CN110132457A - 一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性传感器领域，并公开了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，上和下电极层结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在基体材料中的液态金属；中间介质层介于上和下电极层之间，其中设置有多个微米级的孔；当传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，通过测量传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与传感器之间的距离的大小；当待测对象与上电极层摩擦发生时，通过测量上电极层中电压的变化获得待测对象对上层电极施加的压力大小。本发明还公开了该传感器的制备方法。通过本发明，结合电容传感和摩擦发电两种传感原理，实现柔性传感器的高灵敏度和多功能测量。
Description
技术领域
本发明属于柔性传感器领域，更具体地，涉及一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法。
背景技术
随着科技与社会的发展，机器人的应用正逐渐由科研、工业自动化领域向医疗、家庭服务等领域拓展。实现机器人与外界环境之间的互动的前提是机器人可通过自身所携带的传感器系统检测到外界环境与人类的信息。覆盖在机器人表面的大面积、柔软、具有触觉感知和数据处理能力的微型传感器阵列称之为电子皮肤。电子皮肤获取外界环境信息是仅次于机器人视觉的重要感知形式，是机器实现与外界环境直接作用的必要媒介之一。
目前对全柔性化、多功能化机器人柔性电子皮肤多集中于触觉感知，而取法接近感知能力，无法在作用对象接近时做出反应，而本发明所提供的一种用于机器人电子皮肤的可拉伸传感器为解决上述问题提供了可能，该传感器传感原理基于电容传感和摩擦发电，既可以检测压力，也可以检测空间定位距离，同时还能测量应变。
柔性电子技术脱胎于硬质电子技术，因此也大量采用了传统的半导体工艺，但是一些柔性材料对传统工艺的适应性并不好，因此改进工艺是十分必要的，本发明提供了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法，其通过利用上和下电极层形成电容传感，利用摩擦层摩擦发电，结合电容传感和摩擦发电两种传感原理，实现待测对象空间定位，压力传感和拉伸产生应变测量的功能，实现柔性传感器的高灵敏度和多功能测量。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，其中：
所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该基体材料中的液态金属，所述上电极层的表面积大于所述下电极层的表面积，使得二者之间产生电容的边缘效应；所述中间介质层介于所述上、下电极层之间，材料为与所述上下电极相同的柔性基体材料，该中间层中设置有多个微米级的孔形成微米孔结构；
当所述传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，上下电极层之间的电容发生变化，通过测量所述传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与所述传感器之间的距离的大小；
当待测对象与所述上电极层摩擦发生时，通过测量所述上电极层中电压的变化获得待测对象对所述上层电极施加的压力大小。
进一步优选地，所述上电极层上还设置有摩擦层，该摩擦层采用与上电极层相同的柔性基体材料，其表面粗糙度Ra为1.6μm～6.4μm，当待测对象采用15KPa以下的力与该摩擦层发生摩擦时，通过检测所述上电极层上电压的变化获得待测对象施加的力的大小，提高所述传感器的灵敏度。
进一步优选地，所述上下电极层之间的距离优选为50μm～200μm，上和下电极层的厚度优选为100μm～200μm，所述微米孔的直径优选为70μm～210μm。
进一步优选地，所述柔性基体材料优选为PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET。
进一步优选地，所述液态金属优选采用镓合金。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述柔性传感器的制备方法，该方法包括下列步骤：
(a)制备上和下电极层
(a1)选取基板和牺牲层溶液，将牺牲层溶液旋涂在所述基板上，待所述牺牲层溶液固化后在所述基体上形成牺牲层，在该牺牲层上旋涂所述柔性基体材料的溶液，固化后在所述牺牲层上形成柔性基体层，
(a2)在所述柔性基体层贴附掩膜版，在该掩膜版上溅射粘附层，然后在粘附层上溅射液态金属，去除所述掩膜版，其中，所述粘附层用于粘结柔性基体层和液态金属；
(a3)在溅射有液态金属的柔性基体层上再次旋涂所述柔性基体层溶液，固化后所述液态金属镶嵌在所述柔性基体层中，将基板放入水中，所述牺牲层溶于水使得柔性基体层与所述基板分离，以此获得上或者下电极；
(b)制备中间介质层
(b1)制备设置有微米柱的模具，选取基板，在基板上旋涂所述柔性基体层的溶液，固化后形成在所述基板上形成柔性基体层，将所述模具贴附在所述柔性基体层表面，加热使得所述模具与所述基板连接；
(b2)将粘附有模具的基板表面进行疏水处理，然后将所述柔性基体层的溶液旋涂在所述模具上，待所述柔性基体层固化后从所述模具上剥离，以此获得具有微米孔的中间介质层；
(c)采用反应离子刻蚀的方式将所述上电极层、中间介质层和下电极层从上自下依次粘结在一起，以此获得所需的柔性传感器。
进一步优选地，在步骤(a2)中，所述粘附层优选包括上下两层，下层为金，上层为铬，其中，所述金用于连接所述柔性基体材料与铬，所述铬用于连接所述金与所述柔性基体材料。
进一步优选地，所述制备方法还包括制备所述摩擦层，按照下列步骤进行，将所述柔性基体材料的溶液旋涂在砂纸表面，固化成膜后将成膜后的柔性基体材料层所述砂纸上剥离，以此获得所需的摩擦层，将该摩擦层采用反应离子刻蚀的方式粘结在所述上电极层上，获得带有摩擦层的柔性传感器。
进一步优选地，在步骤(b1)中，制备设置有微米柱的模具优选按照下列步骤：
(b11)选取基板，在基板上旋涂光刻胶，待光刻胶固化后在其表面贴附掩膜版，然后利用激光光刻的方式在所述光刻胶表面形成多个微米孔；
