CN112236900B - 具有顶部和底部导体的rfid载带 - Google Patents

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Abstract

在多个实施例中公开了将第二导体结合到RFID载带装置中的方法以及所形成的装置。第二导体经由载带导体和第二导体之间的耦合来增加功能。所增加的功能可以是以与由载带垫驱动的第一天线不同的频率操作的次级天线、感测能力、用于发射装置(诸如LED)的驱动器或者到安装在第二导体上的一个或多个半导体装置的接口。

Description

具有顶部和底部导体的RFID载带
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月20日提交的美国临时实用专利申请号为62/660,510的优先权和权益，该专利申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种将第二导体结合到射频识别（“RFID”）载带（strap）装置中的方法以及由此所形成的装置。具体地，该方法和所形成的装置允许第二导体和载带导体之间的耦合，这增加了RFID载带装置的功能。本方法尤其适合于RFID载带装置。因此，本说明书对其进行了具体说明。然而，应当理解，本发明方法的各个方面也同样适用于其他类似的应用和装置。
背景技术
射频识别使用由读取器系统传输的磁场、电场或电磁场来进行自身识别，并且在某些情况下提供附加地存储的数据。RFID标签通常包括通常被称为“芯片”的半导体装置，在其上形成存储器和操作电路。如本领域中已知的，RFID芯片直接地或利用RFID载带装置连接到天线。通常，RFID标签充当应答器，从而响应于从读取器（也称为询问器）接收到的射频（“RF”）询问信号来提供存储在芯片存储器中的信息。在有源RFID装置的情况下，该装置具有电源（诸如电池）。另一方面，利用无源RFID装置，询问信号的能量还提供了操作RFID装置所需要的能量。因此，尽管与有源RFID装置相比，无源RFID装置可以具有较短的读取范围，但是它们比有源RFID装置廉价得多并且没有使用寿命限制（例如，由于电池寿命的限制）。
RFID标签可以被结合到和/或附接到人们期望被追踪的物品上。在某些情况下，可以利用粘合剂、胶带或本领域中已知的其他方式将标签附接到物品的外部，并且在其他情况下，可以将标签插入物品内，诸如包含在包装中、位于物品的容器内或者缝在衣服中。可以利用唯一识别码来制造RFID标签，在一个实施例中，该唯一识别码是若干个字节的简单序列号，并附有校验位。该识别码通常在制造期间结合到标签中。在大多数情况下，用户无法更改此序列号/标识码，并且制造商保证每个序列号仅使用一次。这样的只读RFID标签通常被永久地附接到待跟踪的物品，并且一旦被附接，标签的序列号就与其在计算机数据库中的宿主物品相关联。
本发明公开了一种除了已经在RFID载带装置内的导体之外还将至少一个附加导体结合到RFID载带装置中的方法，并且载带导体和至少一个附加导体被耦合在一起以增加功能。在一个实施例中，该功能可以包括至少一个附加导体，该附加导体充当以与由载带导体驱动的第一天线不同的频率操作的次级天线，第二导体向装置提供感测能力，第二导体驱动发射装置，或者第二导体与安装在第二导体上的一个或多个半导体器件接合。
发明内容
下面给出简化的概要，以便提供对所公开的创新的一些方面的基本理解。该概要不是详尽的概述，并且不旨在标识关键/重要元素或描绘其范围。其唯一目的是以简化形式呈现一些概念，作为稍后介绍的更详细描述的前序。
本文公开和要求保护的主题在其一个方面包括一种将第二导体结合到RFID载带装置中的方法和所形成的装置。RFID载带装置包括经由分离的电介质耦合到载带（或第一）导体的顶部（或第二）导体。RFID载带装置也耦合到基部衬底上的单独天线。天线可以由本领域中已知的任何合适的材料（诸如铝箔）制成，并且基部衬底通常包括纸。然而，如本领域普通技术人员将理解的，可以使用替代材料来用于基部衬底。
在优选实施例中，与耦合到载带导体的第一天线相比，形成在顶部导体上的第二天线以更高的频率操作。顶部导体还耦合到RFID载带装置；因此，RFID载带装置可以以第二（或更高）频率通信或收集能量以增加第一频率下RFID芯片的性能（诸如读取范围）。
