应，寄生电容和介质损耗引起的交直流转换误差。缺点在于没有实现系统集成、结构优化设计和采取必要的电磁屏蔽措施；受商用红外探测器封装结构限制，红外探测器与加热电阻距离无法接近；性能与基于热电堆测温方式的薄膜热电变换器还有较大差距；采用光子探测器需要制冷设备，成本较高，而热电堆红外探测器的响应率和探测率比较低。

综上所述，目前测量薄膜热电转换器的加热电阻温度的方法主要有两种：一是由热电堆或热敏电阻接触式测量，二是由热电堆红外探测器或光子探测器非接触式测量，但均存在一些问题。因此迫切需要新型温度敏感原理的薄膜热电变换器。

发明内容

本发明的目的在于发明一种基于双材料微悬臂梁温敏元件的薄膜热电变换器，以高灵敏度检测加热电阻的温度、减小加热电阻热量经温度传感器向衬底的热传导、满足高频或微弱交流电压(流)计量的需求、减小热电转换器的交直流转换误差。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：薄膜热电变换器主要由制作在下层硅片上的加热电阻(1)、制作在上层硅片上的双材料微悬臂梁(2)和将上、下硅片密封在一起的密封环(3)组成。由低汤姆逊系数材料制作的加热电阻(1)位于下层硅片上应力平衡的绝热薄膜(4)上表面或者夹层中。双材料微悬臂梁(2)作为温敏元件，检测加热电阻(1)的温度，可以采用以下几种形式。

(1)双材料微悬臂梁(2)由热膨胀系数较大的金属层(如铝或金等)(5)与热膨胀系数较小的绝热层(如氮化硅或二氧化硅等)(6)组成，其固支端直接支撑在衬底上。双材料微悬臂梁(2)的形状分别如附图1(a)、(b)、(c)所示。其中图1(a)中组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)的长度与绝热层(6)长度相等。图1(b)中组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)的长度小于绝热层(6)长度，且金属层(5)靠近双材料微悬臂梁(2)的自由端。图1(c)中组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)的长度小于绝热层(6)的长度，且金属层(5)靠近双材料微悬臂梁(2)的自由端，而靠近固支端为另外一种绝热材料。

(2)热膨胀系数较大的金属层(如铝或金等)(5)与热膨胀系数较小的绝热层(6)(如氮化硅或二氧化硅等)组成的双材料微悬臂梁(2)(如Si₃N₄/Al、Si₃N₄/Au、SiO₂/Al或SiO₂/Au双材料微悬臂梁)支撑在绝热悬臂梁(7)或绝热悬桥(8)上，分别如图1(d)和图1(e)所示)。其中图1(d)和(e)中的双材料微悬臂梁(2)可以为图1(a)、(b)、(c)中任意一种双材料微悬臂梁。绝热悬臂梁(7)和绝热悬桥(8)可以有效地阻挡热量向衬底的热传导。

本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的工作原理：双材料微悬臂梁(2)测量加热电阻(1)温度的原理与传统的双金属片温度传感器类似，加热电阻(1)温度升高后其热量经对流、辐射或热传导等途径引起双材料微悬臂梁(2)温度升高。由于组成双材料微悬臂梁(2)的两种材料的热膨胀系数不同，双材料微悬臂梁(2)自由端挠度或根部应变发生变化，通过检测元件(9)测量后可获得加热电阻(1)的温度信息。

双材料微悬臂梁(2)的形变可采用电容检测、隧道针尖检测、光杠杆法检测、光干涉法检测以及压敏电阻检测等方法检测。采用不同检测方法时需要相应地检测元件(9)。对电容检测(如附图2(a)所示)，制作在绝热薄膜(4)上的检测电容下电极(10)和组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)之间形成的电容器是检测元件(9)。加热电阻(1)通入交流电后温度升高，双材料微悬臂梁(2)受热后产生变形，其形变大小可通过电容量的大小反映出来。对隧道针尖检测(如附图2(b)所示)，检测元件(9)为隧道针尖(11)和金属电极(12)。双材料悬臂梁产生变形后制作在微悬臂梁(2)自由端的隧道针尖(11)与金属电极(12)之间距离变化引起隧道电流波动。利用控制电极(13)的反馈电压控制隧道针尖(11)与制作在绝热薄膜(4)上的金属电极(12)之间的距离保持不变，反馈电压的大小反映了加热电阻(1)温度的变化。对于光杠杆法检测或光干涉法检测(如附图2(c)所示)，检测元件(9)应为外部的光源(14)和光电探测元件(15)。对压敏电阻拾振，检测元件(9)应为通过扩散或离子注入工艺制作的压敏电阻(1)(6)。

本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的双材料微悬臂梁(2)可以接触式测量加热电阻(1)的温度场，也可以作为非制冷红外探测器非接触式测量加热电阻(1)的温度场。作为非制冷红外探测器使用时，加热电阻(1)辐射的热量由聚焦透镜接收后经过光纤传送到双材料微悬臂梁(2)。

