CN110412210A - 致动传感模块 - Google Patents
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Abstract
本案提供一种致动传感模块，包含：第一基板，设有控制电路；第二基板，具有气体入口及气体出口，第二基板与第一基板叠合后形成气体通道，气体入口、气体通道及气体出口相互连通以形成一气流回路；致动装置，设置于第二基板的气体出口，并电性连接控制电路；以及传感器，设置于气流回路中与气体入口错位设置并与致动装置间隔设置，传感器电性连接控制电路；透过驱动致动装置，将外界的气体经由气体入口导入气体通道，并使气体在流经传感器之后由气体出口排出，以供传感器对循环的气体进行监测。
Description
【技术领域】
本案是关于一种致动传感模块，尤指一种透过气体循环的方式感测气体的致动传感模块。
【背景技术】
目前人类在生活上对环境的监测要求愈来愈重视，例如一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机物(Volatile Organic Compound，VOC)、PM2.5等等环境的监测，环境中这些气体暴露会对人体造成不良的健康影响，严重的甚至危害到生命，因此，环境气体监测纷纷引起各国重视，并渐渐成为生活中不可忽略的课题。
然而，现有的技术中，环境气体检测仪器体积过大，例如：空气滤净机，且不便于使用者随身携带，因此，使用者欲即使取得周遭环境的气体信息仍具有一定的难度，且使用者仍很有可能因此暴露在具有危害人体的气体的环境之中。是以，如何随时随地取得周遭环境的气体信息实为当前极需解决的问题。
除此之外，已知的环境气体检测仪器中并没有防水、防尘的功能，若于气体流通的过程中有水气或液体流入仪器之中，易使输出的气体含水气，进而导致用以感测气体的电子元件遭致受潮、生锈，甚至是损坏的风险。此外，已知的环境气体检测仪器亦没有防尘功能，若于气体流通的过程中有粉尘进入环境气体检测仪器之中，亦有可能导致元件受损、气体传输效率下降等等的问题。是以，如何使环境气体检测仪器达到防水、防尘的目的同样为当前极需解决的课题。
因此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失，可使环境气体检测的仪器或设备达到体积小、微型化且静音的目的，并兼具防水及防尘的功能，实为目前迫切需要解决的问题。
【发明内容】
本案的主要目的在于提供一种致动传感模块，借由压电膜高频作动产生的气体波动，于设计后的流道中产生压力梯度，而使气体高速流动，且透过流道进出方向的阻抗差异，将气体由吸入端传输至排出端，俾解决已知技术的采用气体传输装置的仪器或设备所具备的体积大、难以薄型化、无法达成可携式的目的，以及噪音大等缺失。
本案的另一主要目的在于提供一种同时兼具防水、防尘功能的致动传感模块，借由防护膜的设置以过滤水气及粉尘，俾解决已知的气体传输装置于气体输送的过程中，有水气或粉尘进入气体传输装置，进而导致元件受损、气体传输效率下降等等的问题。
为达上述目的，本案的一较广义实施样态为提供一种致动传感模块，包含：一第一基板，设有至少一控制电路；一第二基板，具有一气体入口及一气体出口，该第二基板与该第一基板叠合后形成一气体通道，该气体入口、该气体通道及该气体出口相互连通以形成一气流回路；至少一致动装置，设置于该第二基板的该气体出口，并电性连接该至少一控制电路；以及至少一传感器，设置于该气流回路中与该气体入口错位设置且与该至少一致动装置隔离，该至少一传感器电性连接该至少一控制电路；透过驱动该致动装置，将外界的一气体经由该气体入口导入该气体通道，并使该气体在流经该传感器之后由该气体出口排出，以供该传感器对循环的该气体进行监测。
【附图说明】
图1为本案的一较佳实施例的致动传感模块的结构示意图。
图2A为本案的一较佳实施例的致动装置的正面分解结构示意图。
图2B为图2A所示的致动装置的背面分解结构示意图。
图3A为图2A所示的致动装置的致动膜的正面结构示意图。
图3B为图2A所示的致动装置的致动膜的背面结构示意图。图3C为图2A所示的致动装置的致动膜的剖面结构示意图。图4A至图4E为图2B所示的致动装置的作动示意图。
