CN1192085A - 抑制能量、厚薄切变的谐振器和采用该谐振器的电子元件 - Google Patents
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Abstract
抑制能量、厚薄切变的压电谐振器,压电基片(1)的宽度W设置成等于或小于约0.7mm,并满足以下表达式(a)和(c)或(b)和(c):(a)(b)(c)。其中T表示压电基片的厚度;k为1/2,fosc等于fa(1－α);fosc表示谐振器的振荡频率;fa表示谐振器的反谐振频率;fr表示谐振器的谐振频率;α为一个常数;n表示一个正整数。
Description
本发明广义上涉及抑制能量、厚薄切变的谐振器，尤其涉及此类小型化谐振器的结构。
随着电子设备尤其是移动通信设备的小型化，日益要求进一步减小电源装置诸如电池和蓄电池的尺寸。此外，为了能尽可能长时间地利用该类设备，还需要低功耗的振荡器。然而，由于该类振荡器趋向于以更高频率工作，且端子间电容或负载电容相当大，故要有效降低现有陶瓷振荡器的功耗是很困难的。
像上述一类的振荡器，广泛采用具有图1所示结构的抑制能量、厚薄切变的谐振器。谐振器A由薄的矩形压电基片1形成。图1所示的谐振器A中，电极2设置成从基片1一个表面上的一端延伸到中心部分。另一电极3也设置成从基片1的另一表面的另一端延伸到中部。这样，电极2和3在压电基片1的中部相互相对设置，由此造成厚薄切变振动。
如上所述构成的谐振器A的端子间电容Cf由下式表示：
Cf＝ε0εrΔLW/T
其中，ε0表示真空介电常数；εr表示压电基片构成材料的相对介电常数；ΔL表示电极2和3重叠部分的长度；W表示压电基片1的宽度；T表示基片1的厚度。
上述等式中，为了在决定电容Cf的元件之间减小电容Cf，必须减小长度ΔL或宽度W，或者增加厚度T。然而，由于厚度T与振荡频率之间有某种相关性，故厚度T不能轻易改变。而且，由于实际固定比例ΔL/T通常也是为了防止振荡器输出虚假的响应所要求的，故长度ΔL也不易改变。因此，可以最有效地减小宽度W以减小电容Cf。
在利用上述厚薄切变振动的已有振荡器中，用以下方式确定宽度W的范围。例如，第63-206018号日本公开特许公报披露了一种振荡器，其宽度W的范围为0.8mm≠W≠1.4mm。而第1-171121号日本公开实用新案公报也披露了一种振荡器，其宽度W的范围为0.75mm≠W≠0.90mm。
然而，即使在按上述方式确定宽度W范围的振荡器中仍需要大量的能源。
因此，宽度W更要减少。在利用厚薄切变振动的振荡器中，对采用的宽度和能源之间的关系作了多种试验，本发明已经发现了宽度与功率之间的关系，如图2所示。应当注意，图2所示的数据是在ΔL/T实际上为固定的情况下获得的。
图2表示当宽度W变成等于或小于大约0.7mm时，功耗开始陡峭下降。然而，在上述宽度W范围内，在与宽度值W有关的的频带内可以产生伪振动。伪振动将引起异常的振荡，诸如振荡频率载在切变振动的3次或5次谐波的频率上。尤其是，在工作于更高频率的振荡器内更有可能产生更为陡峭的伪响应曲线，由此阻碍了此类振荡器投入实际应用。
因此，本发明的目的在于提供一种降低功率、抑制能量、厚薄切变谐振器，其中消除了伪响应曲线。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种抑制能量厚薄切变的压电谐振器，它包括：压电基片；在压电基片的第一表面上从第一端延伸到中心部位的第一电极；在压电基片的第二表面上从第二端延伸到中心部位的第二电极，谐振器利用在一部分压电基片内产生的厚薄切变振动，该一部分压电基片位于压电基片中心部位的第一与第二电极之间，其中，压电基片的宽度W设置成等于或小于约0.7mm，并满足以下的两种表达式(1)和(3)，或满足两个表达式(2)和(3)：
(1)0＜W＜kT/(1-α)
(2)k(2n-1)T/(1-α)＜W＜k(2n+1)T/(1-α)
(3)0＜α＜(fa-fr)/fa
