CN105651429A - 压电元件及其制造方法、压电传感器 - Google Patents

压电元件及其制造方法、压电传感器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及一种压电元件及其制造方法、以及一种压电传感器。该压电元件包括压电部件；分别位于所述压电部件的两侧的第一基板和第二基板；以及位于所述第一基板和所述压电部件之间的第一电极层，位于所述第二基板和所述压电部件之间的第二电极层；其中，所述第一基板和/或所述第二基板靠近所述压电部件的表面具凸起部。根据本发明实施例提供的压电元件，能够提高压电元件的灵敏度。

Description

压电元件及其制造方法、压电传感器
技术领域
本发明的实施例涉及自发电传感器技术领域，尤其涉及一种压电元件及其制造方法、以及一种压电传感器。
背景技术
从生活环境中采集能量，是实现绿色能源和能源可持续发展的有效途径，目前已经受到全世界的重视。其中，压电技术作为一种新的能源开发的技术，在各个产业领域的用途广泛，有望在环境监控、节能系统、植入式医疗器件，乃至消费类电子中发挥重要作用。
压电技术是基于压电效应的一种技术。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
可以理解为压电效应的本质是：机械作用引起介质极化。晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所以其内部电场为零。当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称，就会出现净极化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效应。依据电介质的压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。
现有的压电元件在使用时，通常将导线连接到压电元件的压电部件的上下表面以形成回路，压电效应产生的电荷通过导线导出，以提供给负载使用。现有的这种压电元件灵敏度较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种压电元件及其制造方法，以及一种压电传感器，其能够提高压电元件的灵敏度。
根据本发明的一个实施例，提供一种压电元件，包括：
压电部件；分别位于所述压电部件的两侧的第一基板和第二基板；以及位于所述第一基板和所述压电部件之间的第一电极层，位于所述第二基板和所述压电部件之间的第二电极层；
其中，所述第一基板和/或所述第二基板靠近所述压电部件的表面具凸起部。
在一个实施例中，所述第一电极层位于所述第一基板的表面上且表面形状与其所在的所述第一基板的表面形状相适应；所述第二电极层位于所述第二基板的表面上且表面形状与其所在的所述第二基板的表面形状相适应。
在一个实施例中，所述第一基板和/或所述第二基板为柔性或弹性基板。
在一个实施例中，所述凸起部为柱状。
在一个实施例中，所述凸起部呈阵列分布。
在一个实施例中，所述凸起部在平行于所述压电部件的表面的平面内延伸，且两个相邻的所述凸起部之间为凹陷部。
在一个实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少之一为碳纳米管电极。
在一个实施例中，所述碳纳米管电极包括单壁碳纳米管电极。
在一个实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层的厚度处于30-70纳米的范围。
在一个实施例中，所述第一基板和所述第二基板为聚二甲基硅氧烷基板。
在一个实施例中，所述压电部件包括压电陶瓷层，所述压电陶瓷层包括锆钛酸钡层和钛酸钡层中的至少一种。
根据本发明的另一个实施例，提供一种压电元件的制造方法，包括步骤：
提供压电部件；
形成第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板至少之一的一侧表面具有凸起部；
分别在所述第一基板和所述第二基板的表面上形成第一电极层和第二电极层，使得所述第一基板和/或所述第二基板的具有所述凸起部的表面设置有所述第一电极层和/或所述第二电极层；
将所述第一基板和所述第二基板分别设置在所述压电部件的两侧，使得所述第一电极层位于所述第一基板和所述压电部件之间，且所述第二电极层位于所述压电部件与所述第二基板之间。
在一个实施例中，通过将所述第一基板和所述第二基板放入碳纳米管溶液中浸泡预定时间以分别在所述第一基板和所述第二基板的表面形成所述第一电极层和所述第二电极层，或
通过喷涂工艺在所述第一基板和所述第二基板的表面形成碳纳米管层，从而形成所述第一电极层和所述第二电极层。
在一个实施例中，通过以下方式中的任一种将所述凸起部形成到所述第一基板和/或所述第二基板的表面上：
1)通过模制一体形成所述凸起部以及所述第一基板和/或所述第二基板；或
