DE112021006131T5 - Layered electronic component and method for producing the layered electronic component - Google Patents
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Abstract
Ein geschichtetes elektronisches Bauelement, zum Beispiel eine flexible haptische Rückkopplungsvorrichtung, wird offenbart. Das geschichtete elektronische Bauelement kann einen Stapel mit einer ersten und einer zweiten elektroaktiven Polymerschicht (EAP) enthalten. Jede der ersten und zweiten EAP-Schichten kann ein EAP-Material enthalten. Ein wesentlicher Teil jeder der ersten und zweiten EAP-Schichten kann partikelfrei sein. Der Stapel kann ferner eine elektroaktive Verbundschicht enthalten, die zwischen der ersten und der zweiten EAP-Schicht angeordnet ist, wobei die elektroaktive Verbundschicht eine Dicke entlang einer ersten Richtung aufweist. Die elektroaktive Verbundschicht kann eine Polymermatrix enthalten, die außerdem Partikel enthalten kann. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten elektronischen Bauelements offenbart. Das Verfahren kann die Bereitstellung eines Substrats und die Bildung eines Stapels umfassen. Der Stapel kann gebildet werden durch: Aufbringen eines ersten EAP-Schichtmaterials, Aufbringen einer EAP-Verbundschichtzusammensetzung und Aufbringen eines zweiten EAP-Schichtmaterials.A layered electronic device, for example a flexible haptic feedback device, is disclosed. The layered electronic device may include a stack with first and second electroactive polymer (EAP) layers. Each of the first and second EAP layers may contain an EAP material. A substantial portion of each of the first and second EAP layers may be particle-free. The stack may further include an electroactive composite layer disposed between the first and second EAP layers, the electroactive composite layer having a thickness along a first direction. The electroactive composite layer may contain a polymer matrix, which may also contain particles. Furthermore, a method for producing a layered electronic component is disclosed. The method may include providing a substrate and forming a stack. The stack may be formed by: applying a first EAP layer material, applying an EAP composite layer composition, and applying a second EAP layer material.
Description
Technisches GebietTechnical area
Verschiedene Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf ein geschichtetes elektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung der geschichteten elektronischen Bauelement.Various aspects of this disclosure relate to a layered electronic device and a method of manufacturing the layered electronic device.
Stand der TechnikState of the art
Herkömmliche elektronische Bauelemente können elektrisch aktive Schichten zwischen Elektroden aufweisen. Die elektrisch aktiven Schichten können Verbundschichten mit Füllstoffen mit hoher Dielektrizitätskonstante enthalten, um die dielektrischen Eigenschaften des Bauelements zu verbessern. Solche Füllstoffe verursachen jedoch eine lokale Verstärkung eines angelegten elektrischen Feldes aufgrund des Maxwell-Wagner-Sillars-Effekts (MWS) an der Füllstoff/Matrix-Grenzfläche, was zu einer starken Verschlechterung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit und einem vorzeitigen Ausfall des Bauelements führt.Conventional electronic components can have electrically active layers between electrodes. The electrically active layers may contain composite layers with high dielectric constant fillers to improve the dielectric properties of the device. However, such fillers cause local amplification of an applied electric field due to the Maxwell-Wagner-Sillars effect (MWS) at the filler/matrix interface, resulting in severe degradation of dielectric strength and premature failure of the device.
Daher besteht die Notwendigkeit, ein verbessertes geschichtetes elektronisches Bauelement bereitzustellen, das eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist.Therefore, there is a need to provide an improved layered electronic device that has high dielectric strength.
KurzdarstellungShort presentation
Es ist daher Gegenstand der Erfindung, ein verbessertes geschichtetes elektronisches Bauelement, z. B. einen elektromechanischen Aktuator bzw. Stellantrieb, bereitzustellen.It is therefore the subject of the invention to provide an improved layered electronic component, e.g. B. to provide an electromechanical actuator or actuator.
