CN103890885A - 薄膜电容器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜电容器装置,其能够用廉价的结构使具有充电电路和放电电路的薄膜电容器在进行放电时稳定输出恒电压。该薄膜电容器装置的特征在于,以混合方式,即从薄膜电容器接收电压正下降接收直流电流而暂时蓄积电荷,并在保持基准电压的状态下对DC/DC变换器供给直流电流的方式,持续放电直到薄膜电容器蓄电量完全耗尽。
Description
技术领域
本发明涉及具有充电电路和放电电路的薄膜电容器装置。
背景技术
在利用大容量的电容器作为电能蓄积装置的情形下,通常使用电解电容器、层压陶瓷电容器等。近年来,以电动汽车为代表,由于对大容量电池的需求而使锂离子电池的大容量化发生进展,并且,盛行开发通过对电解电容器进行功能扩展而成的双电层电池。另外,对层压陶瓷电容器也开始研究了在薄膜方式下的大容量化。
但是,层压陶瓷电容器等所谓的电容器存在使综合性能降低的电流泄漏的问题。另外,锂离子电池等通过化学变化来蓄积电能的所谓的电池存在当不完全充电/放电时由于记忆效应的问题而性能降低这种问题。
为了解决这样的问题,例如在专利文献1~3中提出了利用巨磁阻效应的电能蓄积装置。
巨磁阻效应(GMR:Giant Magneto-resistance Effect)是指在交替形成有薄磁性区域和薄非磁性区域的构造中发现的量子力学效应。当被施加外部磁场时,电阻由于巨磁阻效应而从零磁场的高电阻状态大幅度地变化为高磁场的低电阻状态。因此,作为具有良好的性能的绝缘体,可以利用巨磁阻效应,具有巨磁阻效应的装置可以蓄积电能。
专利文献1~3所记载的电容器的磁性区域由薄膜形成,因此,为了增大电容,可想到沿2维方向扩大磁性区域来增加面积,但是,在该情形下,存在难以使装置小型化的问题。
另外,薄膜电容器利用在形成于电极件与介电体之间的界面处的集电体中蓄积的电能,薄膜电容器是可以将数千法拉的数量级的电气容量瞬间充电/放电的大容量电容器。
其用途能够广泛地应用于从存储器备用小容量产品到电动汽车的助力用的中容量产品以及用以替代电动汽车的动力供给等电力储藏用蓄电池的大容量产品。
这样的薄膜电容器的单位电容器(也称为电容器单元)的耐电压由作为其构成要素的介电体、即用于分离电子和空穴的绝缘体的耐电压决定,取决于材质、薄膜厚度以及均匀度等,例如,在钛酸钡系介电体的情形下,耐电压为约200V。
薄膜电容器在被施加介电体的耐电压以上的电压时有可能损坏,因此,在要求高电压的用途中,将多个单位电容器串联使用。
如上所述,在使薄膜电容器以单体或复合体蓄电后的电荷进行放电的情形下,由于以高速进行放电,所以如果直接放电,则按照图4的A薄膜电容器输出所示的下降形状进行放电。
为了使所述放电为平坦的输出而使用变换器,但是,若电容器输出降低到低于阈值,则不能进行变换。
因此,为了提高阈值,以混合的方式(hybird)附设拥有至少与阈值同等以上的容量的电容器以进行平滑化,由此,能够放电直至蓄电电容器的蓄电量为0。
通常,作为电容器的充电/放电相关的技术,有例如专利文献1所公开的技术。
薄膜电容器进行放电时,若如图1所示那样将薄膜电容器和变换器直接连接,则处于若是变换器的阈值以下的电流就不能被变换而导致无效地放电的状况。
本发明的目的在于提供一种薄膜电容器装置,该薄膜电容器是小型且大容量而可以获得大的电能的薄膜电容器,该薄膜电容器装置能够用廉价的结构在放电时使变换器有效地进行平滑变换,直至蓄电量为0。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-177535号公报
专利文献2:日本特开2008-177536号公报
专利文献3:日本特开2009-049351号公报
专利文献4:日本特开2004-215332号公报
发明内容
