CN1129496A - Ptc器件在配线系统中的应用 - Google Patents

Ptc器件在配线系统中的应用 Download PDF

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Abstract

PTC电路保护器件在机动车电气配线系统中的应用。这些器件可以取代部分或者所有通常使用的保险丝。优选的器件包含PTC导电聚合物。这能使配线系统中至少部分元件的载流量减小；例如部分绝缘导线的规格可以从18AWG减小到22AWG。

Description

PTC器件在配线系统中的应用
本发明涉及正温度系数(PTC)电路保护器件在电气配线系统中的应用，特别是在机动车(这个术语表示所有陆地车辆)中的电气配线系统中的应用。PTC器件在正常工作状态下具有低电阻，但是故障状态，诸如过载电流或者过高的温度可以使之“断路”(转换到高电阻状态)，减小电流，从而避免电路器件被损坏。
机动车中常规的电气系统中包含许多预先装配成一组或者多组配线的绝缘导线。导线上的绝缘层通常为聚氯乙烯(PVC)或者交联聚乙烯，但是有时也使用更昂贵的绝缘材料，例如，聚酯或者荧光聚合物。配线与电池(通常其额定电压为12或24伏特，而实际的电压为12-14.7或24-29伏特)的正极相联接，并且通过开关与工作装置，例如车灯、车窗升降马达等联接。与电池的回路联接是通过车辆的结构部件和/或者一个分立导体来实现的。这种系统中包括保护装置，一般是保险丝，如果发生短路它可以防止绝缘导线过热(从而引起绝缘层熔化)。这种系统还可以包括设置在工作装置中或者在其附近处的PTC器件，以保护它们，使之不会由于过热或者使用时间过长而损坏。这类PTC器件(它们在本申请中被称为APTC器件)不能保护与工作装置联接的绝缘导线。
许久以来人们已经熟知PTC器件可以用来代替保险丝，并且使用PTC器件的优点之一是它们能够放置在任何适宜的位置(不象保险丝，即使是在安装之后也必须是容易拆卸的)。因此，已经有人建议在机动车配线系统中用PTC器件代替一部分或者全部保险丝，进而由于使用较少量的绝缘导线和其他联接器件改变了配线系统的实际电路布置，而实现重大的改进。用于保护配线系统中绝缘导线的PTC器件在本申请中被称为分路PTC，或者BPTC器件。
根据本发明，我们发现通过选择彼此之间匹配、同时又与工作装置匹配的BPTC器件和绝缘导线能够进一步实现重大的改进。我们已经认识到，因为BPTC器件对于电流增加的反应比保险丝慢(所以，较少受到与许多装置有关的高瞬态起动电流的影响)，保险丝可以用具有较低电流额定值的BPTC器件代替，而这意味着被保护部件的载流量也可以被降低；其结果是实质上降低了配线系统的成本和重量。例如，常规的机动车配线系统使用至少18AWG(横截面面积为0.823mm2)的绝缘导线和类似载流量的其他器件，而本发明可以在配线系统的许多部分使用20或22AWG的导线(横截面面积为0.519或0.324mm2)和/或具有相近载流量的其他器件，例如开关。
在用相同制造工艺制成的一批PTC器件中，工艺本身无法控制的波动会造成能够引起任何一个器件断路的状态的实质性变化。不会引起这一批器件中任何一个器件断路的最大稳态电流在本申请中用IPASS表示。IPASS必须足够高以确保系统不会处于无法接受的“噪扰断路”状态，即被不会造成损坏的瞬态或者稳态电流引起断路。能够引起这一批器件中所有器件断路的最小稳态电流用ITRIP表示。一般来说，IPASS与ITRIP之间的差值随环境温度升高而缓慢减少。根据器件特定类型的不同，在20℃下ITRIP为IPASS的，例如，1.5到2.5倍。而对于任何一个器件自身而言，ITRIP和IPASS是相同的。但是，在本说明书中，所提到的PTC器件具有一个IPASS值和一个不同的ITRIP值，因为实际上，配线系统的制造商必须使用来自一批此类器件的多个器件。通常，环境温度越高，通路(pass)电流和断路(trip)电流越低。
