CN117168662B - 一种谐振式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振式压力传感器及其制备方法，谐振式压力传感器包括：器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内；第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层、压电层；本发明可以提高器件的使用寿命、稳定性和测量灵敏度，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种谐振式压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器在航空航天、智能制造、汽车电子等领域中扮演着重要角色，其用于准确测量气体或液体中的压力参数。如在汽车电子领域，压力传感器在汽车工程中起到至关重要的作用，特别是在汽车胎压监测系统（Tire pressure monitoring system, TPMS）中的应用。
传统电容式压力传感器通过检测压缩或拉伸电容膜片引起形变所产生的电信号来测量外界压力，但膜片在长期压缩和拉伸的情况下难以延长使用寿命。微机械电子系统( Microelectromechanical systems, MEMS)谐振式压力传感器具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点。
当前，多数谐振式硅微机械压力传感器采用梁膜一体化设计，其谐振器通过锚点固定在压力敏感膜表面。当外部压力作用于其上时，压力敏感膜发生变形，并将产生的应力传递至谐振器。在应力的影响下，谐振器的固有频率发生变化，通过监测频率的变化，可以间接测量压力的大小。而压力敏感膜片需要低压密封封装，且在工作中承受较大应力，导致器件的使用寿命和稳定性较差。此外，需要额外的校准程序来确定环境的绝对压力水平。与此同时，当前谐振式压力传感器的测量灵敏度仍然较低。
发明内容
本发明提供了一种谐振式压力传感器及其制备方法，以提高器件的使用寿命、稳定性和测量灵敏度，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
根据本发明的一方面，提供了一种谐振式压力传感器，包括：
依次层叠设置的基底层、第一电极层、压电层和第二电极层；
基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；
器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内，第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；
第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层和压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数。
可选的，空腔结构包括第四区域、第五区域和第六区域；其中，第五区域在衬底层的垂直投影的形状为拱形，第四区域和第六区域位于拱形的两个端部；
第一谐振器结构和第二谐振器结构以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第四区域内，第二谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第六区域内；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影位于第五区域内，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为弧形；垂直立式膜的两端分别连接第一谐振器结构邻近第五区域的一侧和第二谐振器结构邻近第五区域的一侧；
优选的，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。
可选的，空腔结构在衬底层的垂直投影的形状为拱形；
第一谐振器结构和第二谐振器结构以与谐振器结构的长度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构和第二谐振器结构在衬底层上的垂直投影均位于拱形的两个端部，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为弧形；
垂直立式膜的两端分别连接第一谐振器结构远离第二谐振器结构的一侧和第二谐振器结构远离第一谐振器结构的一侧；或者，垂直立式膜的两端分别连接第一谐振器结构邻近第二谐振器结构的一侧和第二谐振器结构邻近第一谐振器结构的一侧；
优选的，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。
可选的，空腔结构包括第七区域、第八区域和第九区域；其中，第八区域为圆角矩形区域，第七区域和第九区域位于第八区域的两侧；
第一谐振器结构和第二谐振器结构以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第七区域内，第二谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第九区域内；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影位于第八区域内，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为半圆形或者半椭圆形的弧形；垂直立式膜分别连接第一谐振器结构邻近第八区域的一侧和第二谐振器结构邻近第八区域的一侧。
可选的，第二电极层包括第一叉指电极、第二叉指电极、第一端口电极、第二端口电极和第三端口电极；
第一叉指电极位于第一谐振器结构内，第二叉指电极位于第二谐振器结构内，第一端口电极、第二端口电极和第三端口电极位于第二区域；
