CN105762272B - 基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器及其测量电路、标定系统和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器、测量电路、标定系统及制备方法，包括受力底座和压电式传感单元，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；传感器芯片包括依次层叠设置的基底层、粘合层、氧化锌种子层、PR窗口层、PDMS保护层、金属电极层；氧化锌种子层设有一个下电极；PR窗口层设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列，氧化锌纳米阵列与金属电极层之间接触形成应变敏感的肖特基势垒；金属电极层设有两个电极。本发明采用了垂直结构的氧化锌纳米阵列，利用氧化锌纳米阵列与金电极形成的肖特基异质结的巨压电效应极大地提升了传感器的灵敏度，实现了更高灵敏度与精确度的应变检测。
Description
技术领域
本发明属于微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)传感器技术领域，特别涉及一种基于巨压电效应的氧化锌垂直纳米阵列应变传感器及其测量电路、标定系统和制备方法。
背景技术
传统的金属或硅应变传感器形变范围较小、柔韧性差、响应速度较慢、应变系数也很低，已不能满足诸多超高灵敏应变测量领域的需求，因而在过去10年中基于可拉伸弯曲的纳米材料与高分子复合材料的应变传感器已被人们广泛关注与研究。目前一些纳米材料例如硅纳米线、石墨烯和氧化锌纳米结构都陆续被应用于MEMS/NEMS应变传感器。由于尺寸缩小导致纳米尺度效应增强，这些基于纳米结构的应变传感器通常灵敏度都比较高、响应速度快、功耗也低、抗冲击能力很强，在个人便携式与穿戴式消费电子产品等领域具有巨大的潜在应用价值。
尽管如此，现阶段很多应用都是基于单根纳米线或者水平排列的纳米线阵列，这类纳米线应变传感器存在如下问题：(1)基于单纯压电效应或者压阻效应的纳米线应变传感器的灵敏度虽然相对于传统金属或硅应变传感器有了很大的提升，但是受传感器工作原理的限制，其灵敏度仍然很难达到超微量和高质量检测的要求；(2)这些纳米线应变传感器的感测信号受外加应变和环境温度的双重影响，尤其在超微量检测中，环境温度对结果的影响更大，导致灵敏度、测量精度和稳定性能下降，而目前的纳米应变传感器通常都缺少温度补偿措施。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器及其测量电路、标定系统和制备方法，该全新结构的应变传感器采用了基于MEMS技术制备的垂直结构的氧化锌纳米阵列，利用了氧化锌纳米阵列与金电极形成的肖特基异质结的巨压电效应(结合压电效应与半导体效应的压电电子学效应)极大地提升了传感器的灵敏度，并且本发明采用了参考电路，通过差分信号处理排除了温度等共模噪声信号的影响，实现了更高灵敏度与精确度的应变检测。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，包括受力底座和压电式传感单元；所述受力底座位于压电式传感单元下方，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；所述传感器芯片包括依次层叠设置的基底层、粘合层、氧化锌种子层、PR窗口层、PDMS保护层、金属电极层；所述氧化锌种子层设有一个下电极；所述PR窗口层设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列，氧化锌纳米阵列与金属电极层之间接触形成应变敏感的肖特基势垒；所述金属电极层设有两个电极。
所述压电式传感单元中的其中一个传感器芯片作为测试模块，另一个传感器芯片作为差分参考电路模块；所述金属电极层上的两个电极均设有金属引线，分别用于连接电源和信号测量电路。
所述受力底座由聚对苯二甲酸乙二酯塑料材料构成，粘合层由铬材料构成；PDMS保护层由聚二甲基硅氧烷材料构成。
一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的测量电路，包括信号调理电路和信号控制电路，所述信号调理电路包括依次连接的差动放大器、带通滤波器、中间级放大电路和低通滤波器，差动放大器的输入端分别与氧化锌纳米阵列应变传感器中的两个传感器芯片的输出端连接；所述信号控制电路包括ADC转换器、稳压电源隔离器、信号隔离器、微处理器控制芯片和LCD液晶显示器；ADC转换器的输入端与信号测量电路的输出端连接，其输出端通过稳压电源隔离器和信号隔离器与微处理器控制芯片相连，微处理器控制芯片与LCD液晶显示器电连接。