本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器可采用以下方法制作：

(1)制作加热电阻(1)。主要制作工艺步骤如下。

a)采用低压化学气相淀积、等离子化学气相淀积、热氧化等方法在硅片表面制作绝热薄膜(4)。

b)蒸发(或溅射)金属薄膜，光刻或剥离(life-off)技术制作加热电阻(1)图形。

c)背面光刻，形成背面腐蚀窗口，各向异性腐蚀硅衬底，直到背面暴露出绝热薄膜(4)。

(2)制作双材料微悬臂梁(2)。主要制作工艺步骤如下。

a)在另一硅片上表面利用热氧化、低压化学气相淀积、等离子化学气相淀积等工艺制作绝热悬臂梁(7)、绝热悬桥(8)和绝热层(6)的绝热材料。

b)光刻腐蚀相结合形成附图1(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示双材料微悬臂梁(2)的绝热层(6)、附图1(e)和(f)中的绝热悬臂梁(7)和绝热悬桥(8)。

c)蒸发或溅射金属材料，光刻(或剥离)、腐蚀工艺相结合形成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)。

d)制作与双材料微悬臂梁(2)形变测量的检测元件(9)。

e)正面或背面光刻，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀释放双材料微悬臂梁(2)。

(3)将加热电阻(1)与双材料微悬臂梁(2)组合在一起。

a)如果双材料微悬臂梁(2)接触式测量加热电阻(1)的温度，则将制作有加热电阻(1)的硅片与制作有双材料微悬臂梁(2)的硅片通过阳极键合、玻璃焊料密封技术等技术封装在一起。划片、焊接外引线。

b)如果双材料微悬臂梁(2)作为红外探测器非接触式测量加热电阻(1)的温度场，则将加热电阻(1)辐射的红外线经红外聚焦透镜耦合入红外传输光纤，再传导到独立封装的双材料微悬臂梁(2)温度敏感元件。

本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器具有以下优点：利用双材料微悬臂梁(2)测量加热电阻(1)的灵敏度高、经温度传感器传导到衬底的热量极小、加热电阻(1)可以灵活设计、交直流转换误差小。

附图说明

图1是本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁薄膜热电变换器的双材料微悬臂梁(2)的结构示意图。其中图1(a)中组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)的长度与绝热层(6)长度相等。图1(b)中组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)的长度小于绝热层(6)的长度，且金属层(5)靠近双材料微悬臂梁(2)的自由端。图1(c)中组成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)的长度小于绝热层(6)的长度，且金属层(5)靠近双材料微悬臂梁(2)的自由端，靠近固支端为另外一种绝热材料。图1(d)中双材料微悬臂梁(2)由绝热微悬臂梁(7)支撑在衬底上。图1(e)中双材料微悬臂梁(2)由绝热悬桥(8)支撑在衬底上。其中图1(d)和(e)中的双材料微悬臂梁(2)可以为图1(a)、(b)、(c)中任意一种双材料微悬臂梁。

图2是本发明所涉及的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构示意图。其中图2(a)是电容法检测双材料微悬臂梁(2)形变的薄膜热电变换器。图2(b)是隧道针尖法检测双材料微悬臂梁(2)形变的薄膜热电变换器。图2(c)是光杠杆法或光干涉法检测双材料微悬臂梁(2)形变的薄膜热电变换器。图2(d)是压敏电阻法检测双材料微悬臂梁(2)形变的薄膜热电变换器。

图3是作为本发明实施例的压敏电阻方法检测双材料微悬臂梁形变的薄膜热电变换器的制作工艺流程图。

附图中：

1-加热电阻            2-双材料微悬臂梁    3-密封环

4-绝热薄膜            5-金属层            6-绝热层

7-绝热微悬臂梁        8-绝热悬桥          9-检测元件

10-检测电容下电极     11-隧道针尖         12-金属电极

13-控制电极           14-光源             15-光电探测元件

16-压敏电阻

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

实施例：

利用本发明的技术方案制作一种压敏电阻方法检测双材料微悬臂梁形变的薄膜热电变换器。其中双材料微悬臂梁(2)采用图1(c)所示双材料悬臂梁。其制作工艺流程如下：

1)原始硅片采用N型、(100)面硅片，电阻率1～10Ω.cm。(见附图3[1])

2)低压化学气相淀积(LPCVD)氮化硅薄膜，厚度200nm；低压化学气相淀积多晶硅薄膜，厚度200nm，热氧化使其全部转变为二氧化硅薄膜；低压化学气相淀积氮化硅薄膜，厚度200m。(见附图3[2])

3)光刻工艺获得加热电阻(1)图形，溅射镍铬合金薄膜，剥离工艺制作加热电阻(1)图形。等离子体化学气相淀积工艺(PECVD)淀积氮化硅薄膜，厚度400nm，作为背面腐蚀时正面的掩蔽层。(见附图3[3])

4)背面光刻，正面保护，腐蚀或刻蚀背面绝热薄膜(4)，形成背腐蚀窗口，各向异性腐蚀硅衬底，直到背面暴露出绝热薄膜(4)。干法刻蚀工艺刻蚀正面的PECVD法淀积的氮化硅薄膜。(见附图3[4])