第一叉指电极包括第一连接部和与第一连接部连接的两个第一叉指，以及第一中间电极；第一中间电极位于两个第一叉指之间；第二叉指电极包括第二连接部和第二连接部连接的两个第二叉指，以及第二中间电极；第二中间电极位于两个第二叉指之间；第一连接部通过第三连接部与第一端口电极相连，第二连接部通过第四连接部与第三端口电极相连，第一中间电极和第二中间电极通过第五连接部与第二端口电极相连；第一端口电极为输入电极，第二端口电极为第一输出电极，第三端口电极为第二输出电极。
可选的，谐振式压力传感器还包括：
温度补偿层，温度补偿层位于第二电极层远离压电层的一侧，温度补偿层覆盖第二电极层以及第二电极层未覆盖的压电层。
可选的，第一谐振器结构和第二谐振器结构的长度范围为100μm-200μm，宽度范围为40μm-60μm；
n的范围为2-4，n优选为正整数，垂直立式膜的宽度范围为2-5μm。
可选的，衬底层厚度范围为300μm -600μm；
埋氧层厚度范围为1μm -2μm；
器件层厚度范围为10μm -30μm；
第一电极层和第二电极层的厚度范围为100nm -200nm；
压电层的厚度范围为0.5μm -2μm。
可选的，第一电极层和第二电极层的材料包括铂、钼、金和钨中的任意一种；
压电层的材料包括氮化铝、PZT、氧化锌、铌酸锂中的任意一种。
根据本发明的另一方面，提供了一种谐振式压力传感器的制备方法，包括：
形成基底材料层；其中，基底材料层包括依次层叠设置的衬底材料层、埋氧材料层和器件材料层；
在基底材料层邻近器件材料层的一侧依次形成层叠设置的第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层；
图案化第二电极材料层、压电材料层、第一电极材料层和器件材料层形成第二电极层、压电层、第一电极层和器件层；其中，器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧材料层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜的在衬底材料层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层、压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底材料层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数；
刻蚀衬底材料层和埋氧材料层形成衬底层和埋氧层；衬底层、埋氧层和器件层即为基底层；其中，基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内。
本发明实施例技术方案提供的谐振式压力传感器包括：依次层叠设置的基底层、第一电极层、压电层和第二电极层；基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内，第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层和压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数。本发明实施例通过第一谐振器结构和第二谐振器结构产生的体声波传播到垂直立式膜中时，垂直立式膜可以以拉伸或弯曲振动模式工作，当压力变化时，弯曲模式和拉伸模式的谐振频率的改变不同，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且由于拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种谐振式压力传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种谐振式压力传感器的结构俯视图；
图3是图2沿剖面线AA’的一种谐振式压力传感器的截面示意图；
图4是图2沿剖面线BB’的一种谐振式压力传感器的截面示意图；
图5是本发明实施例一提供的谐振式压力传感器在真空条件下的一种谐振频率的仿真示意图；
图6是本发明实施例一提供的谐振式压力传感器在空气条件下的一种谐振频率的仿真示意图；
图7是本发明实施例一提供的一种计算拍频的示意图；
图8是本发明实施例一提供的一种衬底层和埋氧层的结构俯视图；
图9是本发明实施例一提供的又一种谐振式压力传感器的结构示意图；
图10是本发明实施例一提供的又一种谐振式压力传感器的结构示意图；
图11是本发明实施例一提供的又一种谐振式压力传感器的结构示意图；
图12是本发明实施例一提供的又一种衬底层和埋氧层的结构俯视图；
图13是本发明实施例二提供的一种谐振式压力传感器的制备方法的流程图；
图14是本发明实施例二提供的一种形成基底材料层的结构示意图；
图15是本发明实施例二提供的一种形成第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层的结构示意图；
图16是本发明实施例二提供的一种形成第二电极层的结构示意图；
图17是本发明实施例二提供的一种形成压电层的结构示意图；
图18是本发明实施例二提供的一种形成第一电极层和器件层的结构示意图；
图19是本发明实施例二提供的一种形成空腔结构的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
本发明实施例提供了一种谐振式压力传感器，图1是本发明实施例一提供的一种谐振式压力传感器的结构示意图，图2是本发明实施例一提供的一种谐振式压力传感器的结构俯视图，图3是图2沿剖面线AA’的一种谐振式压力传感器的截面示意图，图4是图2沿剖面线BB’的一种谐振式压力传感器的截面示意图，参考图1-图4，谐振式压力传感器包括：