绝缘导线(以及其他电子器件)的载流量不仅依赖于电流的大小，而且依赖于电流和环境温度的持续时间。并且还依赖于可允许的绝缘层的变化程度。例如，对于缠绕在一根芯体上的绝缘导线而言，绝缘层的软化就被认为是不允许的，即认为是一种“损坏”，但是对于通过一个直通道的相同导线而言，绝缘层的软化就是允许的。绝缘导线的使用者，例如机动车电气配线系统的制造商，就会规定，例如导线的温度不得超过某一特定温度，这个规定可以被用来确定导线在任何特定的环境温度下可以承受，而不会损坏绝缘层的最大稳态电流。在本说明书中，项IDAMAGE用来表示能够造成绝缘导线(或者其他电气元件)“损坏”的最小稳态电流，其中所谓损坏是由配线系统的制造商和/或使用者设置的指标来定义的。例如，损坏可以被定义成绝缘层的软化，绝缘层的发烟，或者导线超过了一定的温度。对于一根绝缘导线来说，尽管在某一特定温度下IDAMAGE也依赖于导线的粗细，但是IDAMAGE随环境温度的变化方式主要依赖于绝缘材料。本申请中用项I22表示用聚氯乙烯绝缘的22AWG铜导线(横截面面积为0.324mm2)的IDAMAGE值。
可被通过一个特定的BPTC器件与电源相连的各个工作装置产生的最大电流在本申请中表示为ILOAD。
用于机动车中的BPTC器件必须具有这样的特性，其在整个工作温度范围内，例如0℃到80℃，或者-40℃到+85℃内，IPASS大于ILOAD，ITRIP小于IDAMAGE。然而，如果尽可能地考虑到制造工艺和制造公差，安全系数，以及需要适应瞬态电流大于最大稳态负载电流，可取的是IPASS与ILOAD之间的差距应当较小，ITRIP与IDAMAGE之间的差距也应当较小。这样，该系统就能够使用较轻和/或者成本较低的元件。
随着环境温度的升高，ILOAD会有一定程度的降低，但是这种降低程度通常要远远小于IPASS的降低程度。所以，IPASS通常是由在应用的环境温度范围的顶端的ILOAD来确定的。对于大多数PTC材料来说，随环境温度的提高ITRIP的降低基本上大于IDAMAGE的降低。所以，IDAMAGE通常是由在应用的环境温度范围的底端的ITRIP来确定的。理想的是(对于任何特定的绝缘导线)使用这样一种BPTC器件，在整个应用环境温度范围内其断路电流下降曲线要稍稍低于导线损坏曲线。
本发明的一个可取的方面是提供了一种安装在，或者适合于安装在机动车、飞机、或者船舶中的电气配线系统，它包括
(1)电源联接装置，当安装配线系统时，其与一个电源的一个第一电极电连接，并且在最小载流点其载流量为ILINK，和
(2)一组采用PTC保护的分支电路，它们彼此并联电连接到电源装置上，并且它们中每个都包括
(a)一个分路PTC电路保护器件(BPTC器件)，其与电源联接装
   置电连接，和
(b)至少一个细长的PTC保护分路联接器件，其(i)具有一个与BPTC
   器件连接的第一端和一个第二端，当安装配线系统时，该第二
   端与至少一个工作装置连接，及(ii)在最小载流点其载流量为
   IDAMAGE在从0℃到80℃之间的所有温度IDAMAGE小于ILINK；
该BPTC器件具有(i)一个通路电流(IPASS)，其值大于由所有工作装置产生的总的稳态电流(ILOAD)，所说工作装置在安装配线系统时通过BPTC器件与电源电连接，和(ii)一个断路电流(ITRIP)，在从0℃到80℃之间的所有温度ITRIP都小于IDAMAGE；
从而，如果PTC保护分路联接装置之一被无意地与电源的第一和第二电极直接连接，而其中没有连接任何一个工作装置，就会形成一个包含BPTC电路保护器件的故障电路；其特征在于满足下列可选择条件中至少一个：
(A)在至少一个PTC保护分支电路中，在从0℃到80℃之间的
   所有温度IPASS至少等于ILOAD的1.1倍，在从-40℃到85℃之
   间的至少一个温度处，IPASS最大为ILOAD的1.3倍；
(B)在至少一个PTC保护分支电路中，在从0℃到80℃之间的
   所有温度IDAMAGE至少等于ITRIP的1.1倍，在从-40℃到85℃
   之间的至少一个温度处，IDAMAGE最大为ITRIP的1.5倍；
(C)PTC保护分支电路的总数为p，在从0℃到80℃之间的所