附加地，在另一个实施例中，顶部导体被用作发射装置，例如以驱动LED（发光二极管）等。顶部导体经由一对载带垫或其他合适的部件耦合至RFID载带装置，其也允许RFID载带装置驱动LED。
在另一个实施例中，顶部导体连接到半导体装置。然后，顶部导体经由一对载带垫或其他合适的部件与RFID载带装置的耦合将提供诸如数据通信、功率或时钟频率之类的有益效果。例如，半导体装置可以充当蓝牙信标，其中2.45 GHz传输使用顶部导体作为天线，并且经由第一天线由RFID载带装置接收的功率或数据将控制和/或给信标供电。
根据本公开的一些实施例，射频识别（RFID）标签包括RFID载带装置，该RFID载带装置包括：第一载带导体，该第一载带导体包括一对载带垫和RFID芯片；第二导体；位于第一载带导体和第二导体之间的电介质；以及耦合至RFID载带装置的天线。
在一些实施例中，RFID标签的天线位于基部衬底上。在一些实施例中，天线以第一频率操作。在另外的实施例中，第二导体用作第二天线，在一些实施例中，第二天线以不同于天线的第一频率的频率操作。在一些实施例中，第二导体通过电介质经由电容耦合到第一载带导体。在其他实施例中，第二导体经由直接欧姆连接手段（direct ohmicconnection means）耦合到第一载带导体，在一些实施例中，该直接欧姆连接手段包括机械压接、电化学过程或一个或多个填充有导电油墨的孔。
根据本公开的其他实施例，射频识别（RFID）载带装置耦合到第一天线，并且包括：第一载带导体，该第一载带导体包括连接到RFID芯片的一对载带垫；第二导体，该第二导体包括第二天线；以及位于第一载带导体和第二导体之间的电介质，其中第二天线配置为以与第一天线不同的频率操作。
在一些实施例中，RFID载带装置的第二天线耦合到RFID芯片，并且在一些实施例中，第二天线增加RFID芯片和第一天线之间的阻抗匹配。在一些实施例中，第二导体耦合到感测装置，在其他实施例中，第二导体耦合到发射装置，并且在其他实施例中，第二导体仍然耦合到半导体装置。在一些实施例中，第二导体被印刷有导电油墨。
本公开还设想了一种将第二导体结合到射频识别（RFID）载带装置中的方法，该方法包括以下步骤：提供包括一对载带垫的第一载带导体；将RFID芯片连接至所述一对载带垫；将电介质定位在第一载带导体与第二导体之间；并且将RFID载带装置耦合到天线。
在一些实施例中，该方法还包括在第二导体上形成第二天线。在一些实施例中，该方法还包括以不同于天线的频率操作第二天线。在一些实施例中，该方法还包括将第二导体耦合到感测装置，而在其他实施例中，该方法包括将第二导体耦合到发射装置。
附图说明
为了实现前述和相关目的，本文结合以下描述和附图描述所公开的创新的某些说明性方面。然而，这些方面仅指示可以采用本文所公开的原理的各种方式中的若干种方式，并且旨在包括所有这些方面及其等同物。从结合附图考虑的以下详细描述，其他优点和新颖特征将变得显而易见，在附图中：
图1A示出了根据所公开的架构的具有附加导体的RFID载带装置的侧向立体图；
图1B示出了根据所公开的架构的具有附加导体的RFID载带装置的顶部立体图；
图2示出了根据所公开的架构的结合了本公开的RFID载带装置的一个实施例的RFID标签的侧向立体图，该RFID载带装置上耦合有天线和基底层；
图3示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的侧向立体图，该RFID载带装置具有形成在顶部导体上的第二天线；
图4A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的侧向立体图，其中顶部导体经由电容耦合至底部导体；
图4B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的侧向立体图，其中顶部导体经由压接或欧姆接触而耦合至底部导体；
图5A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体充当第二天线；
图5B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图6A示出了根据所公开的架构的在顶部导体上具有线圈型天线的RFID载带装置的顶部立体图；
图6B示出了根据本发明所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图7A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体是充当RFID载带装置中的第二天线的双重功能导体；