其中，T表示压电基片的厚度；k为1/2；fosc等于fa(1-α)；fosc表示谐振器的振荡频率；fa表示谐振器的反谐振频率；fr表示谐振器的谐振频率；α为一个常数；n表示一个正整数。
根据本发明的另一方面，提供一种电子元件，它包括：绝缘安装板，至少在该板的上表面设置至少两个安装电极；将前述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器安装在安装板上，使谐振器的第一电极和第二电极分别连接到安装板的安装电极；将一个帽固定到安装板以覆盖谐振器，安装板的安装电极设置成从帽的内部延伸到外部。
根据本发明的另一方面，提供一种电子元件，它包括：绝缘安装板，至少在该板的上表面设置至少第一、第二和第三安装电极；前述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器；电容器，它包括一介质基片和反电极，其中，介质基片的一个主表面的两侧设置两个单独的电极，反电极位于介质基片另一主表面的中心部位，与单独的电极相向面对面设置，电容器安装在安装板上，使电容器的反电极电连接到安装板的第二安装电极，电容器的两个单独的电极电连接到安装板的第一和第三安装电极以及谐振器的第一和第二电极；帽，它固定到安装板以覆盖谐振器和电容器，安装板的第一、第二和第三安装电极设置成从帽的内部延伸到其外部。
根据本发明的另一方面，提供一种电子元件，它包括：前述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器；电容器，它包括介质基片和反电极，其中，介质基片较长于谐振器，其第一主表面两侧设置两个单独的电极，反电极位于介质基片第二主表面的中心部位，与所述电容器的两个单独的电极相对，谐振器固定到其上设置单独的电极的电容器主表面的中心部位；第一、第二和第三引出端，其中，第一和第二引出端分别设置在由谐振器两个侧面与电容器两端所限定的台阶部分，并电连接到谐振器的第一和第二电极以及电容器的单独的电极，第三引出端则电连接到电容器的反电极。
本发明具有以下的优点。谐振器的宽度具有一预定的范围，它取决于宽度与厚度、常数α、振荡频率、谐振频率以及反谐振频率的关系，由此提供一种低功耗、无伪响应的谐振器。再者，谐振器的宽度不必根据频率范围而改变。这样，可以采用相同的电容器，元需为各个频率范围改变负载电容，由此提供了易于制造的振荡器。
图1是说明厚薄切变谐振器的透视图；
图2是说明图1谐振器的宽度与功耗之间关系的曲线图；
图3是说明图1所示谐振器的厚度与宽度之间关系的曲线图；
图4是表示用于根据本发明一个实施例的表面安装振荡器的一个谐振器的分解透视图；
图5表示谐振器的顶面和底面；
图6是表示用于根据本发明另一实施例的表面安装与负载电容器一体化振荡器的一种谐振器的分解透视图；
图7表示电容器的正面和反面；
图8是表示用于根据本发明另一实施例的引出端与负载电容器一体化振荡器的一种谐振器的透视图。
在详细描述本发明之前，首先说明本发明的原理。
当在频带内产生脉动时，根据声速为固定的事实，认为厚薄切变振动的频率常数与伪振动的频率常数匹配，而后者是由振荡器确定的宽度W产生的，考虑因确定的宽度W而引起的振动包含了奇次高频谐波，诸如三次和五次谐波。当因确定的宽度W所引起的频率(2n+1)fa’实际上与振荡频率fosc相符时，频带内所发生的脉动产生一种不利影响。因此，为了消除脉动的不利影响，以下两个等式(4)和(5)必须保持正确。注意，fa’表示伪振动的反谐振频率，n对应于重叠在厚薄切变振动上的奇次伪振动，例如，n＝0对应于一次伪(宽度-伪)振动，n＝1与3次伪振动有关，n＝2对应于5次伪振动。振荡频率fosc位于切变振动的谐振频率fr与反谐振频率fa之间，即，fr≤fosc≤fa。当确定常数α，使得由低于反谐振频率fa的一个频率(其差值等于fa×α)表示振荡频率fosc时，振荡频率fosc与反谐振频率fa之间的关系可以用以下表达式(6)和(7)表示。
(4)Wfa′kfaT
(5)(2n+1)fa′≠fosc
(6)fosc＝fa(1-a)
