CN112461409A - 一种柔性传感器件及其制造方法以及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及一种柔性传感器件及其制造方法以及监测装置，所述柔性传感器件包括第一薄膜层、第一金属层、导电聚合物层、第二金属层以及第二薄膜层，所述第一薄膜层、所述导电聚合物层及所述第二薄膜层由柔性材料制成，其中，所述柔性传感器件在受到持续的外力作用时，持续输出直流电压信号。本发明公开实施例的柔性传感器件可用于监测动作的持续时间。
Description
技术领域
本发明公开涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种柔性传感器件及其制造方法以及柔性监测装置。
背景技术
电子皮肤作为一种模拟人体皮肤保护、感知、应激、调节功能的柔性电子器件或系统，在人机交互、医疗等领域具有广泛的应用前景和实用价值。目前，电子皮肤向着高度集成、可视化、可植入、高度拉伸、非常规参数监测、低能耗等方向发展。
为满足用户对电子皮肤性能和功能的需求，同时具备上述多个优点的电子器件也成为亟需。例如，同时具备高度拉伸(电子皮肤适应肢体活动的要求)、非常规参数监测(除传统的压力、温度其他参数的监测)、低能耗(不像传统的电子器件需要大量的能源供应)的电子器件，使得实现更广泛的适用性、更强大的功能、更高的满意度成为可能。再例如，监测力的作用时间是一般传感器很少涉及的非常规参数监测，而传统的压阻式传感器与电容式传感器虽然在施加力的时候可以保持输出一定的时间范围，但需要外电源供给，不满足电子皮肤低功耗的发展要求。压电或摩擦发电机传感器虽然可以自驱动，但脉冲型输出，只能反映动作的间隔时间，不能精确地反映力的作用时间。
发明内容
有鉴于此，本发明公开提出了一种柔性传感器件及其制造方法以及柔性监测装置。
根据本发明公开的一方面，提供了一种柔性传感器件，所述柔性传感器件包括第一薄膜层、第一金属层、导电聚合物层、第二金属层以及第二薄膜层，所述第一薄膜层、所述导电聚合物层及所述第二薄膜层由柔性材料制成，
其中，所述柔性传感器件在受到持续的外力作用时，持续输出直流电压信号。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括金层，所述第二金属层包括铝层；所述导电聚合物层的柔性材料为聚吡咯。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括铬层及金层，所述第二金属层包括铝层。
根据本发明公开的另一方面，提供了一种柔性监测装置，所述装置包括：
如上所述的柔性传感器件；
处理部件，与所述柔性传感器件连接，用于接收所述柔性传感器件的直流电压信号，并根据所述直流电压信号确定压力监测信息。
根据本发明公开的另一方面，提供了一种可穿戴设备，所述设备包括如上所述的柔性监测装置，所述设备可穿戴于被监测对象的监测位置。
根据本发明公开的另一方面，提供了一种柔性传感器件的制造方法，所述方法包括：将第一薄膜层以预设比例拉伸，以使所述第一薄膜层处于拉伸状态；在所述第一薄膜层上依次生成第一金属层及导电聚合物层；将第二薄膜层以所述预设比例拉伸，以使所述第二薄膜层处于拉伸状态；在所述第二薄膜层上生成第二金属层；将所述第二金属层与所述导电聚合物层贴合；释放对所述第一薄膜层、所述第二薄膜层的拉伸，得到所述柔性传感器件，所述第一薄膜层、所述导电聚合物层及所述第二薄膜层由柔性材料制成，
其中，所述柔性传感器件在受到持续的外力作用时，持续输出直流电压信号。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括金层，所述第二金属层包括铝层；所述导电聚合物层的柔性材料为聚吡咯。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括铬层及金层，所述第二金属层包括铝层。
在一种可能的实现方式中，所述铬层的厚度为5nm～10nm，所述金层的厚度为50nm～300nm，所述铝层的厚度为50nm～300nm。
根据本发明公开的实施例，柔性传感器件具有可拉伸性，且该柔性传感器件在持续的外力作用下可以自驱动，产生电信号，不需要外部电源，并可持续输出直流电压信号，可用于监测作用于柔性传感器件的动作的持续时间。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明公开的原理。
图1示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的结构示意图。
图2示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的输出电压监测方式的示意图。