图7B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图8A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体包括用于感测液体或电介质的存在的叉指式感测结构；
图8B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图9A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体包括发射装置；
图9B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图10A示出了根据公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体用作天线、传感器接口或发射装置连接；
图10B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合到多端口载带和RFID芯片；
图11A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体包括半导体装置；
图11B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图12A示出了根据本发明所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体是未图案化的载带导体；
图12B示出了根据本发明所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中在附接RFID载带和天线之前或之后，通过激光来改型顶部导体；
图12C示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片；
图13A示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的顶部立体图，其中顶部导体是在RFID载带的顶部表面上的印刷导体区域；和
图13B示出了根据所公开的架构的RFID载带装置的底部立体图，其中底部导体耦合至载带和RFID芯片。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明，其中，相似的附图标记全文用于指代类似的元件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对其的全面理解。但是，明显的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实践该创新。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和装置以便于对其进行描述。
根据本公开，提供了一种将第二导体结合到RFID载带装置中的方法，其中，载带导体和第二导体耦合在一起以增加功能。增加的功能可以是以与由载带垫驱动的第一天线不同的频率操作的次级天线、感测能力、用于发射装置（诸如LED）的驱动器或者与一个或多个安装在第二导体上的半导体装置的接口。
首先参照附图，图1A、1B和图2示出了结合有第二导体102的RFID载带装置100。具体地，RFID载带装置100包括第一（或载带）导体104和第二（或顶部）导体102，电介质108位于第一导体104和第二导体102之间。第一导体104和第二导体102可以是本领域中已知的任何合适的导体，例如铝箔、铜箔或印刷导电油墨。
此外，在不影响本发明的整体构思的情况下，第一导体104和第二导体102可以是本领域中已知的任何合适的尺寸、形状和构造。例如，在一个实施例中，第一导体104可以包括连接到RFID芯片的一系列垫，这些垫的形状被设计为使得它们可以通过诸如借助薄介电粘合剂的电容的方法或者通过使用导电粘合剂而耦合到天线，并且因此将RFID芯片连接到天线。合适的形状取决于垫的数量和所使用的天线的性质。例如，当使用两个垫时，一种合适的形状是蝶形结，该蝶形结具有两个大的矩形部分，这两个大的矩形部分足够大以利用电容的方式或通过其他耦合手段耦合到天线。此外，蝶形结形状还包括朝着芯片连接处向下的锥形部分，这使得容易将芯片精确地附件到垫上。本领域普通技术人员将理解，如图中所示的第一导体104和第二导体102的形状和尺寸仅用于说明性目的，并且第一导体104和第二导体102的许多其他形状和尺寸也在本公开的范围内。尽管第一导体104和第二导体102的尺寸（即，长度、宽度和高度）是获得良好性能的重要设计参数，但是第一导体104和第二导体102可以是确保使用期间最佳性能的任何形状或尺寸。