【符号说明】
1：致动传感模块
10：第一基板
101：凹槽
11：第二基板
111：气体入口
112：气体出口
12：致动装置
121：入口板
1210：进气孔
1211：汇流腔室
122：共振膜
1220：中空孔洞
1221：压缩腔室
123：致动膜
1230：悬浮部
1230a：悬浮部的上表面
1230b：悬浮部的下表面
1230c：凸部
1231：外框部
1231a：外框部的上表面
1231b：外框部的下表面
1232：连接部
1232a：连接部的上表面
1232b：连接部的下表面
1235：间隙
124：压电膜
13：传感器
14：第一控制电路
15：第二控制电路
16：第一防护膜
17：第二防护膜
18：气体通道
g0：隔体
【具体实施方式】
体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本案。
本案的致动传感模块是用于感测周遭环境的空气品质，并同时兼具防水、防尘及静音的效果，可应用于手机、平板电脑、穿戴式装置或任何建构以包含微处理器、RAM等零件的类似行动式电子设备。请参阅图1，其为本案的一较佳实施例的致动传感模块的结构示意图。如图所示，致动传感模块1包含第一基板10、第二基板11、致动装置12以及传感器13。第一基板10设有至少一控制电路，而本实施例的第一基板10共设有二控制电路，其皆为集成电路，分别为一第一控制电路14及一第二控制电路15。其中，第一控制电路14电性连接致动装置12以提供驱动电源及驱动控制，而第二控制电路15则电性连接传感器13，不仅提供驱动电源，并以计算处理传感器13所产生的感测数据。在本案的另一些实施例中，第一基板10也可以仅设有一控制电路，且透过该单一个控制电路电性连接致动装置12与传感器13，以提供驱动电源并处理传感器13所产生的感测数据。
第二基板11穿设一气体入口111以及一气体出口112，且致动装置12装设于气体出口112。当第一基板10与第二基板11叠合之后，第一基板10与第二基板11之间形成一气体通道18，且气体入口111、气体通道18及气体出口112依序相互连通，形成一气体回路。本实施例的第一基板10更开设一凹槽101，气体通道18形成于第一基板10的凹槽101与第二基板11之间，形成较为节省空间的结构设计，将致动装置12容纳于凹槽101内，可压缩致动传感模块1整体结构的厚度，使其具有轻薄的体积。
在本案的较佳实施例中，第一基板10为一芯片，可为但不限于一特殊应用芯片(ASIC)或者系统单芯片(SOC)，第二基板11则为一芯片盖板，封装于第一基板10上。第一基板10透过半导体制程成型出凹槽101，并且透过半导体制程将第一控制电路14及第二控制电路15封装于其上。第二基板11亦透过半导体制程成型出气体入口111及气体出口112，并且透过半导体制程将致动装置12封装于第二基板11的气体出口112。
请继续参阅图1，在本实施例中，致动装置12封闭设置于第二基板11的气体出口112，且电性连接第一控制电路14以获取驱动电源。致动装置12是用以驱动气体，其本身包含多个进气孔1210，以在致动装置12封闭设置于气体出口112的情况下，使气体通道18内的气体受驱动后透过进气孔1210进入致动装置12内，间接通过气体出口112导出致动传感模块1外部时，气体通道18中形成负压，再通过气体入口111吸入空气，重复上述动作以持续地传输气体。本实施例的致动装置12为一共振式压电气体泵。致动装置12的结构将于说明书后段进一步详述。
请继续参阅图1，传感器13设置于上述气体入口111、气体通道18及气体出口112依序相互连通所形成的气流回路中并邻近于气体入口111，以第一时间感测进入该气流回路的气体中至少一特定标的物的浓度。在本实施例中，传感器13设置于第一基板10并邻近第二基板11的气体入口111，且与气体入口111错位设置，如此气体入口111所导入气流不直接对应到传感器13表面，得以保持一稳定气流经过传感器13表面，进而不影响到传感器13的感测精度。在本实施例中，传感器13透过半导体制程设置于第一基板10，且电性连接第二控制电路15，以传送所感测的数据至第二控制电路15，供其进行计算及处理。传感器13可包含氧气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、臭氧传感器及挥发性有机物传感器的至少其中之一或其组合，但不以此为限，可依据实际情形任施变化。