图3示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的输出电压的示意图。
图4示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的能带示意图。
图5示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的导电聚合物层的厚度变化示意图。
图6示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的制造方法的流程图。
图7示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的制造过程的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明公开的主旨。
本发明公开的柔性传感器件，能够利用在受到外力作用时产生的机械力诱导导电聚合物空间电荷变化原理，并结合导电聚合物与金属层的肖特基势垒变化的机制，在受到持续的外力作用时，可以持续输出直流电压信号，从而可用于监测动作及动作的持续时间。
图1示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的结构示意图。如图1所示，所述柔性传感器件包括第一薄膜层11、第一金属层12、导电聚合物层13、第二金属层14以及第二薄膜层15，所述第一薄膜层11、所述导电聚合物层13及所述第二薄膜层15由柔性材料制成。
在一种可能的实现方式中，第一金属层12、第二金属层14可以由金、铝或其他金属材料制成，本发明公开对此不作限制。第一金属层12与第二金属层14的金属材料可以不同。
在一种可能的实现方式中，导电聚合物层13可以由柔性的导电高分子材料制成，例如聚吡咯等。第一薄膜层11、第二薄膜层15为柔性传感器件的柔性衬底，由可用作衬底的柔性材料制成，例如柔性衬底可以是由丙烯酸制成的VHB。包括上述柔性材料的柔性传感器件具有可拉伸性。本领域技术人员可以根据实际情况选择上述柔性材料，本发明公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，柔性传感器件的第一金属层12与导电聚合物层13之间为欧姆接触，导电聚合物层13与第二金属层14之间存在肖特基势垒。在柔性传感器件未受到外力作用时，电荷不能穿过肖特基势垒，不能输出电信号，而在柔性传感器件受到外力作用时，电荷重新分布，电子在导电聚合物层与第二金属层的接触面聚集，降低了肖特基势垒，使得电子可以穿过肖特基势垒形成环路，从而产生电信号，输出直流电压信号。
在一种可能的实现方式中，柔性传感器件在受到持续的外力作用时，可以持续输出直流电压信号。其中，柔性传感器件受到的外力作用可以是受到挤压或弯曲等，本发明公开对此不作限制。
根据本发明公开的实施例，柔性传感器件具有可拉伸性，且该柔性传感器件在持续的外力作用下可以自驱动，产生电信号，不需要外部电源，并可持续输出直流电压信号，可用于监测作用于柔性传感器件的动作的持续时间。
图2示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的输出电压监测方式的示意图。如图2所示，可使用导线将柔性传感器件的第一金属层12、第二金属层14分别连接至监测仪器21(例如静电计、万用表等)，以通过监测仪器21监测柔性传感器件的输出电压。
在一种可能的实现方式中，柔性传感器件的输出电压在不同外力作用下均可以保持，且柔性传感器件受到的外力大小不同，其输出的直流电压信号也会不同。外力越大，柔性传感器件输出的直流电压信号越大。
图3示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的输出电压的示意图。如图3所示，柔性传感器件的输出电压在不同压力下均可以保持，且随着压力的逐渐增加，输出电压逐渐增加：在压力的大小为10kPa，持续时间为50秒时，柔性传感器件输出的直流电压信号为0.3V，保持时间为50秒；在压力的大小增加到20kPa，持续时间为50秒时，柔性传感器件的输出直流电压信号增加到0.5V，保持时间为50秒；在压力的大小增加到50kPa，持续时间为50秒时，柔性传感器件的输出直流电压信号增加到0.8V，保持时间为50秒。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括金层，所述第二金属层包括铝层；所述导电聚合物层的柔性材料为聚吡咯。