此外，在一个实施例中，芯片112可以包括一对导电垫110。本发明还考虑到芯片112也可以使用导电凸块（未示出）。然而，本发明不限于利用导电垫110和/或凸块来促进芯片112至天线214的附接。RFID芯片112耦合到基部衬底216（图2中所示）上的单独天线214或与单独天线214通信以形成RFID标签200。天线214可以由本领域中已知的任何合适的材料（诸如铝箔）制成。天线214可以是本领域中已知的任何类型的天线，诸如偶极子、隙缝-环形（sloop）等。基部衬底216通常由纸组成，包括再生纸，但是也可以使用任何其他合适的材料，诸如塑料，包括再生塑料，而不会影响本发明的总体范围。
在图3所示的本发明的另一个实施例中，RFID载带装置300包括顶部导体302，顶部导体302可以用作天线（第二天线），并且经由分离的电介质306耦合到载带导体304或与载带导体304通信。顶部导体302可以提供与装置所需的操作频率不同的频率的路径。例如，当耦合到天线（未示出）的载带导体302的所需操作频率在UHF频带（例如，通常为860MHz-960MHz，或者更具体地在某些国家（包括美国、中国和日本）为902MHz-928MHz，或者另选地在某些其他国家和组织（包括欧盟、英国和俄罗斯）为865MHz-868MHz）中时，顶部导体302可以提供在2.45GHz下的信号频率的路径，这防止了来自诸如WiFi和蓝牙的系统的干扰，并且在信号较强的情况下防止损坏RFID芯片或产生足以引起破坏性电弧的高电压。
顶部导体302还可以执行其他功能，诸如充当穿过RFID载带垫并因此穿过RFID芯片312的电感器，以帮助芯片312与天线（未示出）之间的匹配，或者充当滤波器（即带通和/或带阻滤波器），从而使用专门设计以增强或抑制范围或频率的电感和电容的配置或传输线路谐振器（诸如双线路）。例如，传递902MHz至928MHz并抑制相邻信号，而在另一个示例中，则是在935MHz至960MHz下从GSM基站到移动站传输。顶部导体302还可以支撑用于增强滤波功能的另一装置，诸如表面声波装置、介电共振器、具有频率相关的射频能量吸收的磁性材料、具有频率相关的吸收的介电材料、设计成在大频率范围内吸收能量的电阻性材料、以及传输线路元件（诸如微载带、载带线或共面波导）。
在另一个实施例中，可以选择导体的厚度，使得其电导率随频率而变化。例如，2.7μm厚度的导体具有在915MHz下的一个趋肤深度，因此其RF电阻接近其DC电阻；然而，在趋肤深度为22μm的13.56MHz下，RF电阻远大于DC电阻，因此在13.56MHz下穿过2.7μm厚的顶部导体的能量将被相对地吸收。
顶部导体302的附加用途是使其电特性成为所感测特性的函数。例如，穿过间隙存在液体（其中顶部导体302的变化特性如前所述耦合至载带和天线导体）相应于所感测的特性改变了RFID标签的参数，诸如其在给定频率下的灵敏度。
在一些实施例中，分离的电介质306可以是塑料（诸如PET）、纸或具有相对较高介电常数（例如在3 F/m至10 F/m的范围内）的材料，诸如包含陶瓷填料（诸如二氧化钛）的塑料或本领域已知的任何其他合适的材料。在一个实施例中，载带导体304还可以用作天线（第一天线）。具体地，第一天线可以耦合至一对垫310和RFID芯片312，或者与一对垫310和RFID芯片312通信。因此，顶部导体302和载带导体304都充当天线以向RFID载带装置300增加功能。
图4A示出了RFID载带装置400，该RFID载带装置400包括顶部导体402，该顶部导体402借助电介质406经由电容耦合至底部导体404。并且，图4B公开了一种RFID载带装置408，其包括使用直接欧姆连接手段414耦合至底部导体412的顶部导体410。例如，直接欧姆连接手段414可以是本领域中已知的用于形成直接欧姆连接的任何其他合适的手段，包括机械压接、电化学过程、一个或多个填充有导电油墨的孔。