薄膜电容器例如图1的电路所例示的那样,切换开关SW1和SW2仅使充电电路C1闭合,而将薄膜电容器20的输入输出的端子8、9与电源装置连接,进行充电而蓄积电能,在蓄电后,切换上述开关SW1和SW2而使充电电路C1为开路,使放电电路C2闭合而进行放电。
在进行上述放电时,如图所示,若将薄膜电容器20和变换器40直接连接,则电流若是处于变换器40的阈值以下就不能被变换而导致无效地放电的状况。
本发明的目的在于提供一种薄膜电容器装置,其能够以廉价的结构,用充电电路使薄膜电容器蓄电,并在放电时用放电电路使变换器有效地进行平滑变换,直到蓄电量为0。
为了解决上述的问题,实施方式1的发明的薄膜电容器装置,其用于对在直流电路中使用的薄膜电容器进行放电,其特征在于,
薄膜电容器,包括:第一电极,其由导电性材料形成;第二电极,其由导电性材料形成,并定位于且被以与上述所述第一电极对置相对相面对的方式定位的位置;以及电介体介电体层,其以被夹持于上述所述第一电极和上述所述第二电极之间夹着的方式形成,利用由金属、半导体物质或表面导电性改性处理后的陶瓷微颗粒等构成的集电子体,在上述所述第一电极与上述所述电介体介电体层之间以及上述所述第二电极与上述所述电介体介电体层之间由集电子体形成有集电子体层,该集电子体由金属、半导体物质或者被进行了导电性表面改性后的陶瓷的微颗粒等构成形成集电子体层,
所述薄膜电容器装置具有用于对上述所述薄膜电容器进行充电的充电电路和用于对上述所述薄膜电容器进行放电的放电电路,
放电电路,以混合方式,即从蓄电后的所述薄膜电容器接收是随着电压正下降的直流电流而暂时蓄积电荷流,并在保持蓄电后的上述薄膜电容器的电压下降自上述薄膜电容器接收直流电流而暂时蓄积电荷并在存在基准电压的状态下对DC/DC变换器供给直流电流的混合方式的放电电路,该放电电路具有放电效果持续放电直到薄膜电容器蓄电量完全耗尽。
另外,实施方式2的发明的特征在于,薄型电容器由可切换为并联或串联的多个薄型电容器组构成,充电电路和放电电路通过开关装置可切换地与该薄型电容器组连接,在该薄型电容器组与充电电路连接的情形下,多个薄型电容器并联连接,在该薄型电容器组与放电电路连接的情形下,多个薄型电容器串联连接。
另外,实施方式3的发明的特征在于,薄膜电容器的集电子体层由金属的微颗粒构成,该金属的微颗粒已被磁化。
另外,实施方式4的发明的特征在于,介电体层具有连接多个第一电极的配线和连接所述多个第二电极的配线。
薄膜电容器装置以混合方式,即从薄膜电容器接收电压正下降接收直流电流而暂时蓄积电荷,并在保持基准电压的状态下对DC/DC变换器供给直流电流的方式,持续放电直到薄膜电容器蓄电量完全耗尽,因此能够用廉价的结构使具有充电电路和放电电路的薄膜电容器在进行放电时稳定输出恒电压。
附图说明
图1是具有用于对薄膜电容器进行充电的充电电路和未附设辅助电容器的放电电路的装置的电路图。
图2a是实施例1的薄膜电容器放电电路图。
图2b是实施例1的薄膜电容器充电电路图以及放电电路图。
图3a是示意性地表示实施例1的薄膜电容器的剖视图。
图3b是示意性地表示实施例1的电极和微颗粒层的放大图。
图4是对图1的比较例的放电时的变换器变换的状态和图2的实施例1的放电时的变换器变换的状态进行比较的图表。
图5a是表示实施例2的薄膜电容器装置的放电电路图。
图5b是示意性地表示实施例2的薄膜电容器的剖视图。
图6是示意性地表示实施例3的薄膜电容器的剖视图。
附图标记说明
1、薄膜电容器装置
4、第一电极
5、集电子体层(金属、半导体或者由表面改性陶瓷构成的集电子体层)
5a、集电子体层的微颗粒
6、介电体层
7、第2电极(第二电极)
10、第一层叠电极接合用纵层电极(用于将多个第一电极彼此连接的电极)
11、第二层叠电极接合用纵层电极(用于将多个第二电极彼此连接的电极)
12、通过掩模处理埋入的介电体层,其使由层叠电极接合用纵层电极交替地连接第一电极和第二电极