依次层叠设置的基底层10、第一电极层20、压电层30和第二电极层40；基底层10包括依次层叠设置的衬底层11、埋氧层12和器件层13，器件层13位于埋氧层12邻近第一电极层20的一侧；衬底层11包括第一通孔，埋氧层12包括第二通孔，第二通孔在衬底层11的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构111。
器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40均包括第一区域100、第二区域200和第三区域300，第一区域100通过第三区域300与第二区域200连接；第一区域100和第三区域300的器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40在埋氧层12的垂直投影位于空腔结构111内，第二区域200的器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40依次层叠设置在埋氧层12的表面；且第一区域100和第二区域200之间存在空隙。
第一区域100包括第一谐振器结构50和第二谐振器结构51，以及连接第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的垂直立式膜52；垂直立式膜52在衬底层11上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51均包括器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40，垂直立式膜52包括器件层13、第一电极层20和压电层30；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的尺寸相同，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的弧长是第一谐振器结构50的长度的n倍，n优选为正整数。
其中，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的形状可以为半圆的圆弧形；垂直立式膜52可以用于形成MEMS谐振式压力传感器压力敏感单元，第一谐振器50或第二谐振器51可用于激振。埋氧层12可以作为刻蚀停止层。第一电极层20和第二电极层40的材料可以包括铂、钼、金和钨中的任意一种；压电层30的材料可以包括氮化铝、PZT、氧化锌、铌酸锂中的任意一种。
第一谐振器结构50和第二谐振器结构51可以为硅体声谐振器，并且通过图案化刻蚀形成第一谐振器结构50和第二谐振器结构51，以及连接第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的垂直立式膜52，垂直立式膜52在器件结构的厚度方向上包括依次层叠设置的器件层13、第一电极层20和压电层30；第一谐振器结构50、第二谐振器结构51和垂直立式膜52均为悬空式结构，且垂直立式膜52仅与第一谐振器结构50和第二谐振器结构51接触。第一谐振器结构50和第二谐振器结构51具有完全相同的物理尺寸，包括长度、宽度和厚度。
具体的，当通过在第一叉指电极41施加电压对第一谐振器50激振时，压电层30可同时激励沿厚度方向的纵向振动和沿压电层30宽度方向的横向振动。第一谐振器结构50、第二谐振器结构51通过垂直立式膜52进行声耦合而发生谐振，会在垂直立式膜52中产生两种耦合谐振模式。图5是本发明实施例一提供的谐振式压力传感器在真空条件下的一种谐振频率的仿真示意图，图6是本发明实施例一提供的谐振式压力传感器在空气条件下的一种谐振频率的仿真示意图，参考图5-图6，第一谐振器结构50和第二谐振器结构51产生异相耦合的体声波传播到垂直立式膜52中时，垂直立式膜52被激发以上下拉伸模式工作。第一硅体声谐振器50、第二硅体声谐振器51产生同相耦合的体声波传播到半圆形垂直立式膜52中时，半圆形垂直立式膜52被激发以横向弯曲模式工作。由于垂直立式膜的横向截面大而纵向截面小，横向弯曲模式对其周围的空气分子疏密（即压力）敏感，而拉伸模式则对压力不敏感。由于第一谐振器结构50和第二谐振器结构51在谐振器结构的长度方向延伸时的同相耦合会在垂直立式膜52的两个末端产生反周期应力，当垂直立式膜52的弧长是第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的长度的整数倍时，垂直立式膜52的谐振模式将是纯粹的弯曲模式。因此如果第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的长度为L，则垂直立式膜52的弧长应该为nL（n为正整数）。
当气体压力改变时，垂直立式膜52的弯曲模式和拉伸模式的谐振频率随压力的改变不同，参考图5，在真空中，拉伸模式的谐振频率为104.55MHz，弯曲模式的谐振频率为106.7MHz；参考图6，在空气中，拉伸模式的谐振频率为104.54MHz，弯曲模式的谐振频率为105.5MHz。真空中的压力为0Pa，空气中的压力为100kPa。从真空中到空气中，弯曲模式的谐振频率变化了1.2MHz，变化很大，证明了该模式为压力敏感型的。拉伸模式的谐振频率变化了0.01MHz，变化很小，证明该模式为压力不敏感型的。拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。并且无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。
图7是本发明实施例一提供的一种计算拍频的示意图，参考图7，第一输出端Output1输出的为弯曲模式下的谐振频率f1，第二输出端Output2输出的为拉伸模式下的谐振频率f2，f1和f2通过混频器101和低通滤波器102后生成的拍频可以计算压力测量灵敏度，灵敏度又称谐振频率压力系数（Pressure coefficient of frequency，PCF）。因此，可以通过耦合两种谐振模式来实现绝对压力的测量，并且通过提取拍频来实现测量灵敏度的增大。在图5和图6中已知，在真空中，拉伸模式的谐振频率为104.55MHz，弯曲模式的谐振频率为106.7MHz；在空气中，拉伸模式的谐振频率为104.54MHz，弯曲模式的谐振频率为105.5MHz。真空中的压力为0Pa，空气中的压力为100kPa。