(b12)去除所述掩膜版，对有微米孔的光刻胶表面进行疏水处理，然后在疏水处理后的光刻胶表面旋涂所述柔性基体材料的溶液，待其固化成膜后将所述柔性基体材料从所述光刻胶表面剥离，以此获得表面具有微米柱的柔性基体材料，即表面设置有微米柱的模具。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的传感器设置的摩擦层，在摩擦发电在低压区(<15KPa)的良好线性度，弥补了电容传感在低压区线性度较低的缺点，而上下电极层形成的电容传感在高压区(>15KPa)的良好线性度，弥补了摩擦发电在高压区的较低灵敏度的不足，两种传感原理的互补极大地增加了传感器压力测量范围；
2、本发明提供的柔性传感器可以测量压力，应变和空间定位距离三个参数，其基于电容传感和摩擦发电原理，当应用于机器人领域时，可以实现机器人从定位到抓取整个过程的实时监测和反馈，同时还能测量机器人在收到拉伸时的应变率；
3、本发明提供的柔性传感器具有较高的灵敏度，在进行空间定位时，这种传感器可以利用电容的边缘效应，有效放大电场以此增强定位灵敏度，在进行压力和应变测量时，中间电介质层微米孔的设计和上电极基底表面的砂纸改性，可以有效的提升压力测量的灵敏度；
4、本发明提供的柔性传感器与待测对象表面紧密贴合并能保持共性接触，最大限度的减小了传感器与机器人表面的的空隙，这样有助于提高传感器的强度和测量的准确性。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的柔性传感器的制备流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的制备中间介质层的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1—砂纸，2—固化的聚二甲基硅氧烷薄膜，3—硅片，4—聚乙烯醇牺牲层，5—基底层，6—金，7—铬，8—掩膜版，9—金电极，，11—液态金属，12—溶解中的聚乙烯醇牺牲层，13—去离子水，14—耐高温的玻璃器皿，15—有微米孔的中间电介质层，17—SU8 2050光刻胶，19—紫外光，20—显影液，21—显影中的SU8 2050光刻胶，22—疏水溶液，23—复制微米柱的聚二甲基硅氧烷薄膜，24—有微米柱结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，25—复制微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜，26—有微米孔结构的聚二甲基硅氧烷。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的柔性传感器的制备流程图，如图1所示，一种多功能传感原理的柔性传感器，这种传感器具有三层结构，可以分为上电极层，中间电介质层和下电极层，上电极面积大于下电极面积，利用电容的边缘效应，提高电容定位的灵敏度；上电极层表面设置有摩擦层，采用砂纸改性，增加基底表面的粗糙度，从而提升摩擦发电的输出性能，增加传感器基于摩擦发电原理进行压力传感的灵敏度；中间电介质层采用微米孔结构，有效降低电介质材料刚度，使中间电介质在相同载荷下更容易产生变形，增强传感器基于电容传感原理进行压力传感和拉伸应变测量的灵敏度。
上下电极基底和中间电介质层均采用PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET等柔性可拉伸的高聚物材料，作为传感器的支撑层和电介质层。这种材料具备良好的可拉伸性以保证电极在可拉伸状态下的工作的有效性，同时作为电介质层其具有较高的相对电介质常数，从而保证传感器较大的初始电容值。上电极和下电极的功能层的作用是采集并传输电压和电容信号，采用液态金属材料，这种液态金属材料的组成成分及质量百分比为：68.5％的镓，21.5％的铟和10％的锡，这种材料具有良好的导电性能和可拉伸性能。这种传感器的上电极层，中间电介质层和下电极层都采用可拉伸性材料，因此传感器也就具备良好的可拉伸性能。通过调节工艺参数，可以降低传感器的整体厚度，这样传感器就可以通过范德华力紧密贴附在机器人表面并保持良好的共形接触。
为提升传感器的制造成功率和质量，一种多功能传感原理的柔性传感器的制备方法，主要包括微米柱孔工艺，电极工艺，牺牲层工艺和反应离子刻蚀工艺。其中微米柱孔工艺用于制备中间电介质层，电极工艺用于制备上电极层和下电极层，牺牲层工艺用于将传感器从硅晶圆上释放，而反应离子刻蚀工艺测用于上电极层，中间电介质层和下电极层的键合封装。微米孔工艺采用光刻和二次倒模的方法在聚二甲基硅氧烷上面制备出不同直径大小的微米柱孔，光刻保证了工艺的稳定性和精度；二次倒模的模具可以重复利用，简化了实验步骤，同时也减少了浪费。电极工艺利用液态金属对于聚二甲基硅氧烷的疏水性和对于金的亲水性在金电极图案上直接注入液态金属，该工艺方法简化了实验步骤。牺牲层工艺则采用聚乙烯醇作为材料，这是一种溶于水的有机高聚物材料，无色透明且无毒无害，具有良好的成膜性。溶解聚乙烯醇牺牲层的溶剂是水，因此不会对硅晶元和传感器造成损伤，也不会对环境造成污染。反应离子刻蚀工艺可以较好的键合上电极层，中间电介质层和下电极层，其具有较高的封装强度。该方法包括以下步骤：
首先，制备上下电极
(1)依次采用丙酮、异丙醇和去离子水13对4英寸硅晶元3的抛光面进行清洗，之后用氮气吹干；
(2)将牺牲层溶液，即10％聚乙烯醇水溶液4旋涂在硅晶元3的抛光面上，旋涂速度为500～1000转/分钟，时间为1～10分钟，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为80～100℃，时间为5～20分钟，使得水受热蒸发，聚乙烯醇固化成膜4；
(3)将聚二甲基硅氧烷旋涂在涂覆有牺牲层4的硅晶元上作为底基层5，旋涂速度为800～1000转/分钟，时间为50～100s，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为80～100℃，时间为10～30分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜2；
(4)将掩膜板8贴附在聚二甲基硅氧烷2表面，然后将涂覆有聚二甲基硅氧烷2和牺牲层4的晶圆3放在磁控腔体内溅射一层铬和金，其中铬7溅射10nm～50nm厚，金6溅射50nm～200nm厚，当金或铬的厚度太薄时，其表面质量差，进而影响液态金属的填充，铬充当金和聚二甲基硅氧烷2之间的粘附层；