一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的标定系统，其特征在于：包括传感器标定装置、信号调理电路、控制箱、计算机、信号源和功率放大器；所述传感器标定装置包括：固定支架、电机驱动模块、移动杆，固定支架用于固定应变传感器的一端，电机驱动模块通过移动杆使应变传感器发生弯曲；所述信号调理电路将应变传感器的输出信号转换成电压量模拟信号传递给控制箱；控制箱内单片机采集电压量模拟信号，并转换成数字信号，通过RS232总线传递给计算机，控制箱同时接收计算机的传送指令，传递给信号源，信号源输出信号经功率放大器放大后传递给传感器标定装置，为传感器标定装置提供交流电压信号。
一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：选用柔性材料作为受力底座，其表面长2-3cm，宽为1-2cm，厚度为250-300μm；
S2：对受力底座的表面进行清洁处理，得到干净的柔性受力底座；
S3：对受力底座表面进行风干，并利用直流溅射法在其表面形成基底层；
S4：在基底层上表面依次放置40-60nm的粘合层和150-200nm的氧化锌种子层；
S5：在氧化锌种子层表面旋涂2-3μm光刻胶，并进行旋转式开窗，形成PR窗口层；
S6：利用热液法，在设定的环境温度和时间下，在PR窗口层中得到垂直的氧化锌纳米阵列；
S7：在氧化锌纳米阵列表面旋涂保护层得到PDMS保护层，并进行加热固化处理；
S8：以氧气与四氟化碳为1:3的比例，刻蚀15-20分钟暴露纳米线的顶部，起到电极连接的作用；
S9：通过直流溅射法放置一层100-150nm的金属作为金属电极层；
S10：在金属电极层的顶面做封装处理，完成基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制作。
所述柔性材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚异戊二烯中的一种。
所述步骤S2中，清洁处理包括：采用丙酮与异丙醇混合溶液和去离子水各冲洗聚对苯二甲酸乙二酯4-8分钟；步骤S3中采用氮气进行风干处理。
所述步骤S6中，所述热液法包括：将步骤S5中得到的材料放置在16-22mmmol/L的六亚甲基四胺和16-22mmmol/L氧化锌和4％-6％体积的氨混合液里，所述设定的环境温度90°-105°，设定的时间为15-17小时。
所述步骤S7中，加热固化处理包括在80-95摄氏度下固化1.5-2.5小时。
本发明的有益效果：
1、本发明的氧化锌纳米阵列应变传感器采用垂直方向的阵列式结构，具有单根纳米线或水平纳米线阵列不具备的超高的灵敏度，柔韧性和稳定性。
2、本发明采用金属电极层与氧化锌纳米阵列接触形成肖特基势垒，比传统选用银电极的单纳米传感器具有更高的应变能力。
3、本发明的其中一个传感器芯片作为参考电路，受力并不发生形变，另一个传感器芯片受力发生形变，两个芯片通过电路连接，通过差分信号处理，可极大改善温度干扰带来的影响。
4、本发明采用垂直结构的氧化锌纳米阵列和结构上的温度补偿，方法简单，成本低，容易在产业上实现批量化生产。
5、本发明提供了应变传感器标定装置，以保证量值的准确传递，检测了传感器是否可以进行动态测量，在后期对其主要技术指标进行校准，以确保其性能指标达到要求。
6、本发明大幅度提高了氧化锌应变传感器的灵敏度和分辨率，同时减小温度外界环境的影响，并且采用传感器标定装置提高了检测数据的精度、灵敏度和可靠性。
附图说明
图1(a)为应变传感器整体结构示意图。
图1(b)为应变传感器的金属电极层、氧化锌纳米阵列和肖特基势垒形成的结构示意图。
图2为应变传感器芯片顶层俯视图。
图3为应变传感器芯片与测量电路连接的系统结构图。
图4为基于应变传感器的标定装置原理结构图。
图5(a)(b)为标定应力与对数电流(μA)的实验数据及其拟合曲线图。
图6(a)(b)(c)(d)(e)为应变传感器芯片制备流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例一：
如图1(a)所示，一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，包括受力底座11和压电式传感单元；所述受力底座位于压电式传感单元下方；