于本实施例中，透过致动装置12的致能驱动可产生气压差，使致动传感模块1外的气体，经由第二基板11的气体入口111进入气体通道18，并在流经传感器13之后，由第二基板11的气体出口112排出致动传感模块1之外，借此使传感器13监测周遭环境气体中至少一特定标的物的浓度，俾取得即时环境空气监测的相关信息。同时，透过致动装置12致能驱动，促使气体循环的速度加快，传感器13可检测到最即时的环境气体信息。如此一来，一旦检测到周遭环境含有有毒气体或危险气体时，便可提示使用者立即采取防护措施，进而避免气体中毒、气体爆炸等情形发生。
请继续参阅图1，致动传感模块1更包含至少一第一防护膜16以及一第二防护膜17。第一防护膜16封闭设置于气体入口111；第二防护膜17则封闭设置于气体出口112。由于第一防护膜16与第二防护膜17皆为防水、防尘且可供气体穿透的膜状结构，其设置可避免水气、粉尘由气体入口111进入气体通道18中，亦可避免水气、粉尘由气体出口112逆向进入气体通道18中，使气体通道18内部保持干燥、无尘的状态，进而达到避免气体通道18内部所设置的元件因水气而导致生锈、受损或因粉尘堆积而导致元件损坏等功效。
于本案的较佳实施例中，第一防护膜16及第二防护膜17的防护等级均可为但不限为国际防护等级认证(International Protection Marking,IEC 60529)IP64的等级，即防尘等级为6(完全防尘，粉尘无法进入)；防水等级为4(防泼溅，水从任何角度泼溅到设备上均无负面效果)。于本案的另一些实施例中，第一防护膜16及第二防护膜17的防护等级是为国际防护等级认证IP68的等级，即防尘等级为6；防水等级为8(持续浸入水中无负面效果)。第一防护膜16及第二防护膜17的防护等级，亦可为国际防护等级认证IP65、IP66或IP67的等级，但均不以此为限。
请同时参阅图2A及图2B，图2A为本案的一较佳实施例的致动装置的正面分解结构示意图。图2B为图2A所示的致动装置的背面分解结构示意图。本实施例的致动装置12为一共振式压电气体泵，为了方便说明与突显结构的特征，将致动装置12的结构进行分解，然此并非用以说明其为可拆解的结构。如图所示，本实施例的致动装置12主要包含入口板121、共振膜122、致动膜123及压电膜124，且入口板121、共振膜122、致动膜123及压电膜124依序堆叠以构成本实施例的致动装置12。共振膜122与致动膜123之间具有压缩腔室1221(如图4A所示)，但不以此为限，可依据实际情形任施变化。
请同时参阅图2A及图2B，于本实施例中，多个进气孔1210是设置于入口板121上，且本实施例的进气孔1210的数量是为4个，但不以此为限，其数量可依据实际需求任施变化，主要用以供气体自装置外顺应大气压力的作用经由进气孔1210流入致动装置12内。本实施例的入口板121更具有汇流腔室1211(显示于图2B)，且汇流腔室1211连通至多个进气孔1210，借此将自进气孔1210进入的气体引导并汇流集中，以供气体的暂存及传递。且共振膜122具有中空孔洞1220，中空孔洞1220对应于入口板121的下表面的汇流腔室1211而设置，以使气体可向下流通。
请同时参阅图2A至图3C。图3A为图2A所示的致动装置的致动膜的正面结构示意图；图3B为图2A所示的致动装置的致动膜的背面结构示意图；图3C为图2A所示的致动装置的致动膜的剖面结构示意图。如图所示，本实施例的致动膜123更具有悬浮部1230、外框部1231及多个连接部1232，其中多个连接部1232连接于悬浮部1230以及外框部1231之间，每一个连接部1232的一端连接外框部1231，另一端则连接悬浮部1230，且每一连接部1232、悬浮部1230及外框部1231之间更定义出多个间隙1235以供气体流通。悬浮部1230、外框部1231及连接部1232的设置方式、实施态样及数量均不以此为限，可依据实际情形变化。