(5)在无氧手套箱内，用注射器将液态金属11填充在溅射有金6的电极图案9上，溅射的液态金属的厚度为20～50μm，同时用注射器吸走多余的液态金属；
(6)在经过上述步骤的晶圆3上再次旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂速度为800～1000转/分钟，时间为50～100s，之后将晶圆放在热板上加热，加热温度为80～100℃，时间为10～30分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜2，该聚二甲基硅氧烷膜的厚度为20～50μm之后将该晶圆放进装有去离子水的结晶皿14中进行水浴加热，聚乙烯醇牺牲层溶解12，完成电极层的制备；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的制备中间介质层的流程图，如图2所示，制备中间电介质，其中，步骤(7)～(16)是激光光刻技术(7)取洁净的4英寸硅晶圆3，使用丙酮进行多次(3次及以上)清洗，之后用氮气吹干；
(8)将SU8 2050号光刻胶17倒置在晶圆3表面，保证光刻胶17尽量在晶圆中心，用手握住晶圆3边缘使硅片倾倒缓慢旋转硅片使光刻胶17覆盖硅片大部分区域，静置20分钟消除光刻胶17在倒置过程中产生的气泡；
(9)旋涂光刻胶17，先采用旋涂速度为300～600转/分钟，时间为1～5分钟，接着采用1000～2500转/分钟旋涂1～10分钟，在此条件下得到的光刻胶厚度为70～80微米，然后静置20分钟左右，消除光刻胶17旋涂产生的波纹和内应力；
(10)前烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持3分钟和9分钟，然后自然冷却至室温；
(11)曝光，在准备好的掩膜版8图案下进行紫外19曝光，采用的是接触式光刻技术，本工艺采用的光刻机波长为365nm，光刻功率为15mW/m2，曝光时间为15s；
(12)后烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持2分钟和7分钟，然后自然冷却至室温；
(13)显影，在SU8 2050光刻胶专用显影液20中显影6分钟21，然后再异丙醇中定影1分钟，取出后用大量去离子水冲洗，氮气吹干；
(14)硬烘，从室温升温到45℃，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到200℃，在200℃保持30分钟，然后自然冷却至室温，至此光刻过程完成；
(15)将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液22，将进行完光刻的硅片3在该溶液中浸泡1小时，进行疏水处理，然后将硅片3用乙醇和去离子水进行冲洗，氮气吹干；
(16)将聚二甲基硅氧烷倒置在该硅片表面，完全覆盖住硅片表面，静置2小时23，之后将硅片放在热板上加热，温度为50～100℃，时间为10～20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜2，从光刻胶表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成微米柱图案的制作24；
(17)在完成清洗的硅片表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷溶液，旋涂速度为800～1000转/分钟，时间为40～90秒，与有微米柱图案的聚二甲基硅氧烷薄膜22的背面贴附，之后将硅片3放在热板上加热，加热温度为80～100℃，时间为10～20分钟，完成聚二甲基硅氧烷薄膜与硅片的粘接；
(18)将粘贴有微米柱的硅片3与氧气进行反应离子刻蚀，氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，之后与步骤(15)一样进行疏水处理；
(19)将聚二甲基硅氧烷旋涂在该硅片表面25，旋涂速度200～500转/分钟，旋涂时间为100～150秒，静置2小时，保证聚二甲基硅氧烷溶液充分浸入微米柱之间，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为60～90℃，时间为10～20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜2，从有微米柱的硅片表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，得到具有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜26，完成具有微米孔中间电介质层的制备15；
再者，制备摩擦层
(20)将聚二甲基硅氧烷旋涂在洁净的砂纸1表面，旋涂速度为800～1000转/分钟，旋涂时间为1～5分钟，之后将砂纸1放在热板上加热，加热温度为80～100℃，时间为10～20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜2，在此条件下得到的膜厚为80～100微米，从砂纸表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜；
最后，将上下电极层、摩擦层和中间介质层封装
(21)用反应离子刻蚀将带有砂纸表面结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，上电极层，带有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜25和下电极层粘贴在一起，然后放在热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为30分钟，加速键合粘合过程，反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，完成传感器的制备。
作为优化，电极材料采用镓合金，其镓，铟，锡的质量分数分别为68.5％，21.5％和10％。
作为优化，液态金属的填充在氧含量≤2ppm的手套箱内进行。