5)正面等离子体化学气相淀积工艺淀积非晶硅薄膜，厚度10μm。光刻密封环3图形。以光刻胶为掩膜，干法刻蚀非晶硅，直到暴露出加热电阻(1)。(见附图3[5])

6)取另外一片N型、(100)面硅片，电阻率1～10Ω.cm。热氧化法生长二氧化硅薄膜，低压化学气相淀积氮化硅薄膜和多晶硅薄膜。(见附图3[6])

7)干法刻蚀背面的多晶硅。硅片正面扩散硼，光刻硼电阻图形，干法刻蚀多晶硅形成多晶硅压敏电阻(16)。(见附图3[7])

8)正面光刻，ICP刻蚀低压化学气相淀积法制作的氮化硅薄膜。正面光刻热氧化法生长的二氧化硅薄膜，腐蚀二氧化硅。形成双材料微悬臂梁(2)的绝热层(6)。(见附图3[8])

9)正面蒸发金属铝薄膜，光刻腐蚀工艺相结合形成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)和内引线。正面等离子体化学气相淀积工艺淀积氮化硅薄膜，厚度400nm，作为背面腐蚀时正面的掩蔽层。(见附图3[9])

10)背面光刻，腐蚀硅衬底，直到背面暴露出双材料微悬臂梁的绝热层(6)。干法刻蚀工艺刻蚀正面的PFCVD法淀积的氮化硅薄膜。(见附图3[10])

11)将制作有加热电阻(1)的硅片与制作有双材料微悬臂梁(2)的硅片通过阳极键合、玻璃焊料密封技术等技术封装在一起。划片、焊接外引线。(见附图3[11])

Claims (5)

1.一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器，其特征在于：薄膜热电变换器主要由制作在下层硅片上的加热电阻(1)、制作在上层硅片上的双材料微悬臂梁(2)和将上、下硅片密封在一起的密封环(3)组成，由低汤姆逊系数材料制作的加热电阻(1)位于下层硅片上应力平衡的绝热薄膜(4)上表面或者夹层中；与加热电阻(1)相对放置的双材料微悬臂梁(2)可以直接支撑在衬底上，也可以通过绝热悬臂梁(7)或绝热悬桥(8)支撑在衬底上。

2.根据权利要求1所述的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器，其特征在于：加热电阻(1)的温度通过双材料微悬臂梁(2)测量，加热电阻(1)温度升高后其热量经对流、辐射或热传导引起双材料微悬臂粱(2)温度升高，由于组成双材料微悬臂梁(2)的两种材料的热膨胀系数不同，双材料微悬臂梁(2)自由端挠度或根部应变发生变化，通过检测元件(9)检测后可获得加热电阻(1)的温度信息。

3.根据权利要求1所述的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器，其特征在于：双材料微悬臂梁(2)的形变可采用电容检测、隧道针尖检测、光杠杆法检测、光干涉法检测或压敏电阻检测。

4.根据权利要求1所述的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器，其特征在于：所述双材料微悬臂梁(2)可以接触式测量加热电阻(1)的温度场，也可以作为红外探测器非接触式测量加热电阻(1)的温度场，作为非制冷红外探测器使用时，加热电阻(1)辐射的热量由聚焦透镜接收后经过光纤传送到双材料微悬臂梁(2)。

5.根据权利要求1所述的基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器，其特征在于：采用以下工艺步骤制作：

(1)制作加热电阻(1)，主要制作工艺步骤如下：

a)采用低压化学气相淀积、等离子化学气相淀积、热氧化工艺在硅片表面制作绝热薄膜(4)；

b)蒸发或溅射金属薄膜，光刻或剥离技术制作加热电阻(1)图形；

c)背面光刻，形成背腐蚀窗口，各向异性腐蚀硅衬底，直到背面暴露出绝热薄膜(4)；

(2)制作双材料微悬臂梁(2)，主要制作工艺步骤如下：

a)在另一硅片上表面利用热氧化、低压化学气相淀积、等离子化学气相淀积工艺制作绝热悬臂梁(7)、绝热悬桥(8)和绝热层(6)的绝热材料；

b)光刻腐蚀相结合形成双材料微悬臂梁(2)的绝热层(6)、绝热悬臂梁(7)和绝热悬桥(8)；

c)蒸发或溅射金属材料，光刻或剥离、腐蚀工艺相结合形成双材料微悬臂梁(2)的金属层(5)；

d)制作双材料微悬臂梁(2)形变测量的检测元件(9)；

e)正面或背面光刻，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀释放双材料微悬臂梁(2)；

(3)将加热电阻(1)与双材料微悬臂梁(2)组合在一起：

a)如果双材料微悬臂梁(2)接触式测量加热电阻(1)的温度，则将制作有加热电阻(1)的硅片与制作有双材料微悬臂梁(2)的硅片通过阳极键合或玻璃焊料密封技术封装在一起，划片、焊接外引线；

b)如果双材料微悬臂梁(2)作为红外探测器非接触式测量加热电阻(1)的温度场，则将加热电阻(1)辐射的红外线经红外聚焦透镜耦合入红外传输光纤，再传导到独立封装的双材料微悬臂梁(2)温度敏感元件。

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