于本实施例中，悬浮部1230为一阶梯面的结构，意即悬浮部1230的上表面1230a更具有一凸部1230c，凸部1230c可为但不限为一圆形凸起结构。如图3A至图3C所示，悬浮部1230的凸部1230c与外框部1231的上表面1231a共平面，且悬浮部1230的上表面1230a及连接部1232的上表面1232a亦为共平面。悬浮部1230的凸部1230c及所共平面之外框部1231的上表面1231a，对应悬浮部1230的上表面1230a及连接部1232的上表面1232a，前二者与后二者之间具有一特定深度；如图3B及图3C所示，悬浮部1230的下表面1230b与外框部1231的下表面1231b及连接部1232的下表面1232b为平整的共平面结构，但均不以此为限。
请继续参阅图2A及图3B，本实施例的压电膜124贴附于致动膜123的悬浮部1230的下表面1230b，用以驱动致动膜123沿垂直方向进行往复式振动，并带动共振膜122振动，借此使共振膜122与致动膜123之间的压缩腔室1221(显示于图4B)产生压力变化，借此传输气体。
于本实施例中，当压电膜124驱动致动膜123时，气体由入口板121的多个进气孔1210进入汇流腔室1211，并流经共振膜122的中空孔洞1220进入压缩腔室1221内，并由致动膜123的多个间隙1235流出，借此将气体导入气体通道18的中。
请同时参阅图2A、图2B及图4A至图4E，其中图4A至图4E为图2B所示的致动装置的作动示意图。首先，如图4A所示，致动装置12是依序由入口板121、共振膜122、致动膜123及压电膜124堆叠而构成，其中共振膜122与致动膜123之间具有可为粘胶层的一隔体g0，以使共振膜122与致动膜123的悬浮部1230的凸部1230c之间维持该隔体g0的深度，进而可导引气流更迅速地流动，且因悬浮部1230的凸部1230c与共振膜122保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音产生可被降低。于另一些实施例中，亦可借由加高致动膜123之外框部1231的高度形成隔体g0，以使其与共振膜122组装时增加一间隙，但不以此为限。
请续参阅图4A至图4E，如图所示，共振膜122的中空孔洞1220与入口板121的汇流腔室1211间共同定义形成汇流气体的腔室，且共振膜122与致动膜123之间共同定义形成压缩腔室1221，用以暂存气体，且压缩腔室1221是透过共振膜122的中空孔洞1220而与入口板121下表面的汇流腔室1211相连通，且压缩腔室1221的两侧则由致动膜123的支架部分1232之间的间隙1235而与设置于其下的气体通道18(如图1所示)相连通。
当致动装置12作动时，主要由致动膜123受电压致动而以支架部分1232为支点，进行垂直方向的往复式振动。如图4B所示，当致动膜123受电压致动而向下振动时，则气体由入口板121上的多个进气孔1210进入，并汇集到汇流腔室1211处，再经由共振膜122上与汇流腔室1211对应设置的中空孔洞1220向下流入至压缩腔室1221中，其后，由于受致动膜123振动的带动，共振膜122亦会随的共振而进行垂直的往复式振动，如图4C所示，则为共振膜122亦随的向下振动，并贴附抵触于致动膜123的悬浮部1230的凸部1230c上，借由此共振膜122的形变，以压缩压缩腔室1221的体积，并关闭压缩腔室1221中间流通空间，促使其内的气体推挤向两侧流动，进而经过致动膜123的连接部1232之间的间隙1235而向下穿越流动。至于图4D则为其共振膜122回复至初始位置，而致动膜123受电压驱动以向上振动，如此同样挤压压缩腔室1221的体积，惟此时由于致动膜123是向上抬升，该抬升的位移可为d，因而使得压缩腔室1221内的气体会朝两侧流动，进而带动气体持续地经由第一防护膜16过滤，并自入口板121上的进气孔1210进入，再流入汇流腔室1211所形成的腔室中，再如图4E所示，共振膜122受致动膜123向上抬升的振动而共振向上，进而使汇流腔室1211内的气体再由共振膜122的中空孔洞1220而流入压缩腔室1221内，并经由致动膜123的连接部1232之间的间隙1235而向下穿越流出致动装置12。如此一来，在经此致动装置12的流道设计中产生压力梯度，使气体高速流动，并透过流道进出方向的阻抗差异，将气体由吸入端传输至排出端，且在排出端有气压的状态下，仍有能力持续推出气体，并可达到静音的效果。于一些实施例中，共振膜122的垂直往复式振动频率是可与致动膜123的振动频率相同，即两者可同时向上或同时向下，其是可依照实际施作情形而任施变化，并不以本实施例所示的作动方式为限。