2)分别形成所述第一基板和/或所述第二基板以及所述凸起部，然后将所述凸起部结合到所述第一基板和/或所述第二基板的表面；或
3)通过去除所述第一基板和/或所述第二基板的表面的一部分形成所述凸起部。
根据本发明的又一个实施例，提供一种压电传感器，包括前述任一种压电元件。
在本发明的实施例中，通过在位于压电部件两侧的基板的表面上布置凸起部，并将电极(如碳纳米管电极)布置在基板与压电部件之间，由于凸起部的存在，使得基板的表面为非平坦表面，在基板收到压力时，比较容易产生形变，以将压力传递到压电部件，使得压电部件易于感应到较小的压力，因此可以提高压电元件的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本发明的实施例的压电元件的横截面示意图；
图2示出根据本发明实施例的压电元件与负载连接的示意图；
图3示出不同的碳纳米管的光透射率(％)与表面电阻(Ω)的曲线图；
图4示出根据本发明实施例的压电元件的制作方法的流程图；
图5示出根据本发明实施例的压电元件的制作方法的工艺流程的示意图；
图6示出根据本发明实施例的一种基板的具有凸起部的表面的俯视图；
图7示出根据本发明实施例的另一种基板的具有凸起部的表面的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。应当理解，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在附图中示出的各种层和/或区域未按比例绘制。并且在给定图或实施例中为了便于解释，仅明确示出或描述在这种压电元件中常用类型的一个或多个层和/或区域。特别地，对于处理步骤，此处提供的描述并不意图包含形成压电元件可能需要的所有处理步骤。更确切地，为了精简描述，此处有目的地未描述形成压电元件时常用的特定处理步骤。然而，本领域普通技术人员将容易认识到从这些概括性描述中省略的那些处理步骤。
图1示出了根据本发明的实施例的压电元件的横截面示意图。
如图1所示，在本发明的实施例中，提供一种压电元件100，该压电元件100包括压电部件101，第一基板102、第二基板103、第一电极层104、以及第二电极层105。其中，第一基板102和第二基板103分别位于压电部件101的两侧，并且，第一基板102和第二基板103的与压电部件靠近的表面上分别具有多个凸起部106，使得第一基板102和第二基板103的靠近压电部件的表面为非平坦的表面；第一电极层104位于第一基板102和压电部件101之间，第二电极层105位于第二基板103和压电部件101之间。
在本发明的实施例中，通过在压电部件两侧布置表面具有凸起部的第一基板和第二基板，使得第一和第二基板的表面为非平坦的表面，在施加压力的情况下，基板很容易产生形变而对压电部件产生压力，从而使压电部件产生压电效应，以产生电流，然后通过在基板和压电部件之间的电极将电流导出以供负载使用。根据本发明的实施例，即使是较小的压力，也能够被这种结构的压电元件感测到，因此可以提高压电元件的灵敏度。
本领域技术人员可以理解，在本发明的实施例中，第一基板102和第二基板103的表面的凸起部106，可以是在平坦的平面上设置的多个凸出的部分，也可以是在表面上形成凹陷部，在凹陷部之外的部分称之为凸起部106，本发明实施例不限定凸出部的形成方式，只要能够使得第一基板102和第二基板103的靠近压电部件101的表面为非平坦表面。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，可以将第一电极层104设置为附着于第一基板102的具有凸起部106的表面，使得第一电极层104的表面形状与其所在的第一基板102的表面形状相适应；且将第二电极层105设置为附着于第二基板103的具有凸起部106的表面，使得第二电极层105的表面形状与其所在的第二基板103的表面形状相适应，这样一来，可以进一步提高本发明实施例提供的压电元件的性能，且可以简化制作工艺。
在一种实施例中，第一电极层104和第二电极层105可以分别通过导电胶被粘贴在压电部件101的两侧，使得第一电极层104和第二电极层105可以与压电部件更好地结合，能够提高压电部件产生的电量的利用率。
在一个实施例中，凸起部106可以具有柱状结构。在进一步的实施例中，该多个凸起部在第一基板102和第二基板103上可以成阵列分布，如图6所示。
在一个实施例中，第一基板102和第二基板103的表面上具有凸起部106和凹陷部109，凸起部106和凹陷部109的形状或结构被配置为使得第一基板102和第二基板103的表面为波浪形表面，如矩形波、锯齿波等。在一个具体实施例中，如图1和图7所示，凸起部106在平行于压电部件101的表面(如上表面)的平面内延伸，且两个相邻的凸起部106之间的部分为凹陷部109，换言之，两个相邻的凹陷部109之间的部分为凸起部106。作为一种可选的实施例，凸起部106和凹陷部109沿平行于压电部件101的侧边的方向延伸。