在本实施例中，在柔性传感器件的第一金属层包括金层，第二金属层包括铝层，导电聚合物层由聚吡咯制成时，金层与聚吡咯之间为欧模接触，铝层与聚吡咯之间存在肖特基势垒，在柔性传感器件受到外力作用时，肖特基势垒降低，从而可以产生电信号，使得柔性传感器件受到外力作用时可以实现自驱动。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括铬层及金层，所述第二金属层包括铝层。
在本实施例中，为了提高第一金属层与第一薄膜层的粘结性，第一金属层可包括铬层及金层，也就是说，可在第一薄膜层与第一金属层(金层)之间，增加铬层，作为粘结层。
下面以第一金属层为金层、第二金属层为铝层、导电聚合物层为聚吡咯的柔性传感器件为例，并结合图3与图4，对柔性传感器件可以自驱动并持续输出直流电压的原理进行说明。
图4示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的能带示意图。如图4所示，柔性传感器件的第一金属层为金层Au，其功函数为-5.1eV，第二金属层为铝层Al，其功函数为-4.3eV，导电聚合物层为聚吡咯PPY，其功函数为-2.7eV与-5.6eV。其中，金层Au与聚吡咯PPY之间为欧姆接触，铝层Al与聚吡咯PPY之间存在肖特基势垒。
在柔性传感器件未受到外力作用时，电荷不能穿过铝层Al与聚吡咯PPY之间的肖特基势垒，不产生电信号；而在柔性传感器件受到外力作用时，电荷重新分布，电子在铝层Al与聚吡咯PPY的接触面聚集，使得聚吡咯PPY的能带弯曲，降低了肖特基势垒，使得电子可以穿过肖特基势垒形成环路，从而产生电信号，输出直流电压信号。而在释放外力后，能带恢复到初始状态，电荷不能穿过肖特基势垒，从而停止产生电信号。
图5示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的导电聚合物层的厚度变化示意图。如图5所示，柔性传感器件的导电聚合物层(即聚吡咯)在受到恒定的外力作用时，其厚度会持续发现变化：在刚开始的5秒内，厚度变化较为突出，而在5秒-70秒之间，厚度变化逐渐趋于缓慢。
上述厚度的变化可以由高分子的链段松弛理论给予解释。从动力学的角度来看，高分子由于分子链较长，分子运动有多模式维度：侧基，侧链，链段，支链以及整个分子，由于各个尺度运动需要克服的活化能不同，高分子的运动表现出弛豫的特性。从热力学的角度来看，根据热力学理论，高分子链段运动符合热力学熵焓理论，在受到恒定应力时候，由于链段的有序度变化，熵变；由于链段运动需要克服内摩擦力，内动能和内势能变化，焓变；吉布斯自由能与熵焓符合一定关系。所以，吉布斯自由能随着时间变化呈现出弛豫关系，关系式为x＝x0*e-t/τ，其中，e为指数的底数，τ为特征时间(与材料有关)，x0为导电聚合物层的厚度的初始变化量，x为受到外力作用持续t秒后厚度的变化量。
根据能量守恒定律，在外力作用下，对柔性传感器件的导电聚合物层(即聚吡咯)做功，可转化为电能输出。由于柔性传感器件的导电聚合物层(即聚吡咯)在受到恒定的外力作用时，其厚度会发现持续发生变化，即聚吡咯受到恒定的外力作用时，仍会有微小的形变量，外力对聚吡咯的做功不为0，因此，柔性传感器件在受到恒定的外力作用时，可以在一定时间内(例如1-2分钟内)保持恒定输出，即可以持续稳定地输出。
出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的制造方法的流程图。如图6所示，所述方法包括：
步骤S11，将第一薄膜层以预设比例拉伸，以使所述第一薄膜层处于拉伸状态；
步骤S12，在所述第一薄膜层上依次生成第一金属层及导电聚合物层；
步骤S13，将第二薄膜层以所述预设比例拉伸，以使所述第二薄膜层处于拉伸状态；
步骤S14，在所述第二薄膜层上生成第二金属层；
步骤S15，将所述第二金属层与所述导电聚合物层贴合；
步骤S16，释放对所述第一薄膜层、所述第二薄膜层的拉伸，得到所述柔性传感器件，
所述第一薄膜层、所述导电聚合物层及所述第二薄膜层由柔性材料制成，
其中，所述柔性传感器件在受到持续的外力作用时，持续输出直流电压信号。
在一种可能的实现方式中，在制造柔性传感器件时，可根据步骤S11，将作为柔性衬底的第一薄膜层以预设比例进行拉伸，以使第一薄膜层处于拉伸状态。其中，预设比例可以根据实际需要进行设置，例如预设比例为5％-15％，本发明公开对预设比例的具体取值不作限制。
在一种可能的实现方式中，在第一薄膜层处于拉伸状态时，可根据步骤S12，在第一薄膜层上依次生成第一金属层及导电聚合物层。其中第一金属层及导电聚合物层的生成方式有多种，例如溅射、沉积等。本发明公开对此不作限制。
举例来说，第一金属层的生成方式为溅射，第一金属层为金层时，可在拉伸状态的第一薄膜层上，通过磁控溅射金，生成第一金属层；导电聚合物层的生成方式为沉积，导电聚合物层为聚吡咯时，可在生成第一金属层后，用循环伏安法电化学沉积聚吡咯，以生成导电聚合物层。