Verschiedene Ausführungsformen können ein geschichtetes elektronisches Bauelement bereitstellen. Das geschichtete elektronische Bauelement kann einen Stapel umfassen, der ferner eine erste und eine zweite elektroaktive Polymerschicht (EAP) umfassen kann. Jede der ersten und zweiten EAP-Schichten kann ein EAP-Material enthalten. Ein wesentlicher Teil davon kann jeweils partikelfrei sein. Der Stapel kann ferner eine elektroaktive Verbundschicht enthalten, die zwischen der ersten und der zweiten EAP-Schicht angeordnet sein kann und eine Dicke entlang einer ersten Richtung aufweisen kann. Die elektroaktive Verbundschicht kann eine Polymermatrix enthalten und kann außerdem Partikel enthalten.Various embodiments may provide a layered electronic device. The layered electronic device may include a stack, which may further include first and second electroactive polymer (EAP) layers. Each of the first and second EAP layers may contain an EAP material. A significant part of it can be particle-free. The stack may further include an electroactive composite layer, which may be disposed between the first and second EAP layers and may have a thickness along a first direction. The electroactive composite layer may contain a polymer matrix and may also contain particles.
Verschiedene Ausführungsformen können ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten elektronischen Bauelements vorsehen. Das Verfahren kann die Bereitstellung eines Substrats und die Bildung des Stapels umfassen. Der Stapel kann die Abscheidung eines ersten EAP-Schichtmaterials, die Abscheidung einer EAP-Verbundschichtzusammensetzung und ferner die Abscheidung eines zweiten EAP-Schichtmaterials umfassen.Various embodiments may provide a method of manufacturing the layered electronic component. The method may include providing a substrate and forming the stack. The stack may include depositing a first EAP layer material, depositing an EAP composite layer composition, and further depositing a second EAP layer material.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das geschichtete elektronische Bauelement ein flexibler Aktuator mit haptischem Feedback sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das geschichtete elektronische Bauelement ein flexibler haptischer Rückkopplungsaktuator mit Dünnfilm sein.According to various embodiments, the layered electronic component may be a flexible actuator with haptic feedback. According to various embodiments, the layered electronic device may be a flexible thin film haptic feedback actuator.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird mit Bezug auf die detaillierte Beschreibung besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den nicht einschränkenden Beispielen und den zugehörigen Zeichnungen betrachtet wird, in denen Folgendes gilt:
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1A und1 B zeigen als Beispiel schematische Darstellungen eines Querschnitts eines geschichtetenelektronischen Bauelements 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen; - -
2A und2B zeigen schematische Darstellungen von geschichtetenelektronischen Bauelementen 200 und 230, als Beispiel, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; - -
3 zeigt eine schematische Darstellung einesbeispielhaften Verfahrens 300 zur Herstellung eines geschichtetenelektronischen Bauelements 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen; - -
4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme des Querschnitts der EAP / ZrO2:EAP / EAP-Schichten, als Beispiel, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; - -
5A und5B zeigen die Röntgenbeugungsspektren (XRD) zum Vergleich der (A) EAP / ZrO2-Schichten und der EAP / ZrO2: EAP / EAP-Schichten und (B) der EAP / TiO2-Schichten und der EAP / TiO2: EAP / EAP-Schichten, als Beispiel, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; - -
6A bis6C zeigen die elektrische Durchbruchverteilung und das ferroelektrische Hysteresediagramm der EAP / ZrO2: EAP / EAP-Schichten im Vergleich zu den EAP / ZrO2-Schichten, als Beispiel, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; - -
7A bis7C zeigen die Verteilung des elektrischen Durchbruchs und die ferroelektrische Hysteresekurve der EAP / TiO2: EAP / EAP-Schichten im Vergleich zu den EAP / TiO2-Schichten, als Beispiel, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und - -
8 zeigt ein Diagramm, das die Ausgangskraft der EAP / ZrO2: EAP / EAP-Schichten, der EAP / TiO2: EAP / EAP-Schichten und der reinen EAP / EAP / EAP-Schichten gemäß verschiedenen Ausführungsformen beispielhaft vergleicht.