谐振频率压力系数计算公式如下：
其中，f(P0 )为传感器在压力为P0时的谐振频率，f(P1 )为传感器在压力为P1时的谐振频率。单位为ppm/kPa，其中ppm为百万分之一。
弯曲模式的谐振频率压力系数PCF1计算公式如下：
其中，f1(P0 )为传感器在压力为0Pa时的弯曲模式谐振频率，f1(P1 )为传感器在压力为100Pa时的弯曲模式谐振频率。计算得到弯曲模式的谐振频率压力系数PCF1为112.46ppm/kPa。
同理，拉伸模式的谐振频率压力系数PCF2计算公式如下：
其中，f2(P0 )为传感器在压力为0Pa时的拉伸模式谐振频率，f2(P1 )为传感器在压力为100Pa时的拉伸模式谐振频率。计算得到拉伸模式的谐振频率压力系数PCF2为0.96ppm/kPa。因为拉伸模式对压力不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
参考图7，弯曲模式f1和拉伸模式f2的谐振频率经过混频器101和低通滤波器102之后，可以得到两种模式的拍频fb，其计算公式如下：
拍频fb的谐振频率压力系数PCFb计算公式如下：
上式中，fb(P0 )为传感器在压力为0Pa时的拍频，fb(P1)为传感器在压力为100Pa时的拍频。因为拉伸模式和弯曲模式的谐振频率比值约等于1。因此，拍频fb的谐振频率压力系数PCFb计算公式可以进一步简化如下：
上式中，fb(P0 )为压力为0Pa拍频为2.15MHz；f1(P0 )为压力为0Pa时的弯曲模式谐振频率为106.7MHz；两种模式的谐振频率压力系数之差PCF为111.5ppm/kPa，计算得到拍频的谐振频率压力系数PCFb为5533.92 ppm/kPa。可以看出，通过提取两种模式的拍频来计算灵敏度，压力传感器的谐振频率压力系数PCF被大幅放大，因此提高了测量的灵敏度。
本发明实施例技术方案提供的谐振式压力传感器包括：依次层叠设置的基底层10、第一电极层20、压电层30和第二电极层40；基底层10包括依次层叠设置的衬底层11、埋氧层12和器件层13，器件层13位于埋氧层12邻近第一电极层20的一侧；衬底层11包括第一通孔，埋氧层12包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构111；器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40均包括第一区域100、第二区域200和第三区域300，第一区域100通过第三区域300与第二区域200连接；第一区域100和第三区域300的器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40在埋氧层12的垂直投影位于空腔结构111内，第二区域200的器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40依次层叠设置在埋氧层12的表面；且第一区域100和第二区域200之间存在空隙；第一区域100包括第一谐振器结构50和第二谐振器结构51，以及连接第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的垂直立式膜52；垂直立式膜52在衬底层11上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51均包括器件层13、第一电极层20、压电层30和第二电极层40，垂直立式膜52包括器件层13、第一电极层20和压电层30；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的尺寸相同，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的弧长是第一谐振器结构50的长度的n倍，n优选为正整数。本发明实施例通过第一谐振器结构50和第二谐振器结构51产生的体声波传播到垂直立式膜52中时，当压力变化时，垂直立式膜52的弯曲模式和拉伸模式的谐振频率随压力的改变不同，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且拉伸模式下的谐振式压力传感器对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
可选的，图8是本发明实施例一提供的一种衬底层和埋氧层的结构俯视图，参考图1-图4以及图8，空腔结构111包括第四区域400、第五区域500和第六区域600；其中，第五区域500在衬底层11的垂直投影的形状为拱形，第四区域400和第六区域600位于拱形的两个端部；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构50在衬底层11上的垂直投影位于第四区域400内，第二谐振器结构51在衬底层11上的垂直投影位于第六区域600内；垂直立式膜52在衬底层11上的垂直投影位于第五区域500内，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的形状为弧形；垂直立式膜52的两端分别连接第一谐振器结构50邻近第五区域500的一侧和第二谐振器结构51邻近第五区域500的一侧；优选的，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。