(7)0＜α＜(fa-fr)/fa
上述公式(4)中，T表示压电基片的厚度，K表示由波的特性确定的常数，例如，当纵向波产生时K为1/2，当横向波产生时K为1。由于本发明采用纵向波，故K为1/2。
前述公式(4)至(6)经修改后由公式(8)表示如下：
(8)W≠k(2n+1)T/(1-a)
此外，公式(8)可以由不等式(9)表示：
(9)k(2n-1)T/(1-α)＜W＜k(2n+1)T/(1-α)
公式(9)中，n表示包括0的正整数。然而，如果n为0，公式的左侧则由负值表示。这样，仅当n为0时才使用下述公式：
(10)0＜W＜kT/(1-α)
本发明人对谐振器所用压电基片的宽度W改变时，在能量抑制、厚薄切变谐振器中伪响应的发生作了各种分析和研究。通过上述试验和研究，已经发现和证实实际上无伪响应产生，反过来，如果满足由公式(9)和(7)或公式(10)和(7)所表示的条件，则要产生影响该频带内的振荡的伪响应。
再者，实际上，振荡频率fosc与反谐振频率fa之间的关系，在考虑了温度特性、负载电容变化和振荡器外部结构后，较佳地可以用一个α：0＜α＜0.1的范围表示。当如上所述满足前面的公式时，对振荡有不利影响的脉动可以基本上消除。
图3表示公式(1)和(2)所示谐振器的宽度W与厚度T之间的关系。注意，α最好为：0＜α＜0.1。图3所示阴影线部分表示因发生伪响应而不能使用振荡器的区域。各个区域对应于伪振动的阶数，其中，n表示0、1、2、3、4、5。
例如，当采用可工作于8兆赫的振荡器时，压电基片的厚度T约为150微米。因此，图3表示基片的宽度W应当不同于0.08mm，0.23mm，0.39mm，0.54mm，0.70mm和0.86mm。其中可使用振荡器的宽度中心值可取决于以下公式。
W＝nT/(1-α)
尤其是，本例中可用宽度的中心值包括0.15mm，0.31mm，0.47mm，0.62mm和0.78mm。在本发明人所作试验中，当宽度W置于上述数值附近时获得所需特性。实际使用时，当振荡频率fosc等于或高于3兆赫时，可有效得到本发明的优点。
图2表示，为了实现低功耗振荡器，基片的宽度应等于或小于约0.7mm。另一方面，宽度W过小则难以制造、封装和安装压电基片。现在，按照加工基片所需的足够强度要求宽度W为最小约0.3mm。这样，通过本发明人的各种试验和研究，当按以下范围设置基片的尺寸时，可以获得具有无脉动阻抗曲线且易制造和易安装的谐振器：
ΔL＝1.1mm
W＝0.47mm
现在通过参照附图说明较佳实施例，对本发明作更详细的说明。
图4说明根据本发明实施例的用于表面安装振荡器的谐振器A。图4所示的振荡器由安装板10、谐振器A和帽15构成。安装板10由氧化铝陶瓷或玻璃环氧树脂制成的绝缘薄板组成，板10的顶面和底面上设置两个带状安装电极11和12。电极11和12的两端分别延伸到位于板10两个边缘的通孔缺口10a，并通过位于各个通孔缺口10a的电极电连接到位于板10底面的安装电极(未图示)。
谐振器A通过拥有导电和粘合两种功能的接合材料13和14，诸如导电粘合剂或导电焊料接合到电极11和12。由于接合材料13和14的厚度，振动空间可靠地设置在谐振器A与板10之间。为了可靠地将谐振器A连接到板10的电极11和12，如图5所示，谐振器A的各个电极2和3的端部2a和3a可以通过压电基片1的两个侧面或端面，延伸到与压电基片1设置电极2和3的表面相反的表面。在此情况下，导电粘合剂13和14通过诸如印刷加到板10上，以具有一定的厚度，然后，将谐振器A粘合到板10，由此可以在谐振器A的电极2和3与安装电极11和12之间简易和可靠地建立电连接。
帽15通过粘合剂16接合到板10，以覆盖谐振器A。本实施例中，通过将金属片拉制成纵截面为“U”形而形成帽15，但也可以通过铸造或模制制成。至于粘合剂16，可以根据耐热和耐化学品采用环氧树脂、丙烯酸环氧树脂或硅树脂粘合剂，首先考虑到与帽15的粘合和成本，较佳地采用环氧粘合剂。在帽15的底面利用转移法涂上粘合剂16后，将其粘合到板10上并固化粘合剂16，由此可方便地封装帽15的内部。