本领域技术人员可以理解应当理解，凸起部106和凹陷部109的形状和结构不限于附图中示出形状和结构，例如，它们的截面还可以为例如多边形、椭圆形以及其他规则或不规则形状等。而且这些凸起部可以均匀等间隔分布，也可以不等间隔分布，本申请不限于此。
需要说明的是，在本发明实施例中，可以仅在第一基板102和第二基板103中的任一个的靠近压电部件101的表面上设置凸起部106和/或凹陷部109，而不是在第一基板102和第二基板103二者的表面上都设置有凸起部和/或凹陷部。而且，在本发明的可选实施例中，对凸起部和凹陷部的个数也不做限制，可以是一个、两个或更多个。
在一个实施例中，第一基板102和第二基板103可为柔性和/或弹性基板，也即由柔性和/或弹性材料制成，优选地，第一基板102或第二基板103为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsioxane，PDMS)基板。PDMS是一种新型的高分子聚合物材料，有预聚体(base)和固化剂(curingagent)两种液态组分，使用时可以将两者以一定比例混合均匀，例如，预聚体和固化剂的比例可以为10:1，并在一定的温度下加热固化形成弹性、透明的胶块。这种材料形成的第一基板102和第二基板103，具有较好的弹性和透明度，并且是安全的和无毒的，对人体伤害性小，甚至是没有伤害，因此可以应用在植入式医疗器械中。另外，由于这种材料形成的基板具有较好的弹性，当压力施加到基板上时，基板发生形变，然后将压力传递给压电部件，使压电部件产生压电效应，因此可以提高压电元件的灵敏度。
在一个实施例中，第一电极层104和第二电极层105中的至少一个可以包括碳纳米管(CNT)电极，优选地，第一电极层104和第二电极层105二者都由碳纳米管材料形成，优选地，第一电极层104和第二电极层105的厚度处于30-70纳米的范围。
碳纳米管在医学及其它领域的应用前景，目前非常让人期待。碳纳米管具有优良的伸缩性，光电性能非常优秀。碳纳米材料以其较高的稳定性，良好的生物相容性成为生物纳米材料中的佼佼者。可以作为制备组织工程细胞生长支架、人工血管、药物载体等基础材料。在本申请中，作为一种可选的实施例，可以采用碳纳米管中的一种类型材料：单壁碳纳米管/SWNT(并且金属基含量较高的材料)形成第一电极层和第二电极层。
如上所述，由于CNT具有较好的光电性能以及良好的伸缩性以及生物兼容性，因此，一方面，采用CNT(优选地为SWNT)形成第一或第二电极，能够提高电极对压电效应中产生的电荷的传导能力，从而提高压电元件的效率，另一方面，采用CNT(优选地为SWNT)形成的电极，具有较好的生物兼容性，适用于生物医学领域，尤其是植入式医疗器械中。
在本发明的实施例中，上述压电部件可以为压电陶瓷层，该压电陶瓷层包括锆钛酸钡(Ba(Zr0.1,Ti0.9)O3，BZT)层和钛酸钡(Ba(Ca0.1,Ti0.9)O3，BCT)层中的至少一种。在本发明的实施例中，可以采用溶胶-凝胶法制备压电部件。由于BZT和BCT具有较高的压电系数和介电常数，漏电流非常小，因此可以提高压电元件的灵敏度及效率；而且，BZT和BCT属于无铅材料，生物兼容性好，适于生物和医学领域。
可以理解，压电部件的形成材料不限于上述陶瓷材料，也可以由例如石英晶体等本领域技术人员可利用的任何材料形成。
如图1和图2所示，在本发明的实施例中，上述的压电元件还包括采用喷涂工艺形成的第一电极引出端107和第二电极引出端108，其分别与第一电极104和第二电极105电连接。在实际操作中，如图2所示，可以通过第一电极引出端107和第二电极引出端108将负载连接到第一电极104和第二电极105，当在压电元件的基板上施加压力时(如图2)，可以通过第一电极引出端107和第二电极引出端108将由压电元件产生的电流提供给负载使用。作为一种可选方式，第一电极引出端107和第二电极引出端108也可以由碳纳米管材料形成，采用碳纳米管材料形成电极引出端，可以提高电极引出端的导电率，此外，采用相同材料形成电极层和电极引出端，可以在形成电极层的工艺的同时形成电极引出端，因此可以简化制造工艺。
在一种实施例中，可以对形成电极层和/或电极引出端的碳纳米管(如单壁碳纳米管)进行酸处。根据研究表明，在进行酸处理后，可以提高碳纳米管薄膜导电性能，并能使透光率为80％的薄膜电阻率从500Ω/sq降低到70Ω/sq。另外，如采用1-丙醇水溶液和全氟磺酸化树脂(Nation)的混合溶液分散的SWCNTs喷涂在柔性基底上成膜，由于P型掺杂的影响，使导电性能得到提高，并经过进一步优化得到了电阻率为100Ω/sq、透光率为80％的薄膜。完全可达量产规格使用。
此外，图3中示出了不同的碳纳米管的光透射率(％)与表面电阻(Ω)的曲线图。从图中可以看出，与其他CNT相比，双层的CNT在光透射率和导电性上都具有较大的优势，因此，优选地，在本发明实施例中，可以采用双层的CNT形成电极层和电极引出端。