其中，与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为过压力传感器中心点与谐振器结构的宽度方向平行的直线。垂直立式膜52与第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的宽度方向上的结构连接，通过第一谐振器结构50和第二谐振器结构51产生的体声波传播到垂直立式膜52中时，垂直立式膜50可以以拉伸模式或弯曲模式工作，当压力变化时，弯曲模式和拉伸模式的谐振频率的改变不同，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且由于拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
可选的，图9是本发明实施例一提供的又一种谐振式压力传感器的结构示意图，图10是本发明实施例一提供的又一种谐振式压力传感器的结构示意图，参考图9和图10，空腔结构在衬底层的垂直投影的形状为拱形；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51以与谐振器结构的长度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51在衬底层11上的垂直投影均位于拱形的两个端部，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的形状为弧形。
参考图9，垂直立式膜52的两端分别连接第一谐振器结构50远离第二谐振器结构51的一侧和第二谐振器结构51远离第一谐振器结构50的一侧；或者，参考图10，垂直立式膜52的两端分别连接第一谐振器结构50邻近第二谐振器结构51的一侧和第二谐振器结构51邻近第一谐振器结构50的一侧；优选的，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。
其中，图9和图10的区别在于垂直立式膜52的弧长不同，如果第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的长度为L，则垂直立式膜52的弧长应该为nL（n为正整数），可以实现谐振频率的测量，垂直立式膜52的弧长越短，谐振频率的S参数就越明显，因此，n可以取2-4，此时谐振频率的S参数较为明显，垂直立式膜50以拉伸模式或弯曲模式工作时，当压力变化时，垂直立式膜52的弯曲模式和拉伸模式的谐振频率的改变明显，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且由于拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
可选的，图11是本发明实施例一提供的又一种谐振式压力传感器的结构示意图，图12是本发明实施例一提供的又一种衬底层和埋氧层的结构俯视图，参考图11和图12，空腔结构111包括第七区域700、第八区域800和第九区域900；其中，第八区域800为圆角矩形区域，第七区域700和第九区域900位于第八区域800的两侧；第一谐振器结构50和第二谐振器结构51以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构50在衬底层11上的垂直投影位于第七区域700内，第二谐振器结构51在衬底层11上的垂直投影位于第九区域900内；垂直立式膜52在衬底层11上的垂直投影位于第八区域800内，垂直立式膜52在衬底层11的垂直投影的形状为半圆形或者半椭圆形的弧形；垂直立式膜52分别连接第一谐振器结构50邻近第八区域800的一侧和第二谐振器结构51邻近第八区域800的一侧。
其中，如果第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的长度为L，则垂直立式膜52的弧长应该为2nL（n为正整数），可以实现谐振频率的测量，垂直立式膜52与第一谐振器结构50和第二谐振器结构51的宽度方向上的结构连接，通过第一谐振器结构50和第二谐振器结构51产生的体声波传播到垂直立式膜52中时，垂直立式膜50可以以拉伸模式或弯曲模式工作，当压力变化时，垂直立式膜52发生改变，弯曲模式和拉伸模式的谐振频率的改变不同，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以测量弯曲模式和拉伸模式的下的压力，从而可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且由于拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
可选的，参考图1和图2，第二电极层40包括第一叉指电极41、第二叉指电极42、第一端口电极43、第二端口电极44和第三端口电极45；第一叉指电极41位于第一谐振器结构50内，第二叉指电极42位于第二谐振器结构51内，第一端口电极43、第二端口电极44和第三端口电极45位于第二区域。
第一叉指电极41包括第一连接部和与第一连接部连接的两个第一叉指411，以及第一中间电极412；第一中间电极412位于两个第一叉指411之间；第二叉指电极42包括第二连接部和第二连接部连接的两个第二叉指421，以及第二中间电极422；第二中间电极422位于两个第二叉指421之间；第一连接部通过第三连接部431与第一端口电极43相连，第二连接部通过第四连接部452与第三端口电极45相连，第一中间电极412和第二中间电极422通过第五连接部与第二端口电极44相连；第一端口电极43为输入电极，第二端口电极44为第一输出电极，第三端口电极45为第二输出电极。
其中，第二电极层40为压力传感器提供电信号，使得第一谐振器结构50、第二谐振器结构51在谐振器长度方向上发生谐振，并通过垂直立式膜52进行声耦合，会产生两种耦合谐振模式。第一谐振器结构50和第二谐振器结构51产生异相耦合的体声波传播到垂直立式膜52中时，垂直立式膜52被激发以拉伸模式工作。第一硅体声谐振器50、第二硅体声谐振器51产生同相耦合的体声波传播到半圆形垂直立式膜52中时，半圆形垂直立式膜52被激发以弯曲模式工作。