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1A and1 B show, as an example, schematic representations of a cross section of a layeredelectronic component 100 according to various embodiments; - -
2A and2 B show schematic representations of layered 200 and 230, by way of example, according to various embodiments;electronic components - -
3 shows a schematic representation of anexemplary method 300 for producing a layeredelectronic component 100 according to various embodiments; - -
4 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the cross section of the EAP/ZrO 2 :EAP/EAP layers, as an example, according to various embodiments; - -
5A and5B show the X-ray diffraction spectra (XRD) for comparing the (A) EAP / ZrO 2 layers and the EAP / ZrO 2 : EAP / EAP layers and (B) the EAP / TiO 2 layers and the EAP / TiO 2 : EAP / EAP layers, by way of example, according to various embodiments; - -
6A until6C show the electrical breakdown distribution and ferroelectric hysteresis diagram of the EAP/ZrO 2 :EAP/EAP layers compared to the EAP/ZrO 2 layers, as an example, according to various embodiments; - -
7A until7C show the electrical breakdown distribution and ferroelectric hysteresis curve of the EAP/TiO 2 :EAP/EAP layers compared to the EAP/TiO 2 layers, as an example, according to various embodiments; and - -
8th shows a diagram that compares, by way of example, the output force of the EAP / ZrO 2 : EAP / EAP layers, the EAP / TiO 2 : EAP / EAP layers and the pure EAP / EAP / EAP layers according to various embodiments.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in denen die Offenbarung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen sind ausreichend detailliert beschrieben, um den Fachleuten die Anwendung der Offenbarung zu ermöglichen. Andere Ausführungsformen können angewendet werden, und strukturelle und logische Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Die verschiedenen Ausführungsformen schließen sich nicht unbedingt gegenseitig aus, da einige Ausführungsformen mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, um neue Ausführungsformen zu bilden.The following detailed description refers to the accompanying drawings, which show, by way of illustration, specific details and embodiments in which the disclosure may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to utilize the disclosure. Other embodiments may be employed, and structural and logical changes may be made, without departing from the scope of the disclosure. The various embodiments are not necessarily mutually exclusive, as some embodiments may be combined with one or more other embodiments to form new embodiments.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, können entsprechend auf die gleichen oder ähnliche Merkmale in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein. Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, können entsprechend auf die anderen Ausführungsformen anwendbar sein, auch wenn sie in diesen anderen Ausführungsformen nicht ausdrücklich beschrieben sind. Darüber hinaus können Ergänzungen und/oder Kombinationen und/oder Alternativen, wie sie für ein Merkmal im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben sind, entsprechend auf das gleiche oder ähnliche Merkmal in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein.Features described in connection with one embodiment may apply correspondingly to the same or similar features in the other embodiments. Features described in connection with one embodiment may apply correspondingly to the other embodiments, even if they are not expressly described in those other embodiments. In addition, additions and/or combinations and/or alternatives as described for a feature in connection with one embodiment may apply correspondingly to the same or similar feature in the other embodiments.
Die hier illustrativ beschriebene Offenbarung kann in geeigneter Weise in Abwesenheit eines oder mehrerer Elemente, einer oder mehrerer Beschränkungen, die hier nicht spezifisch offenbart sind, ausgeführt werden. So sind zum Beispiel die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“, „enthaltend“ usw. breit gefasst und ohne Einschränkung zu verstehen. Das Wort „umfassen“ oder Abwandlungen wie „umfasst“ oder „umfassend“ sind dementsprechend so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung einer bestimmten ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen, nicht aber den Ausschluss einer anderen ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen implizieren. Darüber hinaus wurden die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, sondern es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der Offenbarung möglich sind. Es sollte daher verstanden werden, dass, obwohl die vorliegende Offenbarung speziell durch beispielhafte Ausführungsformen und optionale Merkmale offenbart wurde, Modifikationen und Variationen der hier verkörperten Offenbarung von Fachleuten vorgenommen werden können.The disclosure illustratively described herein may be conveniently carried out in the absence of one or more elements or limitations not specifically disclosed herein. For example, the terms “comprising,” “including,” “including,” etc. are intended to be broadly construed and not limited. Accordingly, the word “comprise” or variations such as “comprises” or “comprising” are to be understood to imply the inclusion of a particular integer or group of integers, but not the exclusion of any other integer or group of integers. Furthermore, the terms and expressions used herein have been used for purposes of description rather than limitation, and the use of such terms and expressions is not intended to exclude equivalents of the features shown and described or portions thereof, but rather acknowledges that various modifications may occur within the scope of the disclosure is possible. It should therefore be understood that although the present disclosure has been specifically disclosed through example embodiments and optional features, modifications and variations to the disclosure embodied herein may be made by those skilled in the art.
Im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen schließen die Artikel „ein“, „eine“ und „der, die, das“, die in Bezug auf ein Merkmal oder Element verwendet werden, einen Verweis auf eines oder mehrere der Merkmale oder Elemente ein. Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Elemente ein.In connection with various embodiments, the articles "a," "an," and "the" used in reference to a feature or element include a reference to one or more of the features or elements. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.