本领域技术人员可以理解的是，上述的形成压电部件101、第一和第二基板102、103、第一和第二电极层104、105的材料及工艺不限于上述实施例中描述，也可以为其他类型的材料及工艺，只要能够保证形成的压电元件具有较好的弹性、生物兼容性和灵敏度中的至少一种。
在本发明的另一个实施例中，还提供一种压电部件的形成方法。如图4所示，为本发明实施例提供的压电部件的形成方法的流程图，所述方法包括：
S401：提供压电部件。
S402：形成第一基板和第二基板，其中第一基板和第二基板至少之一的一侧表面具有凸起部。
S403：分别在第一基板和第二基板的表面上形成第一电极层和第二电极层，使得第一基板和第二基板的具有凸起部的表面设置有第一电极层和第二电极层。
在一种实施例中，可以使第一电极层的表面形状与其所在的第一基板的具有凸起部的表面形状相适应，例如，使得第一电极层帖覆于第一基板的具有凸起部的表面；并且第二电极层的表面形状与其所在的第二基板的具有凸起部的表面形状相适应，例如，使得第二电极层帖覆于第二基板的具有凸起部的表面。
S404：将第一基板和第二基板分别设置在压电部件的两侧，使得第一电极层位于第一基板和压电部件之间，且第二电极层位于压电部件与第二基板之间。
通过上述方法形成的压电元件，由于形成的第一基板和第二基板上具有凸起部，并将第一电极层和第二电极层分别设置在基板的具有凸起部的表面上，这样，在施加压力的情况下，基板很容易产生形变，以将压力传递到压电部件使压电部件产生压电效应，然后通过电极将由压电效应产生的电流提供给负载。由于此方法形成的压电元件，即使在较小的压力下，也能产生电现象，因此可以这种压电部件的灵敏度较高。
在本发明的一个实施例中，压电元件的形成方法还可以包括：
采用喷涂工艺形成第一电极引出端和第二电极引出端，其分别与第一电极层和第二电极层电连接。
在一个实施例中，可以通过以下方式中的任意一种将凸起部形成在上述第一基板和第二基板的表面上：
第一种方式：通过模制一体形成凸起部以及第一基板和第二基板；
举例而言，可以通过将形成基板的材料放置在具有凹槽的模具中，然后通过物理或化学的方法进行处理，以一体形成凸起部和上述两个基板的主体部分；
第二中方式：分别形成第一基板和第二基板以及凸起部，然后将凸起部结合到第一基板和第二基板的表面，例如，可以通过胶体将凸起部结合到第一基板和第二基板的表面；
第三种方式：通过去除第一基板和第二基板的表面的一部分形成凸起部。
需要说明的是，在此描述的是采用相同的方法形成第一基板和第二基板，但是，可以理解，分别采用不同的方法形成第一基板和第二基板也是可行的。
在一个实施例中，可以通过将第一基板和第二基板放入碳纳米管溶液中浸泡预定时间而分别在第一基板和第二基板的表面形成第一电极层和第二电极层，或
通过喷涂工艺在第一基板和第二基板的表面形成碳纳米管层，从而形成第一电极层和第二电极层。
在一个实施例中，可以通过导电胶将第一电极和第二电极分别粘贴在压电部件的两侧，从而将第一基板和第二基板分别布置在压电部件的两侧。
需要说明的是，根据本发明实施例的压电元件的制造方法与上述实施例提供的压电元件相对应，因此在上述压电元件的实施例中，对各个元素的位置、形状、形成材料、制造工艺等的解释说明也适于本制造方法的实施例，在此不再赘述。
图5示出了根据本发明实施例的压电元件的制作方法的工艺流程的示意图。
首先制作2组单侧PDMS基底及碳纳米管电极。如图5所示，将采用一种类似微接触印刷的前端方法，来制备单侧PDMS基底及碳纳米管电极。
通常用PDMS的主剂(预聚体)与硬化剂(固化剂)以质量比10：1比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤约一个小时。PDMS固化脱膜后，放入碳纳米管溶液中浸泡，24小时之后，碳纳米管将包裹在PDMS基底之上，形成碳纳米管电极。然后将制作好的上下两组PDMS/SWNT电极，一起贴附于涂有导电胶的压电陶瓷(或厚膜)BZT(或BCT)上。最后，通过掩模版，采用喷涂工艺进行SWNT电极引线端的制作。
根据本发明实施例形成的压电元件，工艺简单，并且未来进行大规模商业生产中可行性强。
在本发明的又一个实施例中，还提供一种压电传感器，包括上述实施例中所述的压电元件，这种压电元件具有较高的灵敏度，较好生物兼容性，且产生的电荷的利用效率比较高。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“之上”、“下”、“之下”、“顶”、“底”、“之间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。例如，当元件或层被称为在另一元件或层“上”时，它可以直接在该另一元件或层上，或者可以存在中间的元件或层；同样，当元件或层被称为在另一元件或层“下”时，它可以直接在该另一元件或层下，或者可以存在至少一个中间的元件或层；当元件或层被称为在两元件或两层“之间”时，其可以为该两元件或两层之间的唯一的元件或层，或者可以存在一个以上的中间元件或层。