如图5A和5B所示，RFID载带装置500包括顶部导体502，该顶部导体502具有形成在其上或附接到其上的第二天线504。第二天线504可以以比耦合至载带导体506的第一天线更高的频率操作。例如，第一天线可以在902-928MHz的范围内操作，第二天线504可以在2400MHz-2500MHz的范围内操作。还可以设想，第二天线504可以以比耦合至载带506的第一天线更低的频率操作。例如，第一天线可以在902-928MHz的范围内操作，第二天线504可以在13.56MHz的频率下或邻近13.56MHz的频率下操作。该第二天线504也耦合至RFID芯片508和一对载带垫510。该耦合可以允许RFID载带装置500以第二频率或比第一天线更高的频率通信和/或收集能量以增加RFID芯片508在第一天线的频率下的性能。
另外，如图6A和6B所示，RFID载带装置600可以包括顶部导体602，该顶部导体602具有形成在其上或附接到其上的第二天线604。第二天线604可以是线圈型天线或本领域已知的任何其他合适的天线。第二天线604以比耦合至载带导体606的第一天线（未示出）更低的频率操作。该第一天线耦合至一对载带垫608和RFID芯片610。如图5A和图5B所示，这种耦合可以允许RFID芯片610在（从第一天线和第二天线604产生的）两个频率下操作，并且还允许在与顶部导体602上的第二天线604相关联的第二频率下收集功率。
在图7A和7B所示的替代实施例中，RFID载带装置700包括作为第二天线704操作的双重功能的顶部导体（或第二导体）702。顶部导体702 /第二天线704具有双重功能，因为其以与耦合至一对载带垫708和RFID芯片710的第一天线（未示出）不同的频率操作，并且还用于改善RFID芯片710与第一天线/载带导体706之间的阻抗匹配。
另外，如图8A和8B所示，RFID载带装置800包括耦合至感测装置804的顶部导体802。该耦合形成叉指式感测结构以感测例如但不限于液体、电介质或任何种类的化学品的存在。此外，经由一对载带垫808和RFID芯片810在感测装置804和载带导体806之间的耦合可以改变RFID载带装置800的功能特征。例如，其可以降低灵敏度，改变操作频率或改变RFID载带装置800通信中的数字位。
如图9A和9B所示，RFID载带装置900包括顶部导体902，该顶部导体902充当发射装置904的一部分并且耦合至RFID载带装置900。具体地，发射装置904经由一对载带垫908和RFID芯片910耦合至载带导体906。发射装置904然后可以用来驱动LED或本领域中已知的其他合适的结构。
图10A和10B中所示的实施例公开了一种多端口RFID载带装置1000，其包括用作第二天线1004的顶部导体1002。顶部导体1002耦合至多端口RFID载带装置1000的载带导体1006上的多端口载带的一个或多个载带垫1008和RFID芯片1010或与一个或多个载带垫1008和RFID芯片1010通信。顶部导体1002然后可以用作天线、传感器接口、发射装置连接或其他合适的装置。具体地，如果顶部导体1002用作第二天线1004，则其可以以与载带导体1006 /第一天线不同的第二频率操作，使得来自第二天线1004的能量耦合至多端口RFID载带装置1000上的替代性载带垫1008。
在图11A和11B所示的替代实施例中，RFID载带装置1100包括顶部导体1102，该顶部导体1102连接至半导体装置1104，然后耦合至载带导体1106。具体地，半导体装置1104经由一对载带垫1108和RFID芯片1110耦合至载带导体1106。此外，经由一对载带垫1108与RFID载带装置1100的耦合可以提供诸如数据通信、功率、时钟频率等。在一个实施例中，半导体装置1104可以充当蓝牙信标，其中2.45 GHz传输使用顶部导体1102作为天线，并且经由天线由RFID载带装置1100接收的功率或数据将控制信标和/或给信标供电。在另一个实施例中，顶部导体1102可以结合诸如电池或超级电容器之类的能量存储元件，以给RFID载带装置1100供电或者存储能量以操作传感器或其他元件。