作为优化，制作微米孔的模具采用SU8 2050号光刻胶制备，光刻胶厚度控制在70±1微米。
作为优化，微米孔的制备采用二次倒模工艺制备，如步骤(7)-(19)所述，首先利用光刻制作微米孔，之后将聚二甲基硅氧烷旋涂在光刻胶上进行倒模，复制出微米柱图案，最后在微米柱上旋涂聚二甲基硅氧烷完成微米孔的制备。
作为优化，对聚二甲基硅氧烷薄膜疏水处理之前，将聚二甲基硅氧烷薄膜与氧气进行反应离子刻蚀。
作为优化，砂纸选用P1000，P600，P280三种型号砂纸。
作为优化，摩擦层表面粗糙度Ra为1.6μm～6.4μm。
作为优化，上下电极层之间的距离优选为50μm～200μm，上和下电极层的厚度优选为100μm～200μm，上下电极层的距离和厚度用于保证较大的电容，提升传感器抗干扰能力，微米孔的直径优选为70μm～210μm，以此降低传感器中间电介质层刚度，提升传感器灵敏度，同时保证传感器稳定性。
作为优化，柔性基体材料优选为PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET，以此保证传感器的可拉伸性。
作为优化，液态金属优选为镓合金，以此保证常温下电极为液态，保证传感器可拉伸性，同时无毒，比较安全。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1：
(1)依次采用丙酮、异丙醇和去离子水对4英寸硅晶元的抛光面进行清洗，之后用氮气吹干；
(2)将10％的聚乙烯醇水溶液旋涂在硅晶元的抛光面上，旋涂速度为500转/分钟，旋涂时间为10分钟，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为80℃，时间为20分钟，聚乙烯醇固化成膜；
(3)将聚二甲基硅氧烷旋涂在涂覆有牺牲层的硅晶元上，旋涂速度为800转/分钟，旋涂100秒，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为30分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜；
(4)将掩膜板贴附在聚二甲基硅氧烷表面，然后将涂覆有聚二甲基硅氧烷和牺牲层的晶圆放在磁控腔体内溅射一层铬和金，其中铬溅射10nm厚，金溅射200nm厚，铬充当金和聚二甲基硅氧烷之间的粘附层；
(5)在无氧手套箱内，用注射器将液态金属填充在溅射有金的电极图案上，同时用注射器吸走多余的液态金属，液态金属厚度为20微米左右；
(6)在经过上述步骤的晶圆上再次旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂速度为800转/分钟，时间为100秒，之后将晶圆放在热板上加热，加热温度80℃，时间30分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，在此条件下得到的膜厚为50微米；
其次，制备中间电介质，其中，步骤(7)～(16)是激光光刻技术
(7)取洁净的4英寸硅晶圆，使用丙酮进行多次(3次及以上)清洗，之后用氮气吹干；
(8)将SU8 2050号光刻胶倒置在晶圆表面，保证光刻胶尽量在晶圆中心，用手握住晶圆边缘使硅片倾倒缓慢旋转硅片使光刻胶覆盖硅片大部分区域，静置20分钟消除光刻胶在倒置过程中产生的气泡；
(9)旋涂光刻胶，首先用300转/分钟旋涂5分钟，接着用100转/分钟旋涂10分钟，在此条件下得到的光刻胶厚度为70微米，旋涂完毕后，静置20分钟，消除光刻胶因为旋涂产生的波纹；
(10)前烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持3分钟和9分钟，然后自然冷却至室温；
(11)曝光，在准备好的掩膜版图案下进行紫外曝光，采用的是接触式光刻技术，本工艺采用的光刻机波长为365nm，光刻功率为15mW/m2，曝光时间为15s；
(12)后烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持2分钟和7分钟，然后自然冷却至室温；
(13)显影，在SU8 2050光刻胶专用显影液中显影6分钟，然后再异丙醇中定影1分钟，取出后用大量去离子水冲洗，氮气吹干；
(14)硬烘，从室温升温到45℃，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到200℃，在200℃保持30分钟，然后自然冷却至室温，至此光刻过程完成；
(15)将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该溶液搅拌5分钟，将进行完光刻的硅片在该溶液中浸泡1小时，进行疏水处理，然后将硅片用乙醇和去离子水进行冲洗，氮气吹干；
(16)将聚二甲基硅氧烷倒置在该硅片表面，完全覆盖住硅片表面，静置2小时，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为100℃，时间为10分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从光刻胶表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成微米柱图案的制作；
(17)在完成清洗的硅片表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷溶液，旋涂速度为1000转/分钟，时间为90秒，与有微米柱图案的聚二甲基硅氧烷薄膜的背面贴附，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为80℃，时间为20分钟，完成聚二甲基硅氧烷薄膜与硅片的粘接；
(18)将粘贴有微米柱的硅片与氧气进行反应离子刻蚀，氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，之后与步骤(15)一样进行疏水处理；
(19)将聚二甲基硅氧烷旋涂在该硅片表面，旋涂速度为500转/分钟，旋涂时间为150秒，静置2小时，保证聚二甲基硅氧烷溶液充分浸入微米柱之间，加热温度为90℃，时间为10分钟，之后将硅片放在热板上加热，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从有微米柱的硅片表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成具有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜的制作；