于本案的另一实施例中，致动装置12亦可为一微机电系统气体泵(Microelectromechanical Systems,MEMS)，透过干、湿蚀刻的方式进行材料表面的微加工，以制成一体成型的微型气体泵，包括一入口板121，具有至少一进气孔1210及一汇流腔室1211；一共振膜122，为以面型微加工技术(Surface micromachining)制成其具挠性的悬浮结构，具有一中空孔洞1220；一致动膜123，为面型微加工技术制成的中空悬浮结构，且致动膜123的材料为一金属材料薄膜或一多晶硅薄膜，致动膜123具有一悬浮部1230、一外框部1231及至少一连接部1232，至少一连接部1232在悬浮部1230与外框部1231之间定义至少一间隙1235；以及一压电膜124，则为一以溶胶凝胶法(Sol-gel method)制成的金属氧化物薄膜，但均不以此为限，压电膜124贴附于悬浮部1230的一表面；其中，入口板121、共振膜122及致动膜123是依序对应堆叠设置，且在共振膜122与致动膜123之间形成一压缩腔室1221，当压电膜124驱动致动膜123时，气体由入口板121的至少一进气孔1210进入汇流腔室1211，流经该共振膜122的中空孔洞1220进入压缩腔室1221内，并由至少一间隙1235排出，借此以将气体导入该气体通道18之中。
综上所述，本案所提供的致动传感模块，透过致动装置的启动于气体通道内产生压力梯度，使气体经由第一防护膜过滤水气及粉尘，气体于过滤后自气体入口进入气体通道内，再由邻近于气体入口的传感器第一时间对进入气体通道的空气做检测，以取得致动传感模块周遭的空气信息，最后透过气体出口将气体导出气体通道之外，俾实现气体的循环，并达到气体迅速传输、静音的功效，再者，致动装置在作动时会产生热能，而上述的结构能够将进入气体通道的空气尚未接触致动装置就直接开始检测，能够降低气体受致动装置传输后所产生的影响及变化，提升检测效率的同时避免致动装置干扰检测结果，再透过致动装置与传感器间隔设置，阻却动装置对传感器的干扰，来达到提高检测准确度。此外，透过第一防护膜及第二防护膜的设置，可避免气体通道内部元件因水气或粉尘堆积而导致受损、生锈，进而提升气体传输效率，以及提升装置运作效能。再者，本案的传感器邻近气体入口，得以将第一时间进入因此，本案的气体循环控制装置极具产业利用价值，爰依法提出申请。
本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。
Claims (17)
1.一种致动传感模块，其特征在于，包含：
一第一基板，设有至少一控制电路；
一第二基板，具有一气体入口及一气体出口，该第二基板与该第一基板叠合后形成一气体通道，该气体入口、该气体通道及该气体出口相互连通以形成一气流回路；
至少一致动装置，设置于该第二基板的该气体出口，并电性连接该至少一控制电路；以及
至少一传感器，设置于该气流回路中与该气体入口错位设置且与该至少一致动装置间隔设置，该至少一传感器电性连接该至少一控制电路；
其中，透过驱动该致动装置，将外界的一气体经由该气体入口导入该气体通道，并使该气体在流经该传感器之后由该气体出口排出，以供该传感器对循环的该气体进行监测。
2.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该至少一控制电路透过半导体制程设置于该第一基板，该至少一控制电路电性连接该致动装置及该传感器，以供该致动装置、该传感器获取驱动电源及计算处理该传感器所产生的感测数据。
3.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该至少一传感器透过半导体制程设置于该第一基板，且对应该气体出口设置。