所述压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；所述传感器芯片包括依次层叠设置的基底层1、粘合层2、氧化锌种子层3、PR窗口层4、PDMS保护层5、金属电极层6；所述氧化锌种子层3设有一个下电极12；所述PR窗口层4设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列7，氧化锌纳米阵列7与金属电极层6之间接触形成应变敏感的肖特基势垒10，具体见图1(b)；所述金属电极层设有两个上电极8。
所述压电式传感单元中的其中一个传感器芯片作为测试模块(通过将受力底座11的底部与物体如皮肤等接触，此传感器芯片由于与物体接触受力，发生弯曲，从而导致氧化锌纳米阵列7与金属电极层6之间的肖特基势垒10发生改变，从而导致应变传感器的应变电压/电流特性发生显著改变)，另一个传感器芯片作为差分参考电路模块(其处于悬空装置，在与物体接触后，由于存在间隙，因而不发生应变响应，被用来作为环境温度补偿)，二者通过电路连接，通过差分信号处理，可极大改善温度干扰带来的影响；所述金属电极层6上的两个上电极8均设有金属引线9，分别用于连接电源和信号测量电路。
本发明提出的氧化锌纳米阵列应变传感器的应变电流I为：
其中S为接触面积，A为查理森常量，T为温度，q为电荷量，φB0为在零电场时的肖特基势垒，K为玻尔兹曼常数，V为外置偏压，ΔφE为肖特基势垒的压降，它可由公式(2)可得，其中ρ为应变相关的极化电荷密度，w为肖特基接触界面上的极化层的宽度，εs为氧化锌的介电常数；应变传感器受到应变作用后，正比于应变的极化电荷密度ρ发生明显的变化，由公式(2)可知，进而导致氧化锌纳米阵列7与金属电极层6之间肖特基势垒ΔφE显著变化，由上述公式(1)可知，电流I随之剧烈增加，导致应变传感器芯片伏安特性剧烈变化，因此灵敏度极高。图2为本发明的一种实施例的应变传感器的俯视图，其设有垂直的6×4氧化锌纳米阵列。
作为本发明的一种优选方案，所述受力底座11由聚对苯二甲酸乙二酯塑料材料构成，粘合层2由镍铬材料构成；PDMS保护层5由聚二甲基硅氧烷材料构成。
实施例二：
如图3所示，一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的测量电路，包括信号调理电路和信号控制电路，所述信号调理电路包括依次连接的差动放大器、带通滤波器、中间级放大电路和低通滤波器，所述差动放大器的输入端分别与应变传感器中的两个传感器芯片的输出端连接；所述信号控制电路包括ADC转换器、稳压电源隔离器、信号隔离器、微处理器控制芯片和LCD液晶显示；ADC转换器的输入端与测量电路的输出端连接，其输出端通过稳压电源隔离器和信号隔离器与微处理器控制芯片相连，微处理器控制芯片与LCD液晶显示电连接；所述测量电路还包括恒流源和LDO线性电源，恒流源的输出端分别与信号调理电路和LDO线性电源连接，LDO线性电源输出端分别与微处理器控制芯片、稳压电源隔离器、信号隔离器相连，并对其进行供电，当器件受力时，通过对信号的处理，最终数据通过微处理器控制芯片在LCD液晶显示上显示。
实施例三：
如图4所示，一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的标定装置，包括传感器标定装置、信号调理电路、控制箱、计算机、信号源和功率放大器；所述传感器标定装置包括：固定支架、电机驱动模块、移动杆，固定支架用于固定应变传感器的一端，如图4中(b)处所示，由电机驱动模块通过移动杆使应变传感器发生弯曲；所述信号调理电路将应变传感器的输出信号转换成电压量模拟信号传递给控制箱；控制箱内单片机采集电压量模拟信号，并转换成数字信号，通过RS232总线传递给计算机，控制箱同时接收计算机的传送指令，传递给信号源，信号源输出信号经功率放大器放大后传递给传感器标定装置，为传感器标定装置提供交流电压信号。本发明的标定装置，探究了电流与应变的关系，以保证量值的准确传递，检测了传感器是否可以进行动态测量，并且传感器使用、存储一段时间后，也须对其主要技术指标进行校准，以确保其性能指标达到要求。
本发明的应变传感器的应变系数GF为：
其中Ii0为第个纳米线为在一个固定的正向偏压下的无应变电流，ΔIi为第i个纳米线受应变力时在同一正向偏压下对应电流的变化，q为电荷量，Δφi(ε)为第i个纳米线肖特基势垒的变化电势量，N为纳米线数量为固定数，K为玻尔兹曼常数，T为温度，ε为在传感器的表面上的纵向正常应变且其中a为受力底座厚度的一半，D为应变传感器的最大弯曲挠度，l为无应变作用时如图4中(b)处固定端至如图4中(a)处自由端的距离，x为应变作用后上述固定端和自由端之间的平均距离。由公式(3)可得，即使发生很小的应变，肖特基势垒的电势量Δφ(ε)显著变化，因此导致电流显著增大，当N个纳米线组成阵列结构时，通过对N个纳米线应变势垒的叠加导致更大电流变化，当应变为0.6％时，应变系数已达到1810，这比传统的金属和硅传感器应变系数提高了1-2个数量级，该巨压电效应可以使得应变传感器达到超高灵敏度检测的要求。