再者，制备摩擦层
(20)将聚二甲基硅氧烷旋涂在洁净的砂纸表面，其中砂纸型号为P1000，旋涂速度为800转/分钟，旋涂时间为5分钟，之后将砂纸放在热板上加热，加热温度为80℃，时间为20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从砂纸表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜；
最后，将上下电极层、摩擦层和中间介质层封装
(21)用反应离子刻蚀将带有砂纸表面结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，上电极层，带有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜和下电极层粘贴在一起，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，然后放在热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为30分钟，加速键合粘合过程，完成传感器的制备。
实施例2：
(1)依次采用丙酮、异丙醇和去离子水对4英寸硅晶元的抛光面进行清洗，之后用氮气吹干；
(2)将10％的聚乙烯醇水溶液旋涂在硅晶元的抛光面上，旋涂速度为1000转/分钟，旋涂时间为1分钟，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为100℃，时间为5分钟，聚乙烯醇固化成膜；
(3)将聚二甲基硅氧烷旋涂在涂覆有牺牲层的硅晶元上，旋涂速度为1000转/分钟，旋涂50秒，之后将硅晶元放在热板上加热，即热温度为100℃，加热时间为10分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜；
(4)将掩膜板贴附在聚二甲基硅氧烷表面，然后将涂覆有聚二甲基硅氧烷和牺牲层的晶圆放在磁控腔体内溅射一层铬和金，其中铬溅射50nm厚，金溅射50nm厚，铬充当金和聚二甲基硅氧烷之间的粘附层；
(5)在无氧手套箱内，用注射器将液态金属填充在溅射有金的电极图案上，同时用注射器吸走多余的液态金属，液态金属厚度为50微米左右；
(6)在经过上述步骤的晶圆上再次旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂速度为1000转/分钟，时间为80秒，之后将晶圆放在热板上加热，加热温度100℃，时间10分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，在此条件下得到的膜厚为50微米；
其次，制备中间电介质，其中，步骤(7)～(16)是激光光刻技术
(7)取洁净的4英寸硅晶圆，使用丙酮进行多次(3次及以上)清洗，之后用氮气吹干；
(8)将SU8 2050号光刻胶倒置在晶圆表面，保证光刻胶尽量在晶圆中心，用手握住晶圆边缘使硅片倾倒缓慢旋转硅片使光刻胶覆盖硅片大部分区域，静置20分钟消除光刻胶在倒置过程中产生的气泡；
(9)旋涂光刻胶，首先用600转/分钟旋涂1分钟，接着用2500转/分钟旋涂1分钟，在此条件下得到的光刻胶厚度为80微米，旋涂完毕后，静置20分钟，消除光刻胶因为旋涂产生的波纹；
(10)前烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持3分钟和9分钟，然后自然冷却至室温；
(11)曝光，在准备好的掩膜版图案下进行紫外曝光，采用的是接触式光刻技术，本工艺采用的光刻机波长为365nm，光刻功率为15mW/m2，曝光时间为15s；
(12)后烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持2分钟和7分钟，然后自然冷却至室温；
(13)显影，在SU8 2050光刻胶专用显影液中显影6分钟，然后再异丙醇中定影1分钟，取出后用大量去离子水冲洗，氮气吹干；
(14)硬烘，从室温升温到45℃，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到200℃，在200℃保持30分钟，然后自然冷却至室温，至此光刻过程完成；
(15)将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该溶液搅拌5分钟，将进行完光刻的硅片在该溶液中浸泡1小时，进行疏水处理，然后将硅片用乙醇和去离子水进行冲洗，氮气吹干；
(16)将聚二甲基硅氧烷倒置在该硅片表面，旋涂速度为500转/分钟，时间为150秒，完全覆盖住硅片表面，静置2小时，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为50℃，时间为20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从光刻胶表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成微米柱图案的制作；
(17)在完成清洗的硅片表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷溶液，旋涂速度为800转/分钟，时间为40秒，与有微米柱图案的聚二甲基硅氧烷薄膜的背面贴附，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为100℃，时间为10分钟，完成聚二甲基硅氧烷薄膜与硅片的粘接；
(18)将粘贴有微米柱的硅片与氧气进行反应离子刻蚀，氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，之后与步骤(15)一样进行疏水处理；
(19)将聚二甲基硅氧烷旋涂在该硅片表面，旋涂速度为200转/分钟，时间100秒，静置2小时，保证聚二甲基硅氧烷溶液充分浸入微米柱之间，加热温度为60℃，时间为20分钟，之后将硅片放在热板上加热，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从有微米柱的硅片表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成具有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜的制作；