在一种可能的实现方式中，可根据步骤S13，将第二薄膜层以预设比例拉伸，以使第二薄膜层处于拉伸状态。其中，拉伸第二薄膜层时的预设比例与拉伸第一薄膜层时的预设比例相同。
在一种可能的实现方式中，在第二薄膜层处于拉伸状态时，可根据步骤S14，在第二薄膜层上生成第二金属层。其中，第二金属层的生成方式有多种，例如溅射、沉积等。本发明公开对此不做限制。例如，第二金属层的生成方式为溅射，第二金属层为铝层时，可通过磁控溅射铝，生成第二金属层。
在一种可能的实现方式中，生成第一薄膜层、第一金属层、导电聚合物层以及第二薄膜层、第二金属层后，可根据步骤S15，将第二金属层与导电聚合物层进行贴合，并根据步骤S16，释放对第一薄膜层、第二薄膜层的拉伸，得到柔性传感器件。
在本实施例中，通过在柔性衬底(第一薄膜层、第二薄膜层)的拉伸状态下，生成第一金属层、导电聚合物层、第二金属层，使得制造的柔性传感器件具有良好的可拉伸性。该柔性传感器件在受到持续的外力作用时，可以持续输出直流电压信号。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括金层，所述第二金属层包括铝层。所述导电聚合物层的柔性材料可以为聚吡咯。所述第一薄膜层、所述第二薄膜层的柔性材料可以为由丙烯酸制成的VHB。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属层包括铬层及金层，所述第二金属层包括铝层。其中，铬层可以是第一薄膜层与金层之间的粘结层，可在第一薄膜层处于拉伸状态时，通过溅射、沉积等方式生成。
在一种可能的实现方式中，所述铬层的厚度为5nm～10nm，所述金层的厚度为50nm～300nm，所述铝层的厚度为50nm～300nm。
图7示出根据本发明公开的实施例的柔性传感器件的制造过程的示意图。如图7所示，可首先将作为第一薄膜层的VHB膜51以5％-15％的预设比例进行拉伸，得到处于拉伸状态的VHB膜52；然后将拉伸状态的VHB膜52在130℃下热处理2小时后，在其上生成包括铬层和金层的第一金属层，具体为通过磁控溅射铬(厚度为7nm)生成铬层，在通过磁控溅射金(厚度为80nm)生成金层，得到溅射第一金属层的VHB膜53；在包括第一金属层的VHB膜53上，使用循环伏安法(速率为0.01-0.04V/S)电化学沉积聚吡咯，生成导电聚合物层，得到包括第一金属层、导电聚合物层的VHB膜54；
将作为第二薄膜层的VHB膜以5％-15％的预设比例进行拉伸，并通过磁控溅射铝(厚度为200nm)，生成第二金属层，得到包括第二金属层的VHB膜；
然后将包括第二金属层的VHB膜，贴合至包括第一金属层、导电聚合物层的VHB膜54，得到处于拉伸状态的柔性传感器件55，并释放处于拉伸状态的柔性传感器件55，得到制造完成的柔性传感器件56。
在一种可能的实现方式中，在柔性传感器件发生形变时，形变量不同，柔性传感器件的输出电压也会不同，且输出电压会随着形变量的增加而增加。其中，形变可包括多种，例如柔性传感器件可被弯曲或拉伸，从而发生弯曲形变或拉伸形变。本发明公开对柔性传感器件发生的具体形变不作限制。
在一种可能的实现方式中，本发明公开提供了一种柔性监测装置，所述装置包括：如上所述的柔性传感器件；处理部件，与所述柔性传感器件连接，用于接收所述柔性传感器件的直流电压信号，并根据所述直流电压信号确定压力监测信息。
在一种可能的实现方式中，柔性监测装置中的处理部件可通过导线与柔性传感器件连接，例如，可通过导线将处理部件连接至柔性传感器件的第一金属层及第二金属层。
在一种可能的实现方式中，处理部件可用于接收柔性传感器件的直流电流电压，并根据直流电压信号来确定压力监测信息，例如，处理部件可根据柔性传感器件输出的直流电压信号的变化及持续时间来确定压力的变化及持续时间。
在一种可能的实现方式中，本发明公开提供了一种可穿戴设备，所述设备包括如上所述的柔性监测装置，所述设备可穿戴于被监测对象的监测位置。
在一种可能的实现方式中，所述可穿戴设备有多种，例如智能手环，可穿戴于被监测对象的手腕上，用于监测被监测对象的手腕的动作，再例如智能运动鞋，可穿戴于被监测对象的脚部，用来监测被监测对象的下肢的动作。本发明公开对可穿戴设备的具体类型不作限制。
根据本发明公开的实施例，在第一薄膜层、第二薄膜层处于拉伸状态下制造的柔性传感器件，柔性传感器件具有可拉伸性，且该柔性传感器件在持续的外力作用下可以自驱动，产生电信号，不需要外部电源，并可持续输出直流电压信号，可用于监测作用于柔性传感器件的动作的持续时间。
公开的实施例，基于导电聚合物机械力诱导空间电荷变化原理与导电聚合物层与第二金属层的肖特基接触机制相结合，柔性传感器件可实现自驱动，并输出直流电压信号；而在恒力作用下，导电聚合物层的高分子材料特殊的运动-形变特点是直流电压信号输出保持的原因。基于柔性传感器件的柔性、自驱动以及输出保持性，柔性传感器件可用于监测人体动作的保持性。此外，柔性传感器件还具有耐久性等优点。该柔性传感器件是一种可用于监测动作持续时间的柔性自驱动传感器。