   有温度，在q个PTC保护分支电路中，其中q至少等于0.1p，
   IDAMAGE等于或者小于I22，其中I22为横截面面积为0.324mm2
   (22AWG)的PVC绝缘铜导线的IDAMAGE值；或者
(D)一部分PTC保护分路联接装置为IDAMAGE值等于或者小于I22的
   绝缘铜导线，一部分PTC保护分路联接装置为IDAMAGE值大于
   I22的绝缘铜导线，其中I22为横截面面积为0.324mm2
   (22AWG)的PVC绝缘铜导线的IDAMAGE值，在从0℃到80℃
   之间的所有温度下，其IDAMAGE值大于I22的PTC保护分路联接
   装置的总长度不会超过其IDAMAGE值等于或者小于I22的PTC保
   护分路联接装置的总长度的x倍，其中x等于10。
在上述的条件(A)中，在从0℃到80℃之间的所有温度下，优选的是在从-40℃到85℃之间的所有温度下，IPASS至少等于1.1倍ILOAD，优选值是至少等于1.2倍ILOAD；在-40℃到85℃之间的至少一个温度下，优选的是在0℃到80℃之间的至少一个温度下，IPASS最大等于1.3倍ILOAD，优选值是最大等于1.1倍ILOAD。在条件(B)中，在从0℃到80℃之间的所有温度下，优选的是在从-40℃到85℃之间的所有温度下，IDAMAGE至少等于1.1倍ITRIP，优选值是至少等于1.2倍ILOAD；在-40℃到85℃之间的至少一个温度下，优选的是在0℃到80℃之间的至少一个温度下，IDAMAGE最大等于1.5倍ITRIP，优选值是最大等于1.3倍ITRIP。在条件(C)中，在从0℃到80℃之间的所有温度下，优选的是在从-40℃到85℃之间的所有温度下，q至少等于0.1p，优选的至少等于0.2p，特别优选的是至少等于0.3p，尤其优选的是至少等于0.5p。在上述的条件(D)中，在从0℃到80℃之间的所有温度下，优选的是在从-40℃到85℃之间的所有温度下，x等于10，优选的是5，特别优选的是2。
本发明的第二个可取的方面是提供了如上所定义的配线系统，这种配线系统可以安装在机动车、飞机或者船舶中，其中电源联接装置与由一个电池构成的DC电源的正极连接，每个PTC保护分支电路连接在电源联接装置与回路联接装置之间，所说回路联接装置与电源的另一个电极相连。该回路联接装置可以是配线系统的一个部分或者是一个分立的部件，例如机动车、飞机或船舶的底盘和/或车身(机身、船身)。
本发明的配线系统包括许多分支电路，其中至少一个，可取的是多个、甚至全部都是如上所定义的PTC保护分支电路。其他分支电路(如果有的话)通常是采用其他装置加以保护的，例如保险丝、断路器，或者是一个不满足限定条件的PTC器件。为了使BPTC不与电源连接必须采取措施。可取的是借助于能够切断至少一个PTC保护分支电路的一个开关。这里所用的开关一词的含义是广义的，表示能够实现联接或者切断功能或者在故障排除后能够将BPTC器件恢复到未断路状态的任何电子器件，其中包括开合开关、继电器、场效应晶体管(FETs)，包括MOSFETS、JFETS、LFETS、和PFETS，两极器件，包括复合晶体管、pnp型晶体管和npn型晶体管，以及硅控整流器(SCR’s)。BPTC器件能够减少流经开关的最大电流，从而有可能使用较为便宜和/或较小的开关。
本发明的配线系统通常包含至少一个电源分配节点，其具有一根电源输入线和一组输出线，每一根输出线通过一个BPTC器件电连接到所说输入线上。这些BPTC器件最好安装在，例如焊接到电路板上，软印刷电路板上或者金属片上。这些BPTC器件和它们与输入线及输出线之间的连接件可以放置在一个容器内，该容器带有通孔和/或绝热层(在容器的内侧或外侧)，该绝热层对于BPTC器件断路的时间有影响。各BPTC可以偏心设置以减小它们之间热传输的程度。例如，假设这些BPTC器件是平板型的，如果空间允许，可以将它们彼此平行安装和放置，使得当从与器件平面垂直的方向观看时，相邻的器件最多重叠较小的器件(如果它们的面积不同)面积的75％，可取的是最多50％，因而它们几乎不重叠。