再者，制备摩擦层
(20)将聚二甲基硅氧烷旋涂在洁净的砂纸表面，其中砂纸型号为P600，旋涂速度为1000转/分钟，旋涂时间为1分钟，之后将砂纸放在热板上加热，加热温度为100℃，时间为10分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从砂纸表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，在此条件下得到的膜厚为80微米；
最后，将上下电极层、摩擦层和中间介质层封装
(21)用反应离子刻蚀将带有砂纸表面结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，上电极层，带有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜和下电极层粘贴在一起，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，然后放在热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为30分钟，加速键合粘合过程，完成传感器的制备。
实施例3：
(1)依次采用丙酮、异丙醇和去离子水对4英寸硅晶元的抛光面进行清洗，之后用氮气吹干；
(2)将10％的聚乙烯醇水溶液旋涂在硅晶元的抛光面上，旋涂速度为800转/分钟，旋涂时间为2分钟，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为90℃，时间为10分钟，聚乙烯醇固化成膜；
(3)将聚二甲基硅氧烷旋涂在涂覆有牺牲层的硅晶元上，旋涂速度为900转/分钟，旋涂90秒，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为90℃，加热时间为20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜；
(4)将掩膜板贴附在聚二甲基硅氧烷表面，然后将涂覆有聚二甲基硅氧烷和牺牲层的晶圆放在磁控腔体内溅射一层铬和金，其中铬溅射30nm厚，金溅射100nm厚，铬充当金和聚二甲基硅氧烷之间的粘附层；
(5)在无氧手套箱内，用注射器将液态金属填充在溅射有金的电极图案上，同时用注射器吸走多余的液态金属，液态金属厚度为30微米左右；
(6)在经过上述步骤的晶圆上再次旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂速度为900转/分钟，时间为90秒，之后将晶圆放在热板上加热，加热温度90℃，时间20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，在此条件下得到的膜厚为40微米；
其次，制备中间电介质，其中，步骤(7)～(16)是激光光刻技术
(7)取洁净的4英寸硅晶圆，使用丙酮进行多次(3次及以上)清洗，之后用氮气吹干；
(8)将SU8 2050号光刻胶倒置在晶圆表面，保证光刻胶尽量在晶圆中心，用手握住晶圆边缘使硅片倾倒缓慢旋转硅片使光刻胶覆盖硅片大部分区域，静置20分钟消除光刻胶在倒置过程中产生的气泡；
(9)旋涂光刻胶，首先用500转/分钟旋涂1分钟，接着用2500转/分钟旋涂1分钟，在此条件下得到的光刻胶厚度为75微米，旋涂完毕后，静置20分钟，消除光刻胶因为旋涂产生的波纹；
(10)前烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持3分钟和9分钟，然后自然冷却至室温；
(11)曝光，在准备好的掩膜版图案下进行紫外曝光，采用的是接触式光刻技术，本工艺采用的光刻机波长为365nm，光刻功率为15mW/m2，曝光时间为15s；
(12)后烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持2分钟和7分钟，然后自然冷却至室温；
(13)显影，在SU8 2050光刻胶专用显影液中显影6分钟，然后再异丙醇中定影1分钟，取出后用大量去离子水冲洗，氮气吹干；
(14)硬烘，从室温升温到45℃，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到200℃，在200℃保持30分钟，然后自然冷却至室温，至此光刻过程完成；
(15)将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该溶液搅拌5分钟，将进行完光刻的硅片在该溶液中浸泡1小时，进行疏水处理，然后将硅片用乙醇和去离子水进行冲洗，氮气吹干；
(16)将聚二甲基硅氧烷倒置在该硅片表面，旋涂速度为500转/分钟，时间为150秒，完全覆盖住硅片表面，静置2小时，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为90℃，时间为15分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从光刻胶表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成微米柱图案的制作；
(17)在完成清洗的硅片表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷溶液，旋涂速度为900转/分钟，时间为80秒，与有微米柱图案的聚二甲基硅氧烷薄膜的背面贴附，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为90℃，时间为15分钟，完成聚二甲基硅氧烷薄膜与硅片的粘接；
(18)将粘贴有微米柱的硅片与氧气进行反应离子刻蚀，氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，之后与步骤(15)一样进行疏水处理；
(19)将聚二甲基硅氧烷旋涂在该硅片表面，旋涂速度为400转/分钟，时间120秒，静置2小时，保证聚二甲基硅氧烷溶液充分浸入微米柱之间，加热温度为80℃，时间为15分钟，之后将硅片放在热板上加热，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从有微米柱的硅片表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成具有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜的制作；