由于根据本发明构成的谐振器A的宽度为最小，故也可以减小配有该谐振器A的表面安装振荡器的宽度。再者，该振荡器仅需少量的电能，由此获得小型化和低功耗的移动通信设备。
图6表示根据本发明另一实施例的、用于表面安装和负载-电容一体化振荡器的谐振器A。该振荡器用于科尔皮兹振荡电路，它包括一个谐振器A和两个电容器。
由氧化铝陶瓷制成的安装板20的顶面和底面的两个端部和中部具有3个安装电极21、22和23。电极21、22和23的端部分别延伸到设置在电极21、22和23两个边缘的通孔缺口20a、20b和20c，由此在位于板20顶面与底面上的电极21、22和23之间建立电连接。其形状和部分与帽50的结合部分相对应的框架形绝缘层24具有一定的厚度并设置在板20的电极21、22和23上。
通过具有导电和粘合功能的薄膜形导电材料25、26和27，诸如导电粘合剂，相互叠加成一体的谐振器A和电容器30粘合到板20上。如图7所示，电容器30包括介质基片(例如陶瓷基片)31，它具有与谐振器A相同的长度和宽度。两个单独的电极32和33从谐振器30顶面的两端延伸到中部，一个反电极34设置成面向谐振器30底面中部位置上的单独的电极32和33。由反电极34和各个单独的电极32和33所形成的反面部分限定了两个电容器。单独的电极32和33的局部部分32a和33a分别设置在谐振器30的两端，以通过介质基片31的侧面或端面延伸到谐振器30的底面。
谐振器A的底面和电容器30的顶面通过位于器件A和30两端、具有导电和粘合功能的连接材料40和41，诸如导电粘合剂相互接合。尤其是，设置在谐振器A底面上的电极2和3分别电连接到电极32和33，位于电容器30的顶面上。再者，由于材料40和41的厚度，在谐振器A的振动部分与电容器30之间限定了一个振动空间。注意，用以调整频率的阻尼材料，诸如树脂42和43加到谐振器A底面两端。
通过将薄膜状导电材料25、26和27加到电容器30，使如上所述相互叠加成一体的谐振器A和电容器30固定到板20，由此使电容器30单独的电极32和33在电学上和物理上分别连接到置于板20上的安装电极21和22，使反电极34连接到安装电极23。通过位于电容器30底面两端并分别电连接到单独的电极32和33的局部电极32a和33a，单独的电极32和33可以分别通过导电材料25和26可靠和牢固地连接到电极21和22。
例如，通过将其上具有谐振器A的母板粘合到其上的电容器30包括材料40和41的母板上，并将整体结构切割成所需的器件尺寸，可以容易地制作谐振器A和电容器30的一体化结构。
帽50通过粘合剂51固定到板20，以覆盖谐振器A和电容器30。帽50采用一种与前述图4所示实施例所述帽15相同的材料。帽51还包括一种与图4所示实施例所述相同的材料。在通过转印用粘合剂51涂覆帽50的底面以后，将帽50粘合到绝缘层24，并固化粘合剂51。
前述实施例中，尽管电容器是由电容器30所限定的，但电容器也可以按以下方式设置在安装板20上。电容器电极可以设置在可以淀积介质层的安装板20上，然后将电容器电极进一步设置在介质层上。
图8表示根据本发明另一实施例的应用于引出端和贡载-电容器一体化振荡器中的谐振器A。图8中表示电容器60和引出端70、71和72。尽管本实施例中采用了圆条形引出端，但扁平的引出端也可采用。
电容器60中，两个单独的电极62和63设置在介质基片61一个主表面的两端，该介质基片例如由陶瓷组成，而反向面向单独电极62和63的反电极64设置在基片61另一主表面的中部。诸如图7所示，可以从电容器60中省去电连接到基片61底表面上单独电极的局部电极。尽管电容器60的宽度与谐振器A的宽度相同，电容器60的长度长于谐振器A的长度，谐振器A用导电粘合剂(未图示)粘合到其上设置单独电极62和63的电容器60的主表面的中部。因此，设置在谐振器A上的电极2和3分别电连接到单独电极62和63。一个预定的振动空间通过以上根据其他实施例所述的接合材料，可靠地设置在谐振器A的中部与电容器60之间。3个引出端70、71和72的前端压制成稍扁的形状，引出端70和71的前端两侧置于并焊接到由谐振器A的侧面和电容器60两端形成的台阶部分。台阶部分由谐振器A与电容器60的长度差形成。位于一侧的焊料覆盖着引出端70、谐振器A的电极2以及电容器60的单独电极62，由此牢靠地连接这3个元件。位于另一侧的焊料覆盖引出端71、谐振器A的电极3以及电容器60的单独电极63，由此可靠地连接这3个元件。此外，中心引出端72焊接到电容器60的反电极64。