4.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该第一基板透过半导体制程成型一凹槽，该凹槽在该第一基板与该第二基板叠合之后，在该第一基板与该第二基板之间形成该气体通道。
5.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该至少一传感器包含一氧气传感器、一一氧化碳传感器、一二氧化碳传感器、一温度传感器、一臭氧传感器及一挥发性有机物传感器的至少其中之一或其组合。
6.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该致动装置为一微机电系统气体泵，该微机电系统气体泵包含：
一入口板，具有至少一进气孔及一汇流腔室；
一共振膜，为面型微加工技术制成的具挠性悬浮结构，具有一中空孔洞；
一致动膜，为面型微加工技术制成的中空悬浮结构，具有一悬浮部、一外框部及至少一连接部，该至少一连接部在该悬浮部与该外框部之间定义至少一间隙；以及
一压电膜，贴附于该悬浮部的一表面；
其中，该入口板、该共振膜及该致动膜依序对应堆叠设置，且在该共振膜与该致动膜之间形成一压缩腔室，当该压电膜驱动该致动膜时，气体由该入口板的该至少一进气孔进入该汇流腔室，流经该共振膜的该中空孔洞进入该压缩腔室内，并由该至少一间隙排出，借此以将气体导入该气体通道的中。
7.如权利要求6所述的致动传感模块，其特征在于，该致动膜为一金属材料薄膜与一多晶硅薄膜中的一个。
8.如权利要求6所述的致动传感模块，其特征在于，该压电膜为一以溶胶凝胶法制成的金属氧化物薄膜。
9.如权利要求6所述的致动传感模块，其特征在于，该微机电系统气体泵为一体成型的结构。
10.如权利要求6所述的致动传感模块，其特征在于，该致动传感模块更包含至少一第一防护膜及一第二防护膜，该至少一第一防护膜封闭设置于该进气孔与该气体入口中的一个，该至少一第二防护膜封闭设置于该气体出口，且该至少一第一防护膜及该至少一第二防护膜均为防水、防尘且可供气体穿透的膜状结构。
11.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该致动装置为一共振式压电气体泵，该共振式压电气体泵包含：
一入口板，具有至少一进气孔及一汇流腔室；
一共振膜，为具有一中空孔洞的悬浮结构；
一致动膜，为中空悬浮结构，具有一悬浮部、一外框部及至少一连接部，该至少一连结部在该悬浮部与该外框部之间定义至少一间隙；以及
一压电膜，贴附于该悬浮部的一表面；
其中，该入口板、该共振膜及该致动膜依序对应堆叠设置，且在该共振膜与该致动膜之间形成一压缩腔室，当该压电膜驱动该致动膜时，气体由该入口板的该至少一进气孔进入该汇流腔室，流经该共振膜的该中空孔洞进入该压缩腔室内，并由该至少一间隙排出，借此以将气体导入该气体通道的中。
12.如权利要求11所述的致动传感模块，其特征在于，该致动传感模块更包含至少一第一防护膜及一第二防护膜，该至少一第一防护膜封闭设置于该进气孔与该气体入口中的一者，该第二防护膜封闭设置于该气体出口，且该至少一第一防护膜及该第二防护膜均为防水、防尘且可供气体穿透的膜状结构。
13.如权利要求12所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP64的等级。
14.如权利要求12所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP65的等级。
15.如权利要求12所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP66的等级。
16.如权利要求12所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP67的等级。
17.如权利要求12所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP68的等级。
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