PTC保护分支电路可以直接或者通过一组辅助电源装置中的一个与电源联接装置连接，所说辅助电源联接装置彼此平行连接到主电源联接装置上。使用这些辅助电源联接装置可以避免使用需要绕过相当长距离的大量导线，特别是当工作装置是由响应于不同位置产生的信号的继电器来控制时。通常所说的辅助电源联接装置中至少一个
(i)包含一个辅助电路保护器件，如果辅助电源联接装置中的电流超过ISUB安培数，则其处于辅助电源联接装置的最低载流点，并被转换到高电阻状态，从而将电流值降低到基本低于ISUB，和
(ii)被连接到一组PTC保护分支电路，在每一个PTC保护分支电路中IPTC小于ISUB。
PTC保护分支电路中的工作装置最好用与工作装置串联并接近该工作装置(或者构成工作装置的一部分)设置的一个APTC器件来加以保护使其不被损坏。
本发明的配线系统还可以包括识别装置，当一个BPTC器件处于断路状态和/或如果它曾处于断路状态但是已经被恢复到正常工作状态时，该识别装置将作出指示。
BPTC器件可取的是包括一个PTC元件，该PTC元件由导电聚合物(即一种由一聚合物成分和散布在这种聚合物成分中的特殊导电填充物，最好是碳黑构成的化合物)制成，其电阻在23℃时小于3欧姆，可取的是小于1欧姆，最好是小于0.25欧姆。它们可取的是由两层电极，通常为金属膜电极，和夹在这两层电极之间的一层PTC单元构成。关于适合的BPTC器件的进一步的细节，应当参见美国专利US—4237441,4238812,4315237,4329726,4426663,4685025,4689475,4774024,4800253,4935166,5089801,5178797。
现在参见附图，图1为已知类型的机动车电气系统的电路原理图。在汽车前部放置了一个电池1，并通过回路联接装置8连接到汽车车身，通过电源联接装置7连接到电路的其他部分。保险丝2和点火开关3构成联接装置7的一部分。电源联接装置7通过保险丝11，12，13，14，15，16和17与电路的其他部分连接，所有保险丝都放置在图中用虚线表示的一个容易拆卸的保险丝盒中。保险丝11用于保护通向工作装置101、102的导线，当点火开关3处于开状态时工作装置101、102(例如传感器)通常也是处于工作状态；它还保护通向工作装置114和115(例如电机)的导线，工作装置114和115由开关160控制，并由指定的PTC器件(“APTC器件”)173和174加以保护，使之不受过电流的冲击。保险丝12保护通向由开关150控制的、位于机动车前部的工作装置106和107以及位于机动车后部的工作装置117和118(例如停车灯)的导线。保险丝12还保护通向由开关151控制并由APTC器件170保护的工作装置103(例如一个喇叭)的导线。保险丝13保护通向由开关152控制的工作装置104和105(例如车头灯)的导线。保险丝14保护通向均由开关153控制的、位于车前部的工作装置108和109以及位于车后部的工作装置118和119(例如紧急状态灯)的导线。保险丝14还保护通向由开关154控制并由APTC器件175保护的工作装置121(例如后车窗加热器)的导线。保险丝15保护通向位于机动车后部的工作装置122(例如后车窗刮水器)的导线。保险丝16保护通向位于机动车后部的工作装置123、124和125的导线，工作装置123(例如车大灯)由开关162控制，工作装置124和125(例如后会车灯)由开关163控制。保险丝16还保护通向分别由开关156和157控制的工作装置110和111(例如座位移动马达)的导线。保险丝16还保护通向由开关161控制的工作装置116(例如前会车灯)的导线。保险丝17保护通向分别由开关158和159控制并由APTC器件171和172分别保护的工作装置112和113(例如车窗升降电机)的导线。
图1中导线的规格(即横截面面积)用表示导线的平行线的数目来表示。因此电源联接装置具有最大直径；通向工作装置122的导线具有最小的直径；所有其他导线具有中等直径。通向工作装置122的导线可以采用满足工作装置122的耐流要求的适合的最小直径，因为它是唯一由保险丝15保护的导线，保险丝15具有与该装置对应的载流量。通向其他工作装置的导线和保险丝必须具有较大的直径，因为其直径是由它们所负载的工作装置的耐流要求的总和所确定的。