如图5(a)所示，当实验测试的偏置电压都为1.5V时，先后3次由电机驱动模块驱动移动杆以500μm/s的速度向前推移，数据通过信号调理电路和控制箱后传递给计算机，由计算机分析处理，得到三次测试的应变与电流的关系，三次测试数据线性拟合后几乎在同一条直线上，可知应变传感器的重复性误差很小。而且由于巨压电效应的作用，应变导致电流显著变化，由公式(3)可知应变电流变化越大，应变系数也就越大，从而使得该应变传感器的灵敏度越高。
如图5(b)所示，再以500μm/s的速度向前推移使传感器逐渐发生形变，分别施加1V、1.5V、2V电压时，将数据通过信号调理电路和控制箱后传递给计算机，由计算机分析处理，分别得到应变与对数电流的关系，虽然施加不同的电压，但是斜率大致恒定，灵敏度较高没有变化，即感应到的力信号能够比较准确、快速的转化为电信号。
换言之，当对氧化锌纳米阵列应变传感器进行实际测量时，利用微处理器控制芯片对输出的电流进行对数处理，并可根据此线性关系得到相应的应变传感器实际受到的应变的大小，达到超灵敏准确测量的目的。
如图6所示，一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：选用柔性材料作为受力底座，其表面长2-3cm，宽为1-2cm，厚度为250-300μm，优选的，所述柔性材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚异戊二烯中的一种，更优选地，所述柔性材料为聚对苯二甲酸乙二酯；采用聚对苯二甲酸乙二酯作为基底材料，其有良好的力学性能，冲击强度是其他薄膜的3-5倍，耐折性好；耐油、耐脂肪、耐烯酸、稀碱，耐大多数溶剂；耐热老化性好，脆化温度为-70℃，在-30℃时仍具有一定韧性；气体和水蒸气渗透率低，既有优良的阻气、水、油及异味性能。
S2：对受力底座的表面进行清洁处理，得到干净的柔性受力底座；优选地，清洁处理包括：采用丙酮与异丙醇混合溶液和去离子水各冲洗聚对苯二甲酸乙二酯4-8分钟；
S3：对受力底座表面进行风干，并利用直流溅射法在其表面形成基底层；优选地，采用氨气对聚对苯二甲酸乙二酯表面进行风干。
S4：在基底层上表面依次放置40-60nm的粘合层和150-200nm的氧化锌种子层；优选地，所述粘合层为铬粘合层，如图6(a)所示，采用铬作为粘合剂其促使粒子之间的粘结，故而保证颗粒的强度和密度以便在后续的工艺中仍保持完整性。
S5：在氧化锌种子层表面旋涂2-3μm光刻胶，并进行旋转式开窗，形成PR窗口层；优选地，光刻胶为希普利S1813光刻胶，旋转式开窗为以每分钟旋转6000转旋转30s开窗，窗的长和宽都为50μm，如图6(b)所示。
S6：利用热液法，在设定的环境温度和时间下，在PR窗口层中得到垂直的氧化锌纳米阵列；优选地，所述热液法包括：将步骤S5中得到的材料放置在16-22mmmol/L的六亚甲基四胺和16-22mmmol/L氧化锌和4％-6％体积的氨混合液里，所述设定的环境温度为90°-105°，设定的时间为15-17小时，最终在窗口中得到6×4的氧化锌纳米阵列，如图6(c)所示。
S7：在氧化锌纳米阵列表面旋涂保护层得到PDMS保护层，并进行加热固化处理；优选地，所述保护层的材料为：15-25μm的聚二钾硅氧烷，旋涂过程为：每分钟旋转1500转，旋转2分钟；所述加热固化处理为在80-95摄氏度下固化1.5-2.5小时，如图6(d)所示。
S8：以氧气与四氟化碳为1:3的比例，刻蚀15-20分钟暴露纳米线的顶部起到电极连接的作用；
S9：通过直流溅射法放置一层100-150nm的金属作为金属电极层，如图6(e)所示；
S10：在金属电极层的顶面做封装处理，完成基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制作。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，其特征在于：包括受力底座(11)和压电式传感单元；所述受力底座(11)由柔性材料制成，位于压电式传感单元下方，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；所述传感器芯片包括依次层叠设置的基底层(1)、粘合层(2)、氧化锌种子层(3)、PR窗口层(4)、PDMS保护层(5)、金属电极层(6)；所述氧化锌种子层(3)设有一个下电极(12)；