以上已经描述了本发明公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种柔性传感器件，其特征在于，所述柔性传感器件包括第一薄膜层、第一金属层、导电聚合物层、第二金属层以及第二薄膜层，所述第一薄膜层、所述导电聚合物层及所述第二薄膜层由柔性材料制成，其中，所述柔性传感器件在受到持续的外力作用时，持续输出直流电压信号。
2.根据权利要求1所述的柔性传感器件，其特征在于，所述第一金属层包括金层，所述第二金属层包括铝层；所述导电聚合物层的柔性材料为聚吡咯。
3.根据权利要求2所述的柔性传感器件，其特征在于，所述第一金属层包括铬层及金层，所述第二金属层包括铝层。
4.一种柔性监测装置，其特征在于，所述装置包括：根据权利要求1-3中任意一项所述的柔性传感器件；处理部件，与所述柔性传感器件连接，用于接收所述柔性传感器件的直流电压信号，并根据所述直流电压信号确定压力监测信息。
5.一种可穿戴设备，其特征在于，所述设备包括根据权利要求4所述的柔性监测装置，所述设备可穿戴于被监测对象的监测位置。
6.一种柔性传感器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括：将第一薄膜层以预设比例拉伸，以使所述第一薄膜层处于拉伸状态；在所述第一薄膜层上依次生成第一金属层及导电聚合物层；将第二薄膜层以所述预设比例拉伸，以使所述第二薄膜层处于拉伸状态；在所述第二薄膜层上生成第二金属层；将所述第二金属层与所述导电聚合物层贴合；释放对所述第一薄膜层、所述第二薄膜层的拉伸，得到所述柔性传感器件，所述第一薄膜层、所述导电聚合物层及所述第二薄膜层由柔性材料制成，其中，所述柔性传感器件在受到持续的外力作用时，持续输出直流电压信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一金属层包括金层，所述第二金属层包括铝层；所述导电聚合物层的柔性材料为聚吡咯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一金属层包括铬层及金层，所述第二金属层包括铝层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铬层的厚度为5nm～10nm，所述金层的厚度为50nm～300nm，所述铝层的厚度为50nm～300nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011428861.1A CN112461409A (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 一种柔性传感器件及其制造方法以及监测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112461409A true CN112461409A (zh) | 2021-03-09 |
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ID=74801668
Family Applications (1)
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112461409A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115032155A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-09-09 | 西安交通大学 | 一种光学表征含动态键高分子材料松弛过程的装置及方法 |
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2020
- 2020-12-09 CN CN202011428861.1A patent/CN112461409A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115032155A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-09-09 | 西安交通大学 | 一种光学表征含动态键高分子材料松弛过程的装置及方法 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210309 |