图2是本发明与图1中已知系统相对应的电气系统的电路原理图，但是其中许多保险丝已经由分路PTC器件(“BPTC器件”)代替，并且在许多情况下，导线也由较低规格的导线所代替。保险丝11已经由三个BPTC器件取代，BPTC器件209保护通向工作装置114和115的导线，BPTC器件210保护通向工作器件102的导线，而BPTC器件211保护通向工作装置101的导线。保险丝12没有改变。保险丝13已经被BPTC器件203取代，因为BPTC器件对于刚刚打开车头灯104、105时产生的瞬态电流反应较慢，所以BPTC器件203的通路(PASS)电流低于能够烧断保险丝13的电流。保险丝14已经被两个BPTC器件所取代，BPTC器件212保护通向工作装置119和120的导线，BPTC器件213保护通向工作装置121的导线。保险丝15被一个BPTC器件201所取代。保险丝16被四个BPTC器件代替，BPTC器件204保护通向工作装置116、123、124和125的导线，BPTC器件205保护通向工作装置110的导线，BPTC器件206保护通向工作装置111的导线，BPTC器件207保护通向工作装置112的导线。保险丝17已经由BPTC器件208代替，其用于保护通向工作装置113的导线。
如图1所示，导线的直径是由用来表示导线的平行线的数目来表示的。根据本发明，导线直径可以通过使用一个BPTC器件来减小，该BPTC器件的断路电流ITRIP低于被其一对一替换的保险丝的额定电流。此外，当用一组BPTC器件代替一根保险丝时，由于每根导线负载的工作装置的数量减少，所以BPTC器件的IPASS值和由这些BPTC器件保护的导线的直径能够减小。
图3表示环境温度与下列电流值之间的关系：(a)稳态负载电流ILOAD，在一个典型的分支电路中为4安培；(b)BPTC器件的通路(PASS)电流IPASS和断路(TRIP)电流ITRIP；和(c)对应于18AWG、20AWG和22AWG的典型的PVC绝缘导线的损坏电流。可以看到在从-40℃到75℃之间的所有环境温度下，BPTC器件不会被ILOD断路；在约75℃之上，尽管除非温度超过90℃绝缘导线并不会被ILDXD损坏，但是该器件仍将被ILOAD断路。还可以看到在从-40℃到约90℃之间的所有环境温度下，BPTC器件都能保护18AWG导线(因为它会被可能损坏18AWG导线的故障电流断路)。然而，它只在-20℃到约90℃之间保护20AWG的导线，只在约50℃到85℃之间保护22AWG的导线。
如图3所清楚表示的，如果热下降曲线具有较低的斜率，或者如果IPASS与ITRIP之间的差距较小，则还会进一步减小所需要的导线直径。
还图3还表示了烧断已有技术中通常用于保护稳态负载电流约为4安培，但是可以经受高得多的瞬态冲击电流的一个电路的保险丝所需电流(IFUSE)。由于保险丝必须承受这些冲击电流，所以IFUSE约为，例如12安培。这也就意味着如果环境温度高于80℃，就需要使用18AWG的导线。
图4示意性地表示了时间(在一个log标尺上)与下列量之间的关系：(a)在包含电机、灯或者其他产生冲击电流的装置的电路中的负载电流；(b)能够烧断用于已有技术中这样一个电路中的保险丝的电流(IFUSE(1))；(c)在稳态条件下，能够烧断具有与一个PTC器件近似的载流量的保险丝的电流(IFUSE(2))；(d)损坏18、20和22AWG绝缘导线的瞬态电流；和(e)总是被通过(IPASS)，但是却引起一批特定类型的PTC器件中的所有器件断路的瞬态电流(ITRIP)。可以看到保险丝对于瞬态电流非常迅速的反应意味着一根可以通过正常瞬态电流的保险丝也可以通过一个相对较高的稳态电流(以及上述的稳态负载电流，如图3所示)，而这也就意味着电路中的导线必须是18AWG规格，或者更大直径的。但是相反，PTC器件要比保险丝反应慢得多，所以允许使用20AWG或者甚至22AWG的导线。一根在稳态条件下具有与PTC器件近似的载流量的保险丝将会被不能使该PTC器件断路的瞬态电流烧断。