可选的，谐振式压力传感器还包括：温度补偿层，温度补偿层位于第二电极层远离压电层的一侧，温度补偿层覆盖第二电极层以及第二电极层未覆盖的压电层。
其中，在器件表面沉积一层保护层材料，如二氧化硅、氮化硅等，该保护层可作为温度补偿层，用于减小谐振频率的温度漂移系数。
可选的，第一谐振器结构和第二谐振器结构的长度范围为100μm-200μm，宽度范围为40μm-60μm；n的范围为2-4，n优选为正整数，垂直立式膜的宽度范围为2-5μm。
其中，设置第一谐振器结构和第二谐振器结构的长度范围为100μm-200μm，宽度范围为40μm-60μm，垂直立式膜的宽度范围为2-5μm，可以使得压力传感器的谐振频率变化明显，可以实现压力的精确测量，提高测量的灵敏度，并且工艺较为简单。
可选的，衬底层厚度范围为300μm -600μm；埋氧层厚度范围为1μm -2μm；器件层厚度范围为10μm -30μm；第一电极层和第二电极层的厚度范围为100nm -200nm；压电层的厚度范围为0.5μm -2μm。
其中，设置衬底层厚度范围为300μm -600μm；埋氧层厚度范围为1μm -2μm；器件层厚度范围为10μm -30μm；第一电极层和第二电极层的厚度范围为100nm -200nm；压电层的厚度范围为0.5μm -2μm，可以使得器件制备工艺简单易操作，并且有利于器件的集成化。
可选的，第一电极层和第二电极层的材料包括铂、钼、金和钨中的任意一种；压电层的材料包括氮化铝、PZT、氧化锌、铌酸锂中的任意一种。
其中，第一电极层和第二电极层的材料包括铂、钼、金和钨中的任意一种；压电层的材料包括氮化铝、PZT、氧化锌、铌酸锂中的任意一种，这些材料的工艺成熟，制备简单。
实施例二
本发明实施例在上述实施例基础上还提供了一种谐振式压力传感器的制备方法，图13是本发明实施例二提供的一种谐振式压力传感器的制备方法的流程图，参考图13，包括：
S110、形成基底材料层；其中，基底材料层包括依次层叠设置的衬底材料层、埋氧材料层和器件材料层。
其中，图14是本发明实施例二提供的一种形成基底材料层的结构示意图，参考图14，基底材料层为双面抛光的SOI（Silicon On Insulator）基片，其制造方法通常为通过键合技术将两片硅晶圆键合在一起，两片晶圆之间形成的二氧化硅层作为埋氧材料层113，利用回刻技术将一侧的晶圆的厚度减薄形成器件材料层114，另一侧为衬底材料层112。
S120、在基底材料层邻近器件材料层的一侧依次形成层叠设置的第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层。
图15是本发明实施例二提供的一种形成第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层的结构示意图，参考图15，通过反应溅射法依次沉积第一电极材料层201、压电材料层301和第二电极材料层401。
S130、图案化第二电极材料层、压电材料层、第一电极材料层和器件材料层形成第二电极层、压电层、第一电极层和器件层；其中，器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧材料层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜的在衬底材料层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构、第二谐振器结构和垂直立式膜均悬空，第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层、压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底材料层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数。本发明提到的图案化是指对器件材料层、第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层的薄膜进行涂胶、曝光、显影和刻蚀等工艺流程。
其中，图16是本发明实施例二提供的一种形成第二电极层的结构示意图，图17是本发明实施例二提供的一种形成压电层的结构示意图，图18是本发明实施例二提供的一种形成第一电极层和器件层的结构示意图，参考图15-图18，以及图2，通过干法刻蚀图案化第二电极材料层401，形成第一叉指电极41、第二叉指电极42、第一端口电极43、第二端口电极44和第三端口电极45及其连接部；通过干法刻蚀图案化压电层30形成第一谐振器结构50、第二谐振器结构51和垂直立式膜52的压电层30部分，并形成露出第一电极层20的通孔；通过干法刻蚀图案化第一电极层20、器件层13形成第一谐振器结构50、第二谐振器结构51和垂直立式膜52。
S140、刻蚀衬底材料层和埋氧材料层形成衬底层和埋氧层；衬底层、埋氧层和器件层即为基底层；其中，基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内。
其中，图19是本发明实施例二提供的一种形成空腔结构的示意图，参考图18和图19，在S130之后将晶圆反转，通过深反应离子刻蚀（Deep Reaction Ion Etching, DRIE）对衬底材料层112进行刻蚀，形成第一通孔；对埋氧材料层113进行刻蚀，形成第二通孔，第一通孔和第二通孔即为空腔结构111，从而释放第一谐振器结构50、第二谐振器结构51和垂直立式膜52。
本发明实施例提供的一种谐振式压力传感器的制备方法通过第一谐振器结构和第二谐振器结构产生的体声波传播到垂直立式膜中时，垂直立式膜可以以拉伸模式或弯曲模式工作，当压力变化时，弯曲模式和拉伸模式的谐振频率的改变不同，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且由于拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (12)