所述PR窗口层(4)设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列(7)，氧化锌纳米阵列(7)与金属电极层(6)之间接触形成应变敏感的肖特基势垒(10)；所述金属电极层(6)设有两个电极(8)；
所述压电式传感单元中的其中一个传感器芯片作为测试模块，另一个传感器芯片作为差分参考电路模块，其处于悬空设置，用来作为环境温度补偿；所述金属电极层上的两个电极(8)均设有金属引线(9)，用于连接电源和测量电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，其特征在于：所述受力底座(11)由聚对苯二甲酸乙二酯塑料材料构成，粘合层(2)由铬材料构成；PDMS保护层(5)由聚二甲基硅氧烷材料构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的测量电路，其特征在于：包括信号调理电路和信号控制电路，所述信号调理电路包括依次连接的差动放大器、带通滤波器、中间级放大电路和低通滤波器，差动放大器的输入端分别与氧化锌纳米阵列应变传感器中的两个传感器芯片的输出端连接；所述信号控制电路包括ADC转换器、稳压电源隔离器、信号隔离器、微处理器控制芯片和LCD液晶显示器；ADC转换器的输入端与信号测量电路的输出端连接，其输出端通过稳压电源隔离器和信号隔离器与微处理器控制芯片相连，微处理器控制芯片与LCD液晶显示器电连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的标定系统，其特征在于：包括传感器标定装置、信号调理电路、控制箱、计算机、信号源和功率放大器；所述传感器标定装置包括：固定支架、电机驱动模块、移动杆，固定支架用于固定应变传感器的一端，电机驱动模块通过移动杆使应变传感器发生弯曲；所述信号调理电路将应变传感器的输出信号转换成电压量模拟信号传递给控制箱；控制箱内单片机采集电压量模拟信号，并转换成数字信号，通过RS232总线传递给计算机，控制箱同时接收计算机的传送指令，传递给信号源，信号源输出信号经功率放大器放大后传递给传感器标定装置，为传感器标定装置提供交流电压信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选用柔性材料作为受力底座，其表面长2-3cm，宽为1-2cm，厚度为250-300μm；
S2：对受力底座的表面进行清洁处理，得到干净的柔性受力底座；
S3：对受力底座表面进行风干，并利用直流溅射法在其表面形成基底层；
S4：在基底层上表面依次放置40-60nm的粘合层和150-200nm的氧化锌种子层；
S5：在氧化锌种子层表面旋涂2-3μm光刻胶，并进行旋转式开窗，形成PR窗口层；
S6：利用热液法，在设定的环境温度和时间下，在PR窗口层中得到垂直的氧化锌纳米阵列；
S7：在氧化锌纳米阵列表面旋涂保护层得到PDMS保护层，并进行加热固化处理；
S8：以氧气与四氟化碳为1:3的比例，刻蚀15-20分钟暴露纳米线的顶部，起到电极连接的作用；
S9：通过直流溅射法放置一层100-150nm的金属作为金属电极层；
S10：在金属电极层的顶面做封装处理，完成基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制作。
6.根据权利要求5所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚异戊二烯中的一种。
7.根据权利要求5所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，清洁处理包括：采用丙酮与异丙醇混合溶液和去离子水各冲洗聚对苯二甲酸乙二酯4-8分钟；步骤S3中采用氮气进行风干处理。
8.根据权利要求5所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，热液法包括：将步骤S5中得到的材料放置在16-22mmmol/L的六亚甲基四胺和16-22mmmol/L氧化锌和4％-6％体积的氨混合液里，所述设定的环境温度90°-105°，设定的时间为15-17小时。
9.根据权利要求5所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S7中，加热固化处理包括在80-95摄氏度下固化1.5-2.5小时。
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