20、20’、薄膜电容器
30、辅助电容器
40、DC/DC变换器
C1、充电电路
C2、放电电路
SW1、SW2、操作开关
SW、开关装置
具体实施方式
下面,利用以下所示的实施例详细地说明本发明的薄膜电容器装置的优选实施方式。
实施例1
参照图2以后的附图说明本发明的薄膜电容器装置1的优选实施例。
本实施例1具有充电电路C1和放电电路C2,它们能互相切换地与薄膜电容器20的一个端子8(或者端子9)及另一个端子9(或者端子8)连接。
在放电电路C2中,在薄膜电容器20与DC/DC变换器40之间附设有辅助电容器30,放电电路C2进行变换器变换直至薄膜电容器20的蓄电量为0。
图2a是利用附图标记为SW1、SW2的操作开关在充电电路C1和放电电路C2中进行选择而与薄膜电容器20连接的结构。
在此,薄膜电容器20既可以是单体也可以是多个。
在图示例中,设为使两个开关联动的结构,但是,在本发明中,对于开关,只要是能够切换充电电路C1和放电电路C2来进行操作,则可以是一个也可以是多个,对其结构没有特别要求。
省略图示的充电电路C1可以使用与图1同样地公知的充电电路,在对薄膜电容器20初期充电时,若将薄膜电容器20与直流电源直接连接,则有可能流动大电流而超过容许电流值,因此,优选对电源装置附加恒流控制功能或限制大电流的输入的电流限制部件。
另外,在本实施例中,将薄膜电容器20和放电电路C2串联,但是,在具有多个薄膜电容器的情形下,充电电路既可以将上述多个薄膜电容器串联,也可以将上述多个薄膜电容器并联。
在图2b中,在由多个薄膜电容器构成的薄膜电容器组20’与充电电路C1、放电电路C2之间设有开关装置SW,通过切换该开关装置SW,能够在切换上述电路C1、C2的同时,切换多个薄膜电容器组20’的并联和串联。
因而,当将上述开关装置SW切换至充电电路C1时,可以将多个薄膜电容器组20’并联,而从电源装置进行充电,当将上述开关装置SW切换至放电电路C2时,可以将多个薄膜电容器组20’串联,而进行放电。
如上所述,优选对上述充电电路C1的电源装置附加恒流控制功能、限制大电流的输入的电流限制部件。
在此,辅助电容器30既可以是薄膜电容器,也可以使用其他的公知的电容器。
如图3a的示意图所示,本实施例的薄膜电容器20(20’也同样)包括支承基板2、缓冲层3、第一电极4、集电子体层5、介电体层6、第二电极7以及端子8、9。
对支承基板2没有特别限定,可以由例如硅单晶体、SiGe单晶体、GaAs单晶体、InP单晶体、SrTiO3单晶体、MgO单晶体、LaAlO3单晶体、ZrO2单晶体、MgAl2O4单晶体、NdGaO3单晶体、NdAIO3单晶体、LaGaO3单晶体或者玻璃基材等形成。在上述材料中,为了低成本,最优选硅单晶体。另外,若支承基板可以确保电能蓄积装置1整体的机械强度,则对支承基板2的厚度没有特别限定,例如,可设定为10~1000μm左右。
缓冲层3被形成在支承基板2的上层,起到防止支承基板2与构成第一电极4的电极薄膜发生反应的作为阻挡层的作用。用于形成缓冲层3的材料可以由例如ZrO2、ReO2、ReO2-ZrO2(Re为钇(Y)或者稀土类元素)、MgAlO4、γ-A12O3、SrTiO3、LaAlO3等形成。具体而言,优选从上述材料中选择与支承基板2之间的晶格匹配性优异、且热膨胀系数处于支承基板2的热膨胀系数与构成介电体层6的薄膜材料的热膨胀系数之间的材料来形成缓冲层3。另外,缓冲层3既可以是单层构造,也可以是多层构造。而且,对于缓冲层3只要是作为阻挡层具有防止支承基板2与构成第一电极4的电极薄膜之间的反应的功能,则对缓冲层3的厚度没有特别限定,例如,可设定为1~1000nm左右。
此外,也可以不设置缓冲层3。在不设置缓冲层3的情形下,在支承基板2的表面形成第一电极4。