图12A至12C示出了另一个实施例，其中RFID载带装置1200包括顶部导体1202，该顶部导体1202最初未被图案化或者仅被部分图案化。然后可以通过本领域普通技术人员已知的任何适当方法来改变该顶部导体1202以去除材料，诸如但不限于使用激光束烧蚀掉导体1202的一部分。另选地，可以使用本领域普通技术人员已知的机械手段来烧蚀掉导体1202的一部分。切割可以产生如前所述的结构1204，诸如次级天线或传感器接口区域；然而，由于载带导体1206可以经由一对载带垫1208和RFID芯片1210附接（耦合）至天线，因此切割可以响应于可测量的参数（诸如峰值操作频率），从而允许调整频率，以处理制造公差或调整RFID载带装置1200的操作频率。
图13A和13B示出了另一个实施例，其中RFID载带装置1300包括顶部导体1302，该顶部导体1302包括印刷有导体油墨的印刷导体区域1304。在一些实施例中，导电油墨包含银、铜或石墨烯。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用本领域普通技术人员已知的任何其他合适的导电油墨。印刷导体区域1304和顶部导体1302耦合至载带导体1306。具体地，印刷导体区域1304经由一对载带垫1308和RFID芯片1310耦合至载带导体1306。可以在使用任何合适的手段（诸如喷墨、丝网印刷、柔性版印刷或照相凹版印刷）附接载带之前或后附接，将印刷导体区域1304施加到RFID载带装置1300。印刷导体区域1304可以以前述任何方式使用，例如，作为次级天线或传感器接口区域。
上面已经描述的内容包括所要求保护的主题的示例。当然，为了描述所要求保护的主题，不可能描述部件或方法的每种可行的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到，所要求保护的主题的许多进一步的组合和置换是可能的。因此，所要求保护的主题旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的改变、修改和变化。此外，就在详细描述或权利要求中使用术语“包括”而言，与“包含”当用作权利要求中的过渡词时被解释的一样，该术语旨在以与术语“包含”相似的方式被包括在内。

Claims (8)

1.一种射频识别RFID标签，包括：
第一天线，所述第一天线配置为以第一频率操作；
RFID载带装置；
其中，所述第一天线耦合至所述RFID载带装置，所述RFID载带装置包括：
第一载带导体，所述第一载带导体包括一对载带垫和RFID芯片；
第二导体，所述第二导体配置成作为第二天线以与所述第一频率不同的第二频率操作，并且还配置为充当跨载带垫的电感器，以改善所述RFID芯片与所述第一天线之间的阻抗匹配；以及
位于所述第一载带导体和所述第二导体之间的电介质。
2.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，所述第一天线位于基部衬底上。
3.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，所述第二导体还配置为进行操作以改善所述RFID芯片与所述第一载带导体之间的阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，所述第二导体通过所述电介质经由电容耦合至所述第一载带导体。
5.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，所述第二导体经由直接欧姆连接手段耦合至所述第一载带导体。
6.根据权利要求5所述的RFID标签，其中，所述直接欧姆连接手段包括机械压接、电化学过程或填充有导电油墨的一个或多个孔。
7.一种将第二导体结合到射频识别RFID载带装置中的方法，该方法包括：
提供包括一对载带垫的第一载带导体；
将RFID芯片连接至所述一对载带垫；
提供所述第二导体；
将电介质定位在所述第一载带导体和所述第二导体之间；
所述第一载带导体、所述第二导体和所述电介质从而形成所述RFID载带装置；和
将所述RFID载带装置耦合至第一天线，所述第一天线配置为以第一频率操作，
其中，所述第二导体配置成作为第二天线以与所述第一频率不同的第二频率操作，并且还配置为充当跨载带垫的电感器，以改善所述RFID芯片与所述第一天线之间的阻抗匹配。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二导体还配置为进行操作以改善所述RFID芯片与所述第一载带导体之间的阻抗匹配。
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