1.一种谐振式压力传感器，其特征在于，包括：
依次层叠设置的基底层、第一电极层、压电层和第二电极层；
所述基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，所述器件层位于所述埋氧层邻近第一电极层的一侧；所述衬底层包括第一通孔，所述埋氧层包括第二通孔，所述第二通孔在所述衬底层的垂直投影与第一通孔重合；所述第一通孔和所述第二通孔即为空腔结构；
所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域通过第三区域与所述第二区域连接；所述第一区域和所述第三区域的所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层在所述埋氧层的垂直投影位于所述空腔结构内，所述第二区域的所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层依次层叠设置在所述埋氧层的表面；且所述第一区域和所述第二区域之间存在空隙；
所述第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构的垂直立式膜；所述垂直立式膜在所述衬底层上的垂直投影的形状为弧形；所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构均包括所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，所述垂直立式膜包括所述器件层、所述第一电极层和所述压电层；所述第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，所述垂直立式膜在所述衬底层的垂直投影的弧长是所述第一谐振器结构的长度的n倍，n为正整数。
2.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述空腔结构包括第四区域、第五区域和第六区域；其中，所述第五区域在所述衬底层的垂直投影的形状为拱形，所述第四区域和所述第六区域位于拱形的两个端部；
所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；所述第一谐振器结构在所述衬底层上的垂直投影位于所述第四区域内，所述第二谐振器结构在所述衬底层上的垂直投影位于所述第六区域内；所述垂直立式膜在所述衬底层上的垂直投影位于所述第五区域内，所述垂直立式膜在所述衬底层的垂直投影的形状为弧形；所述垂直立式膜的两端分别连接所述第一谐振器结构邻近所述第五区域的一侧和所述第二谐振器结构邻近所述第五区域的一侧。
3.根据权利要求2所述的谐振式压力传感器，其特征在于：
所述垂直立式膜在所述衬底层的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。
4.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述空腔结构在所述衬底层的垂直投影的形状为拱形；
所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构以与谐振器结构的长度方向平行的中心线为对称轴对称设置；所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构在所述衬底层上的垂直投影均位于所述拱形的两个端部，所述垂直立式膜在所述衬底层的垂直投影的形状为弧形；
所述垂直立式膜的两端分别连接所述第一谐振器结构远离所述第二谐振器结构的一侧和所述第二谐振器结构远离所述第一谐振器结构的一侧；或者，所述垂直立式膜的两端分别连接所述第一谐振器结构邻近所述第二谐振器结构的一侧和所述第二谐振器结构邻近所述第一谐振器结构的一侧。
5.根据权利要求4所述的谐振式压力传感器，其特征在于：
所述垂直立式膜在所述衬底层的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。
6.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述空腔结构包括第七区域、第八区域和第九区域；其中，所述第八区域为圆角矩形区域，所述第七区域和所述第九区域位于所述第八区域的两侧；
所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；所述第一谐振器结构在所述衬底层上的垂直投影位于所述第七区域内，所述第二谐振器结构在所述衬底层上的垂直投影位于所述第九区域内；所述垂直立式膜在所述衬底层上的垂直投影位于所述第八区域内，所述垂直立式膜在所述衬底层的垂直投影的形状为半圆形或者半椭圆形的弧形；所述垂直立式膜分别连接所述第一谐振器结构邻近所述第八区域的一侧和所述第二谐振器结构邻近所述第八区域的一侧。
7.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述第二电极层包括第一叉指电极、第二叉指电极、第一端口电极、第二端口电极和第三端口电极；
所述第一叉指电极位于所述第一谐振器结构内，所述第二叉指电极位于所述第二谐振器结构内，第一端口电极、第二端口电极和第三端口电极位于所述第二区域；
所述第一叉指电极包括第一连接部和与所述第一连接部连接的两个第一叉指，以及第一中间电极；所述第一中间电极位于两个第一叉指之间；第二叉指电极包括第二连接部和所述第二连接部连接的两个第二叉指，以及第二中间电极；所述第二中间电极位于两个第二叉指之间；所述第一连接部通过第三连接部与所述第一端口电极相连，所述第二连接部通过第四连接部与所述第三端口电极相连，所述第一中间电极和所述第二中间电极通过第五连接部与所述第二端口电极相连；所述第一端口电极为输入电极，所述第二端口电极为第一输出电极，第三端口电极为第二输出电极。