再者，制备摩擦层
(20)将聚二甲基硅氧烷旋涂在洁净的砂纸表面，其中砂纸型号为P280，涂速度为900转/分钟，旋涂时间为2分钟，之后将砂纸放在热板上加热，加热温度为90℃，时间为15分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从砂纸表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，在此条件下得到的膜厚为90微米；
最后，将上下电极层、摩擦层和中间介质层封装
(21)用反应离子刻蚀将带有砂纸表面结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，上电极层，带有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜和下电极层粘贴在一起，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，然后放在热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为30分钟，加速键合粘合过程，完成传感器的制备。
实施例4：
(1)依次采用丙酮、异丙醇和去离子水对4英寸硅晶元的抛光面进行清洗，之后用氮气吹干；
(2)将10％的聚乙烯醇水溶液旋涂在硅晶元的抛光面上，旋涂速度为70转/分钟，旋涂时间为3分钟，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为85℃，时间为14分钟，聚乙烯醇固化成膜；
(3)将聚二甲基硅氧烷旋涂在涂覆有牺牲层的硅晶元上，旋涂速度为800转/分钟，旋涂80秒，聚二甲基硅氧烷固化成膜，之后将硅晶元放在热板上加热，加热温度为850℃，加热时间为15分钟，得到薄膜厚度为50微米；
(4)将掩膜板贴附在聚二甲基硅氧烷表面，然后将涂覆有聚二甲基硅氧烷和牺牲层的晶圆放在磁控腔体内溅射一层铬和金，其中铬溅射40nm厚，金溅射300nm厚，铬充当金和聚二甲基硅氧烷之间的粘附层；
(5)在无氧手套箱内，用注射器将液态金属填充在溅射有金的电极图案上，同时用注射器吸走多余的液态金属，液态金属厚度为40微米左右；
(6)在经过上述步骤的晶圆上再次旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂速度为850转/分钟，时间为70秒，之后将晶圆放在热板上加热，加热温度90℃，时间20分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，在此条件下得到的膜厚为30微米；
其次，制备中间电介质，其中，步骤(7)～(16)是激光光刻技术
(7)取洁净的4英寸硅晶圆，使用丙酮进行多次(3次及以上)清洗，之后用氮气吹干；
(8)将SU8 2050号光刻胶倒置在晶圆表面，保证光刻胶尽量在晶圆中心，用手握住晶圆边缘使硅片倾倒缓慢旋转硅片使光刻胶覆盖硅片大部分区域，静置20分钟消除光刻胶在倒置过程中产生的气泡；
(9)旋涂光刻胶，首先用400转/分钟旋涂1分钟，接着用2500转/分钟旋涂4分钟，在此条件下得到的光刻胶厚度为75微米，旋涂完毕后，静置20分钟，消除光刻胶因为旋涂产生的波纹；
(10)前烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持3分钟和9分钟，然后自然冷却至室温；
(11)曝光，在准备好的掩膜版图案下进行紫外曝光，采用的是接触式光刻技术，本工艺采用的光刻机波长为365nm，光刻功率为15mW/m2，曝光时间为15s；
(12)后烘，从室温升温到45℃，为防止光刻胶表面因内应力产生褶皱，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到95℃，分别在65℃和95℃保持2分钟和7分钟，然后自然冷却至室温；
(13)显影，在SU8 2050光刻胶专用显影液中显影6分钟，然后再异丙醇中定影1分钟，取出后用大量去离子水冲洗，氮气吹干；
(14)硬烘，从室温升温到45℃，然后以10℃为一个梯度进行升温，从45℃升温到200℃，在200℃保持30分钟，然后自然冷却至室温，至此光刻过程完成；
(15)将乙醇和三氯硅烷按照1:1000的体积比配置为疏水溶液，用磁力搅拌器将该溶液搅拌5分钟，将进行完光刻的硅片在该溶液中浸泡1小时，进行疏水处理，然后将硅片用乙醇和去离子水进行冲洗，氮气吹干；
(16)将聚二甲基硅氧烷倒置在该硅片表面完全覆盖住硅片表面，静置2小时，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为80℃，时间为15分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从光刻胶表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成微米柱图案的制作；
(17)在完成清洗的硅片表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷溶液，旋涂速度为850转/分钟，时间为70秒，与有微米柱图案的聚二甲基硅氧烷薄膜的背面贴附，之后将硅片放在热板上加热，加热温度为90℃，时间为15分钟，完成聚二甲基硅氧烷薄膜与硅片的粘接；
(18)将粘贴有微米柱的硅片与氧气进行反应离子刻蚀，氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，之后与步骤(15)一样进行疏水处理；
(19)将聚二甲基硅氧烷旋涂在该硅片表面，旋涂速度为300转/分钟，时间120秒，静置2小时，保证聚二甲基硅氧烷溶液充分浸入微米柱之间，加热温度为70℃，时间为20分钟，之后将硅片放在热板上加热，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从有微米柱的硅片表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，完成具有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜的制作；