Claims (9)

1、一种安装在，或者适合于安装在机动车、飞机、或者船舶中的电气配线系统，它包括
(1)电源联接装置，当安装配线系统时，其与一个电源的一个第一电极电连接，并且在最小载流点其载流量为ILINK，和
(2)一组采用PTC保护的分支电路，它们彼此并联电连接到电源装置上，并且它们中每个都包括
(a)一个分路PTC电路保护器件(BPTC器件)，其与电源联接装置电连接，和
(b)至少一个细长的PTC保护分路联接器件，其(i)具有一个与
   BPTC器件连接的第一端和一个第二端，当安装配线系统时，该
   第二端与至少一个工作装置连接，及(ii)在最小载流点其载
   流量为IDAMAGE，在从0℃到80℃之间的所有温度IDAMAGE小于ILNK；
该BPTC器件具有(i)一个通路电流(IPASS)，其值大于由所有工作装置产生的总的稳态电流(ILOAD)，所说工作装置在安装配线系统时通过BPTC器件与电源电连接，和(ii)一个断路电流(ITRIP)，在从0℃到80℃之间的所有温度ITRIP都小于IDAMAGE；
从而，如果PTC保护分路联接装置之一被无意地与电源的第一和第二电极直接连接，而其中没有连接任何一个工作装置，就会形成一个包含BPTC电路保护器件的故障电路；其特征在于满足下列可选择条件中至少一个：
(A)在至少一个PTC保护分支电路中，在从0℃到80℃之间的
   所有温度IPASS至少等于ILOAD的1.1倍，在从-40℃到85℃之
   间的至少一个温度处，IPASS最大为ILOAD的1.3倍；
(B)在至少一个PTC保护分支电路中，在从0℃到80℃之间的
   所有温度IDAMAGE至少等于ITRIP的1.1倍，在从-40℃到85℃
   之间的至少一个温度处，IDAMAGE最大为ITRIP的1.5倍；
(C)PTC保护分支电路的总数为p，在从0℃到80℃之间的所
   有温度，在q个PTC保护分支电路中，其中q至少等于0.1p，
   IDAMAGE等于或者小于I22，其中I22为横截面面积为0.324mm2
   (22AWG)的PVC绝缘铜导线的IDAMAGE值；或者
(D)一部分PTC保护分路联接装置为IDAMAGE值等于或者小于I22的
   绝缘铜导线，一部分PTC保护分路联接装置为IDAMAGE值大于
   I22的绝缘铜导线，其中I22为横截面面积为0.324mm2
   (22AWG)的PVC绝缘铜导线的IDAMAGE值，在从0℃到80℃
   之间的所有温度下，其IDAMAGE值大于I22的PTC保护分路联接
   装置的总长度不会超过其IDAMAGE值等于或者小于I22的PTC保
   护分路联接装置的总长度的x倍，其中x等于10。
2、如权利要求1所述的配线系统，其特征在于：在-40℃到85℃之间的所有温度下，ILINK、IDAMAGE、IPASS、ILOAD、ITRIP和I22之间的特定关系至少有一部分是存在的。
3、如权利要求1或2所述的配线系统，其特征在于：在从0℃到80℃之间的所有温度下，IPASS为ILOAD的1.1到1.3倍。
4、如前面的任何一个权利要求所述的配线系统，其特征在于：在从0℃到80℃之间的所有温度下，IDAMAGE最大为ITRIP的1.3倍。
5、如前面的任何一个权利要求所述的配线系统，其特征在于：q大于0.3p。
6、如前面的任何一个权利要求所述的配线系统，其特征在于：x等于5。
7、如前面的任何一个权利要求所述的配线系统，其特征在于：至少有一部分PTC保护分路联接装置是由横截面面积为0.324mm2或者更小的绝缘导线构成的。
8、如前面的任何一个权利要求所述的配线系统，其特征在于：分路PTC器件包含一个由PTC导电聚合物构成的PTC元件。
9、如权利要求8所述的配线系统，其特征在于：所说的PTC元件夹在两层金属膜电极之间。
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