此外，还需要说明的是，当介绍本申请的元素及其实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或者多个要素。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。用语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”旨在包括性的并且表示可以存在除所列要素之外的另外的要素。术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种压电元件，其特征在于，包括：
压电部件；分别位于所述压电部件的两侧的第一基板和第二基板；以及位于所述第一基板和所述压电部件之间的第一电极层，位于所述第二基板和所述压电部件之间的第二电极层；
其中，所述第一基板和/或所述第二基板靠近所述压电部件的表面具凸起部。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述第一电极层位于所述第一基板的表面上且表面形状与其所在的所述第一基板的表面形状相适应；所述第二电极层位于所述第二基板的表面上且表面形状与其所在的所述第二基板的表面形状相适应。
3.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述第一基板和/或所述第二基板为柔性或弹性基板。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的压电元件，其特征在于，所述凸起部为柱状。
5.根据权利要求4所述的压电元件，其特征在于，所述凸起部呈阵列分布。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的压电元件，其特征在于，所述凸起部在平行于所述压电部件的表面的平面内延伸，且两个相邻的所述凸起部之间为凹陷部。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的压电元件，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少之一为碳纳米管电极。
8.根据权利要求7所述的压电元件，其特征在于，所述碳纳米管电极包括单壁碳纳米管电极。
9.根据权利要求7所述的压电元件，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的厚度处于30-70纳米的范围。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的压电元件，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板为聚二甲基硅氧烷基板。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的压电元件，其特征在于，所述压电部件包括压电陶瓷层，所述压电陶瓷层包括锆钛酸钡层和钛酸钡层中的至少一种。
12.一种压电元件的制造方法，其特征在于，包括步骤：
提供压电部件；
形成第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板至少之一的一侧表面具有凸起部；
分别在所述第一基板和所述第二基板的表面上形成第一电极层和第二电极层，使得所述第一基板和/或所述第二基板的具有所述凸起部的表面设置有所述第一电极层和/或所述第二电极层；
将所述第一基板和所述第二基板分别设置在所述压电部件的两侧，使得所述第一电极层位于所述第一基板和所述压电部件之间，且所述第二电极层位于所述压电部件与所述第二基板之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
通过将所述第一基板和所述第二基板放入碳纳米管溶液中浸泡预定时间以分别在所述第一基板和所述第二基板的表面形成所述第一电极层和所述第二电极层，或
通过喷涂工艺在所述第一基板和所述第二基板的表面形成碳纳米管层，从而形成所述第一电极层和所述第二电极层。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过以下方式中的任一种将所述凸起部部形成到所述第一基板和/或所述第二基板的表面上：
1)通过模制一体形成所述凸起部以及所述第一基板和/或所述第二基板；或
2)分别形成所述第一基板和/或所述第二基板以及所述凸起部，然后将所述凸起部结合到所述第一基板和/或所述第二基板的表面；或
3)通过去除所述第一基板和/或所述第二基板的表面的一部分形成所述凸起部。
15.一种压电传感器，包括权利要求1-11中任一项所述的压电元件。
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