再者，制备摩擦层
(20)将聚二甲基硅氧烷旋涂在洁净的砂纸表面，其中砂纸型号为P280，涂速度为850转/分钟，旋涂时间为4分钟，之后将砂纸放在热板上加热，加热温度为90℃，时间为10分钟，聚二甲基硅氧烷固化成膜，从砂纸表面剥离聚二甲基硅氧烷薄膜，在此条件下得到的膜厚为85微米；
最后，将上下电极层、摩擦层和中间介质层封装
(21)用反应离子刻蚀将带有砂纸表面结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，上电极层，带有微米孔的聚二甲基硅氧烷薄膜和下电极层粘贴在一起，其中反应离子刻蚀参数为：氧气流量为20毫升/分钟，反应腔内压强为70帕，射频功率为90瓦，反应时间90秒，然后放在热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为30分钟，加速键合粘合过程，完成传感器的制备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，该传感器包括上电极层、中间介质层和下电极层，其中：
所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该基体材料中的液态金属，所述上电极层的表面积大于所述下电极层的表面积，使得二者之间产生电容的边缘效应；所述中间介质层介于所述上和下电极层之间，材料为与所述上和下电极相同的柔性基体材料，该中间层中设置有多个微米级的孔形成微米孔结构；
当所述传感器受到压力、拉力或被导体靠近时，上下电极层之间的电容发生变化，通过测量所述传感器电容的变化获得该传感器受到的压力、拉力或导体与所述传感器之间的距离的大小；
当待测对象与所述上电极层摩擦发生时，通过测量所述上电极层中电压的变化获得待测对象对所述上层电极施加的压力大小。
2.如权利要求1所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述上电极层上还设置有摩擦层，该摩擦层采用与上电极层相同的柔性基体材料，其表面粗糙度Ra为1.6μm～6.4μm，当待测对象采用15KPa以下的力与该摩擦层发生摩擦时，通过检测所述上电极层上电压的变化获得待测对象施加的力的大小，提高所述传感器的灵敏度。
3.如权利要求1或2所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述上下电极层之间的距离优选为50μm～200μm，上和下电极层的厚度优选为100μm～200μm，所述微米孔的直径优选为70μm～210μm。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述柔性基体材料优选为PDMS、ecoflex、PI、PTFE或PET。
5.如权利要求1-3任一项所述的一种多功能传感的柔性传感器，其特征在于，所述液态金属优选采用镓合金。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的多功能传感的柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)制备上和下电极层
(a1)选取基板和牺牲层溶液，将牺牲层溶液旋涂在所述基板上，待所述牺牲层溶液固化后在所述基体上形成牺牲层，在该牺牲层上旋涂所述柔性基体材料的溶液，固化后在所述牺牲层上形成柔性基体层，
(a2)在所述柔性基体层贴附掩膜版，在该掩膜版上溅射粘附层，然后在粘附层上溅射液态金属，去除所述掩膜版，其中，所述粘附层用于粘结柔性基体层和液态金属；
(a3)在溅射有液态金属的柔性基体层上再次旋涂所述柔性基体层溶液，固化后所述液态金属镶嵌在所述柔性基体层中，将基板放入水中，所述牺牲层溶于水使得柔性基体层与所述基板分离，以此获得上或者下电极；
(b)制备中间介质层
(b1)制备设置有微米柱的模具，选取基板，在基板上旋涂所述柔性基体层的溶液，固化后形成在所述基板上形成柔性基体层，将所述模具贴附在所述柔性基体层表面，加热使得所述模具与所述基板连接；
(b2)将粘附有模具的基板表面进行疏水处理，然后将所述柔性基体层的溶液旋涂在所述模具上，待所述柔性基体层固化后从所述模具上剥离，以此获得具有微米孔的中间介质层；
(c)采用反应离子刻蚀的方式将所述上电极层、中间介质层和下电极层从上自下依次粘结在一起，以此获得所需的柔性传感器。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(a2)中，所述粘附层优选包括上下两层，下层为10nm～50nm厚的金，上层为50nm～200nm厚的铬，其中，所述金用于连接所述柔性基体材料与铬，所述铬用于连接所述金与所述柔性基体材料。
8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括制备所述摩擦层，按照下列步骤进行，将所述柔性基体材料的溶液旋涂在砂纸表面，固化成膜后将成膜后的柔性基体材料从所述砂纸上剥离，以此获得所需的摩擦层，将该摩擦层采用反应离子刻蚀的方式粘结在所述上电极层上，获得带有摩擦层的柔性传感器。
9.如权利要求6-8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(b1)中，制备设置有微米柱的模具优选按照下列步骤：
(b11)选取基板，在基板上旋涂光刻胶，待光刻胶固化后在其表面贴附掩膜版，然后利用激光光刻的方式在所述光刻胶表面形成多个微米孔；
(b12)去除所述掩膜版，对有微米孔的光刻胶表面进行疏水处理，然后在疏水处理后的光刻胶表面旋涂所述柔性基体材料的溶液，待其固化成膜后将所述柔性基体材料从所述光刻胶表面剥离，以此获得表面具有微米柱的柔性基体材料，即表面设置有微米柱的模具。
10.如权利要求6-8所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲层溶液优选为溶于水的溶液，例如，聚乙烯醇溶液。
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| PB01 | Publication | ||
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