第一电极4在缓冲层3的上层被形成为薄膜,可以由例如铂金(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)等导电性的金属形成。具体而言,优选从上述材料中选择与支承基板2或缓冲层3之间的晶格匹配性优异的材料来形成第一电极4。另外,若第一电极4可以起到薄膜电容器20的一个电极的功能,则对第一电极4的电极薄膜的厚度没有特别限定,例如,可设定为500~2000nm左右。
集电子体层5由金属、半导体物质或被进行了导电性表面改性处理后的陶瓷的微颗粒等构成,如图3b所示那样利用溅射法等层叠集电子体的微颗粒5a,并一边控制集电子体的微颗粒5a的颗粒径一边在第一电极4的表面(上层)上成形本实施例的集电子体层5。将颗粒径设定为200nm~2000nm左右,形成5~20层左右的层叠层数,合计复合层叠至1μm~2μm左右的厚度(在图示例中为两层)。微颗粒5a的材料作为磁性材料而选定铁钴合金等软磁性材料或者锰氧化物那样由于超巨效应(超巨磁阻效应)而磁阻在常温下极高的材料。另外,作为微颗粒5a的材料,也可以使用与第一电极4相同的材料、即非磁性材料的导电性的金属。作为微颗粒5a的材料,在为与第一电极4相同的材料的情形下,可以使电极的表面积增大100~1000倍。另外,在使用磁性材料的情形下,可以利用磁场的集电效应使电能的蓄积量进一步增大50~100倍。
介电体层6形成在层叠于第一电极4的集电子体层5的上层。作为介电体层6的材料,可由具有高介电常数的材料、例如钛酸钡形成。介电体层6可以使用例如真空蒸镀法、溅射法、脉冲激光蒸镀法(PLD)、有机金属化学蒸镀法(metal-organic chemical vapor deposition:MOCVD)、有机金属分解法(metal-organic decomposition:MOD)、溶胶·凝胶法等液相法(CSD法)等各种薄膜形成法来形成。尤其是在需要在低温下形成介电体层6的情形下,优选使用等离子体CVD、光CVD、激光CVD、光CSD、激光CSD法。此外,如图3a所示那样,将各层以薄膜形成(集电子体层5以微颗粒的状态形成层)并依次层叠,因此介电体层6使用形成为固体的介电体。
与在第一电极4上同样地,在介电体层6的表面(上层)利用溅射法等控制颗粒径并成形集电子体层5。将颗粒径设定为200~2000nm左右,以5层左右的层叠层数成形,合计复合层叠至1μm~2μm左右的厚度。
在形成于介电体层6的上层的集电子体层5的上层形成有被形成为薄膜的第二电极7。只要第二电极7具有导电性则对其没有特别限定,可以利用与第一电极4相同的材料形成第二电极7,但不必考虑晶格匹配性,另外,由于可以在室温下形成第二电极7,所以也可以使用铁(Fe)、镍(Ni)等贱金属、WSi、MoSi等合金来形成第二电极7。
另外,对于第二电极7的电极薄膜的厚度,只要是能够起到薄膜电容器的另一个电极的功能,则对没有特别限定,例如,可设定为1000~10000nm左右。
端子8是从第一电极4引出,用于与输入输出电路(在本实施例中为充电电路或放电电路)连接的一个端子,为了引出端子8,使第一电极4露出而利用掩模使其局部暴露。端子9是从第二电极7引出,用于与上述输入输出电路连接的另一个端子。
如上所述,在第一电极4与介电体层6之间以及第二电极7与介电体层6之间形成集电子体层5。
上述的薄膜电容器20通过将端子8、9与充电电路连接而进行充电(蓄积电能)。此时,若集电子体层5的微颗粒5a由磁性材料构成,则由于(超)巨磁阻效应而防止电流的泄露,可以利用介电体层6蓄积很多电荷。而且,通过将端子8、9从充电电路切换至图1的放电电路,将充电后电荷放电而对负载供给电能,从而作为薄膜电容器进行动作。
根据本实施例,由于在第一电极4与介电体层6之间以及第二电极7与介电体层6之间形成有由集电子体的微颗粒5a构成的集电子体层6,所以可以扩大第一电极4的表面积和第二电极7的表面积,因此,可以增大能够蓄积的电能。