8.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，还包括：
温度补偿层，所述温度补偿层位于第二电极层远离所述压电层的一侧，所述温度补偿层覆盖第二电极层以及第二电极层未覆盖的压电层。
9.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，
所述第一谐振器结构和第二谐振器结构的长度范围为100μm-200μm，宽度范围为40μm-60μm；
n的范围为2-4，n为正整数，所述垂直立式膜的宽度范围为2-5μm。
10.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，
所述衬底层厚度范围为300μm -600μm；
所述埋氧层厚度范围为1μm -2μm；
所述器件层厚度范围为10μm -30μm；
所述第一电极层和所述第二电极层的厚度范围为100nm -200nm；
所述压电层的厚度范围为0.5μm -2μm。
11.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的材料包括铂、钼、金和钨中的任意一种；
所述压电层的材料包括氮化铝、PZT、氧化锌、铌酸锂中的任意一种。
12.一种谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
形成基底材料层；其中，所述基底材料层包括依次层叠设置的衬底材料层、埋氧材料层和器件材料层；
在所述基底材料层邻近器件材料层的一侧依次形成层叠设置的第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层；
图案化所述第二电极材料层、所述压电材料层、所述第一电极材料层和所述器件材料层形成第二电极层、压电层、第一电极层和器件层；其中，所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域通过第三区域与所述第二区域连接；所述第二区域的所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层依次层叠设置在所述埋氧材料层的表面；且所述第一区域和所述第二区域之间存在空隙；所述第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构的垂直立式膜；所述垂直立式膜的在所述衬底材料层上的垂直投影的形状为弧形；所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构均包括所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，所述垂直立式膜包括所述器件层、所述第一电极层、所述压电层；所述第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，所述垂直立式膜在所述衬底材料层的垂直投影的弧长是所述第一谐振器结构的长度的n倍，n为正整数；
刻蚀所述衬底材料层和所述埋氧材料层形成衬底层和埋氧层；所述衬底层、所述埋氧层和所述器件层即为基底层；其中，所述基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，所述器件层位于所述埋氧层邻近第一电极层的一侧；所述衬底层包括第一通孔，所述埋氧层包括第二通孔，所述第二通孔在所述衬底层的垂直投影与第一通孔重合；所述第一通孔和所述第二通孔即为空腔结构；所述第一区域和所述第三区域的所述器件层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层在所述埋氧层的垂直投影位于所述空腔结构内。
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| CN110361116A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-10-22 | 合肥工业大学 | 一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器 |
| CN111103073A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-05 | 合肥工业大学 | 一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法 |
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-
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|---|---|---|---|---|
| CN103115719A (zh) * | 2013-01-29 | 2013-05-22 | 中国科学院半导体研究所 | 谐振式微机电系统机翼风力传感器及其制作方法 |
| CN104422547A (zh) * | 2013-08-19 | 2015-03-18 | 横河电机株式会社 | 谐振式压力传感器及其制造方法 |
| CN110361116A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-10-22 | 合肥工业大学 | 一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器 |
| CN111103073A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-05 | 合肥工业大学 | 一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法 |
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