如上所述，焊料起到连接引出端70、谐振器A的电极2以及电容器60的单独电极62的作用，并且分开连接引出端71、电极3和单独电极63。因此，可以用绝缘粘合剂替代导电粘合剂将谐振器A粘合到电容器60。谐振器A、电容器60以及引出端70、71和72的前端用浸渍树脂或树脂套管封装。
本实施例中，电容器60不仅起到电路器件的作用，而且作为谐振器A的一块增强板。这样，即使谐振器A的宽度为最小，电容器60也可以保护谐振器A免遭破碎。
图8所示的实施例中已经说明了组合谐振器A和电容器60所形成的复合型振荡器。然而，本发明并不局限于以上形式，也可以简单地用增强型板替代电容器60。在此情况下，由于本发明作为无负载电容器的一个双端振荡器使用，故中心引出端72可以简单地省略。
本发明并不局限于前述实施例。用于谐振器的压电基片，例如由LT或LN或其他合适材料制成的单晶体基片可以用来替代例如由PZT或PBTiO3制成的陶瓷基片。
尽管本发明联系其特定的实施例作了描述，但对于本领域的熟练人员而言，对此作出许多其他的变换和修改将是很显然的。因此，本发明最好仅由所附的权利要求书所限定。
Claims (8)
1.一种抑制能量、厚薄切变的压电谐振器，包括：
压电基片(1)；
在所述压电基片(1)的第一表面上从第一端延伸到中心部位的第一电极(2)；
在所述压电基片(1)的第二表面上从第二端延伸到中心部位的第二电极(3)，所述谐振器利用在一部分压电基片内产生的厚薄切变振动，该一部分压电基片位于所述压电基片(1)中心部位的第一与第二电极(2，3)之间，其特征在于，
所述压电基片(1)的宽度W设置成等于或小于约0.7mm，并满足以下的两种表达式(a)和(c)或满足两个表达式(b)和(c)：
(a)0＜W＜kT/(1-α)
(b)k(2n-1)T/(1-α)＜W＜k(2n+1)T/(1-α)
(c)0＜α＜(fa-fr)/fa
其中，T表示压电基片的厚度；k为1/2；fosc等于fa(1-α)；fosc表示谐振器的振荡频率；fa表示谐振器的反谐振频率；fr表示谐振器的谐振频率；α为一个常数；n表示一个正整数。
2.如权利要求1所述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器，其特征在于α值设置在：0＜α＜0.1。
3.一种电子元件，采用权利要求1或2所述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器，其特征在于所述电子元件包括：
绝缘安装板(10)，至少在该板(10)的上表面设置至少两个安装电极(11，12)；
所述抑制能量、厚薄切变压电谐振器安装在安装板(10)上，使所述谐振器的第一电极(2)和第二电极(3)分别连接到安装板的安装电极(11，12)上；
帽(15)，它固定到安装板(10)以覆盖所述谐振器，所述安装板(10)的安装电极(11，12)设置成从所述帽(15)的内部延伸到外部。
4.一种电子元件，采用权利要求1或2所述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器，其特征在于所述电子元件包括：
绝缘安装板(20)，至少在该板(20)的上表面设置至少第一、第二和第三安装电极(21，22，23)；
所述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器；