另外,由于微颗粒5a由非碳基材形成,所以可以输出大电压、大电流,可以获得大的电能。
另外,由于集电子体层5的微颗粒5a由磁性材料形成,所以在第一电极4与第二电极7之间施加有电压的情形下,能够提高在电场的作用下的、由微颗粒5a的磁性性能决定的集电率,可以蓄积更多的电能。
此外,在由磁性材料形成上述的集电子体层5的微颗粒5a时,既可以在预先使微颗粒5a磁化后的状态下形成微颗粒层,也可以在制造电能蓄积装置1后且使用该电能蓄积装置1之前从外部施加磁场进行磁化。若预先进行磁化,则不必在后进行磁化,也不需要用于进行在后磁化的电路、装置等。
在上述薄膜电容器20放电时,如上所述,附设辅助电容器30,并进行变换器变换直至薄膜电容器2的蓄电量为0(参照图2)。
图中,附图标记40为DC/DC变换器。
图4是对未附设上述辅助电容器的参考例(参照图1)的放电电路C2的情形下的变换器变换状态和图2所示的附设有辅助电容器30的本实施例的变换器变换状态进行比较的图。
由此可以确认:与未附设辅助电容器的情形相比,通过如本实施例那样附设辅助电容器30,具有进一步持久地进行稳定恒电压输出的放电效果,直至薄膜电容器蓄电量完全耗尽。
其原因是,从薄膜电容器20接收电压正下降的直流电流而临时蓄积电荷,并且在维持基准电压的状态下对DC/DC变换器40供给直流电流,因而其放电效果可以达到使薄膜电容器蓄电量完全耗尽。
实施例2
图5a表示利用开关装置SW可切换地与实施例2的薄膜电容器组20’连接的充电电路C1和放电电路C2的示意图,图5b表示单体的薄膜电容器20。
该薄膜电容器20在支承基板2、缓冲层3的上层以第一电极4、集电子体层5、介电体层6、集电子体层5、第二电极7、集电子体层5、介电体层6、集电子体层5、第一电极4、…这种方式将第一电极4和第二电极7中的任一个与集电子体层5及介电体层6还有形成在该介电体层6之上的集电子体层5依次交替地层叠奇数层。
当进行层叠时,为了将各电极交替地接合并构成一对相反电极,通过掩模处理使其局部暴露,以便能够每隔1层地交替地进行接合。在本实施例中,将层叠数(所形成的薄膜电容器的层叠数、也就是说介电体层6的数量)设定为例如5~100左右。
通过交替地利用第一层叠电极接合用纵层电极10的接合线将第一电极4接合起来,并利用第2层叠电极接合用纵层电极11的接合线将第二电极7接合起来,从最下位置的电极起计数,将奇数电极分离为第一电极4,并将偶数电极分离为第二电极7。即,上述接合线是将多个第一电极彼此连接的配线以及将多个第二电极彼此连接的配线。而且,从第一电极4、第二电极7分别引出端子8、9,并将端子8、9与充电电路或放电电路连接(参照图1)。
这样,可以构成包括多个第一电极4、多个第二电极7、以及多个介电体层6、且依次层叠有被第一电极4(集电子体层5)和第二电极7(集电子体层5)夹着的介电体层6的薄膜电容器20。
采用本实施例,由于层叠有多个被第一电极4(集电子体层5)和第二电极7(集电子体层5)夹着的介电体层6,且第一电极4(集电子体层5)被第一层叠电极接合用纵层电极10的接合线并联起来,第二电极7(集电子体层5)被第2层叠电极接合用纵层电极11的接合线并联起来,所以与单层相比可以进一步增大可蓄积的电能。
在本实施例中,薄膜电容器20既可以是单体也可以是多个,将开关装置SW设为在充电时将薄膜电容器组20’并联,并在放电时将薄膜电容器组20’串联的开关装置,但是,开关装置SW也可以是在充电时和放电时均将薄膜电容器20串联的开关装置。
在上述单体薄膜电容器或多个薄膜电容器放电时,如实施例1的图2所示,附设有辅助电容器30,进行变换器变换直至薄膜电容器20的蓄电量成为0,这一点与上述实施例相同,所以对于相同的结构标注相同的附图标记而省略其说明。
实施例3
如图6所示,在本实施例3中,在支承基板2、缓冲层3的上层以第一电极4、集电子体层5、介电体层6、集电子体层5、第二电极7、集电子体层5、介电体层6、集电子体层5、第一电极4、…这种方式将第一电极4和第二电极7中的任一个与集电子体层5及介电体层6还有形成在该介电体层6之上的集电子体层5依次交替地层叠奇数层。
在进行层叠时,为了将各电极交替地接合于层叠电极接合用纵层电极并构成一对相反电极,通过掩模处理使其局部暴露并层叠绝缘介电体层12,以便能够每隔1层地交替地进行接合。在本实施例中,将层叠数(所形成的薄膜电容器的层叠数、也就是说介电体层6的数量)设定为例如5~100左右。
通过交替地利用层叠电极接合用纵层电极10将第一电极4接合起来,并利用层叠电极接合用纵层电极11将第二电极7接合起来,从最下位置的电极起计数,将奇数电极分离为第一电极4,并将偶数电极分离为第二电极7。即,第一层叠电极接合用纵层电极10是用于将多个第一电极彼此连接的电极,第二层叠电极接合用纵层电极11是用于将多个第二电极彼此连接的电极。而且,从第一电极4、第二电极7分别引出端子8、9,并将端子8、9连接于充电电路或放电电路(参照图1)。
这样,可以构成包括多个第一电极4、多个第二电极7以及多个介电体层6,并依次层叠有被第一电极4(集电子体层5)和第二电极7(集电子体层5)夹着的介电体层6的薄膜电容器20’。
采用本实施例,由于层叠有多个被第一电极4(集电子体层5)和第二电极7(集电子体层5)夹着的介电体层6,并利用第一层叠电极接合用纵层电极10将第一电极4(集电子体层5)并联、利用第二层叠电极接合用纵层电极11将第二电极7(集电子体层5)并联,所以与单层相比,可以进一步增大可蓄积的电能。
此外,在上述的3个实施例中,薄膜电容器20’的各层以矩形平型的形状层叠起来,但也可以通过掩模处理的方式、薄膜成形方式来选择自由的形状。
由于薄膜电容器20’放电与上述实施例相同,所以省略其说明。
上述实施例的薄膜电容器用于表示一个例子,本发明并不限定于上述实施例的结构,能够在不改变其主旨的范围内进行各种设计变更。
Claims (4)
1.一种薄膜电容器装置,其用于对在直流电路中使用的薄膜电容器进行放电,其特征在于,
薄膜电容器,包括:
第一电极,其由导电性材料形成;
第二电极,其由导电性材料形成,位于与所述第一电极对置的位置;以及
介电体层,其被夹持于所述第一电极和所述第二电极之间,
利用由金属、半导体物质或表面导电性改性处理后的陶瓷微颗粒等构成的集电子体,在所述第一电极与所述介电体层之间以及所述第二电极与所述介电体层之间形成集电子体层,
所述薄膜电容器装置具有用于对所述薄膜电容器充电的充电电路和用于对所述薄膜电容器放电的放电电路,
放电电路以混合方式,即从蓄电后的所述薄膜电容器接收电压正下降的直流电流而暂时蓄积电荷,并在保持基准电压的状态下对DC/DC变换器供给直流电流的方式,持续放电直到薄膜电容器蓄电量完全耗尽。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容器装置,其特征在于,
薄型电容器由可切换为并联或串联的多个薄型电容器组构成,充电电路和放电电路通过开关装置可切换地与该薄型电容器组连接,
在该薄型电容器组与充电电路连接的情形下,多个薄型电容器并联连接,
在该薄型电容器组与放电电路连接的情形下,多个薄型电容器串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的电能蓄积装置,其特征在于,
薄膜电容器的集电子体层由金属微粒构成,该金属微粒被磁化。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的电能蓄积装置,其特征在于,
介电体层具有连接多个第一电极的配线和连接所述多个第二电极的配线。
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