电容器(30)，它包括一介质基片和反电极(34)，其中，介质基片的一个主表面的两侧设置两个单独的电极(32，33)，反电极(34)位于所述介质基片另一主表面的中心部位，与所述两个单独的电极(32，33)反向面对面设置，所述电容器(30)安装在安装板(20)上，使所述电容器(30)的所述反电极(34)电连接到所述安装板(20)的第二安装电极(22)，所述电容器(30)的两个单独的电极(32，33)电连接到所述安装板(20)的第一和第三安装电极(21，23)以及所述谐振器的第一和第二电极(2，3)；
帽(50)，它固定到安装板(20)以覆盖谐振器和电容器(30)，所述安装板的第一、第二和第三安装电极(21，22，23)设置成从所述帽(50)的内部延伸到其外部。
5.一种电子元件，采用权利要求1或2所述的抑制能量、厚薄切变压电谐振器，其特征在于所述电子元件包括：
所述抑制能量、厚薄切变压电谐振器；
电容器(60)，它包括介质基片(61)和反电极(64)，其中，介质基片(61)长于谐振器，其第一主表面两侧设置两个单独的电极(62，63)，反电极(64)位于所述介质基片(61)第二主表面的中心部位，与所述电容器的两个单独的电极(62，63)反向面对面设置，所述谐振器固定到其上设置单独的电极(62，63)的电容器(60)主表面的中心部位；
第一、第二和第三引出端(70，71，72)，其中，第一和第二引出端(70，71)分别设置在由谐振器两个侧面与电容器(60)两端所限定的台阶部分，并电连接到谐振器的第一和第二电极(2，3)以及所述电容器(60)的所述单独的电极(62，63)，第三引出端(72)则电连接到所述电容器(60)的反电极(64)。
6.一种电子元件，采用权利要求1或2所述的厚度切变压电谐振器，其特征在于包括：
绝缘安装板(10)，至少在该板(10)的上表面设置至少两个安装电极(11，12)；所述厚薄切变压电谐振器安装在安装板(10)上，使所述谐振器的第一电极(2)和第二电极(3)分别连接到所述安装板的安装电极(11，12)；帽(15)，它固定到所述安装板(10)以覆盖所述谐振器，所述安装板(10)的安装电极(11，12)设置成从所述帽(15)的内部延伸到外部。
7.一种电子元件，采用权利要求1或2所述的厚薄切变压电谐振器，其特征在于包括：
绝缘安装板(20)，至少在该板(20)的上表面设置至少第一、第二和第三安装电极(21，22，23)；电容器(30)，它包括一介质基片和反电极(34)，其中，介质基片的一个主表面的两侧设置两个单独电极(32，33)，反电极(34)位于所述介质基片另一主表面的中心部位，与所述两个单独电极(32，33)反向面对面设置，所述电容器(30)安装在安装板(20)上，使所述电容器(30)的所述反电极(34)电连接到所述安装板(20)的第二安装电极(22)，所述电容器(30)的两个单独电极(32，33)电连接到所述安装板(20)的第一和第三安装电极(21，23)以及所述谐振器的第一和第二电极(2，3)；
帽(50)，它固定到安装板(20)以覆盖谐振器和电容器(30)，所述安装板的第一、第二和第三安装电极(21，22，23)设置成从所述帽(50)的内部延伸到其外部。
8.一种电子元件，采用权利要求1或2所述的厚薄切变压电谐振器，其特征在于包括：
电容器(60)，它包括介质基片(61)和反电极(64)，其中，介质基片(61)较长于所述谐振器，其第一主表面两侧设置两个单独电极(62，63)，反电极(64)位于所述介质基片(61)第二主表面的中心部位，与所述电容器的两个单独电极(62，63)反向面对面设置，所述谐振器固定到其上设置单独电极(62，63)的电容器(60)主表面的中心部位；以及
第一、第二和第三引出端(70，71，72)，其中，第一和第二引出端(70，71)分别设置在由谐振器两个侧面与电容器(60)两端所限定的台阶部分，并电连接到谐振器的第一和第二电极(2，3)以及所述电容器(60)的所述单独电极(62，63)，第三引出端(72)则电连接到所述电容器(60)的反电极(64)。
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