Die in den Ansprüchen in Klammern gesetzten Bezugszeichen dienen dem besseren Verständnis der Offenbarung und haben keine einschränkende Wirkung auf den Umfang der Ansprüche.The reference symbols in parentheses in the claims serve to better understand the disclosure and have no limiting effect on the scope of the claims.
Wie hierin und gemäß verschiedenen Ausführungsformen verwendet, kann das „J“ eine Schichttrennung bedeuten, z. B. kann „A / B“ bedeuten, dass die Komponenten A und B in getrennten Schichten vorliegen, wie z. B. eine Hauptoberfläche der Schicht A gegenüber einer Hauptoberfläche der Schicht B, die Schichten A und B liegen übereinander, die Schichten A und B überlappen einander direkt oder indirekt mit weiteren Schichten dazwischen. Wie hierin verwendet und gemäß verschiedenen Ausführungsformen, kann der „:“ bedeuten, dass die Komponenten einer Schicht eine Mischung oder ein Gemisch darstellen, z. B. kann „A : B“ bedeuten, dass A und B in einer gemeinsamen Schicht gemischt oder vermengt sind.As used herein and in various embodiments, the “J” may mean delamination, e.g. For example, “A/B” can mean that components A and B exist in separate layers, such as B. a main surface of layer A opposite a main surface of layer B, the layers A and B lie on top of each other, the layers A and B overlap each other directly or indirectly with further layers in between. As used herein and according to various embodiments, the ":" may mean that the components of a layer represent a mixture or mixture, e.g. B. “A : B” can mean that A and B are mixed or blended in a common layer.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Begriff „geschichtet“, wie er hier verwendet wird, auf eine Anordnung von Schichten oder Blättern beziehen, die übereinander gestapelt sind. Der Begriff „geschichtet“ kann zwei oder mehr Schichten umfassen, die in einer Mehrfachstapelstruktur angeordnet sind. Der Begriff „geschichtet“ kann sich zum Beispiel auf eine Anordnung beziehen, die eine erste elektroaktive Polymerschicht (EAP), eine elektroaktive Verbundschicht, die auf die erste EAP-Schicht gestapelt ist, und eine zweite EAP-Schicht, die auf die elektroaktive Verbundschicht gestapelt ist, umfasst. Dementsprechend kann sich der Begriff „geschichtetes elektronisches Bauelement“ auf ein elektronisches Bauelement beziehen, das durch die Anordnung von Schichten gebildet werden kann. Wie hier und gemäß verschiedenen Ausführungsformen verwendet, werden die Begriffe „oben“ und „unten“ verwendet, um verschiedene Seiten zu bezeichnen, und können ferner eine Position oder Stapelrichtung in Bezug auf das Substrat oder den Boden bezeichnen, zum Beispiel das Substrat, das näher am Boden liegt als die elektroaktiven Schichten, die sich „oben“ auf dem Substrat befinden können.According to various embodiments, the term "layered" as used herein may refer to an arrangement of layers or sheets stacked one on top of the other. The term “layered” may include two or more layers arranged in a multi-stack structure. For example, the term "layered" may refer to an assembly that includes a first electroactive polymer layer (EAP), an electroactive composite layer stacked on the first EAP layer, and a second EAP layer stacked on the electroactive composite layer is, includes. Accordingly, the term “layered electronic device” may refer to an electronic device that can be formed by the arrangement of layers. As used herein and in accordance with various embodiments, the terms "top" and "bottom" are used to mean various those sides, and may further denote a position or stacking direction with respect to the substrate or the bottom, for example the substrate being closer to the bottom than the electroactive layers which may be “on top” of the substrate.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Begriff „Partikel“, wie er hier verwendet wird, auf einzelne Teile beziehen, die aus keramischen oder metallischen Materialien bestehen können. Zum Beispiel können keramische Partikel anorganisch und zusätzlich hitzebeständig sein und sowohl aus metallischen als auch aus nichtmetallischen Verbindungen bestehen. Metallische Partikel können aus metallischen Elementen bestehen. Die keramischen Partikel und die metallischen Partikel können eine oder mehrere dielektrische, ferroelektrische oder piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Im Rahmen der Offenbarung können einige Ausführungsformen und Beispiele keramische Partikel verwenden. Es ist jedoch denkbar, dass die Ausführungsformen und Beispiele gemäß der Offenbarung anstelle von (oder zusätzlich zu) Keramikpartikeln auch Metallpartikel verwenden.According to various embodiments, the term "particles" as used herein may refer to individual parts, which may be composed of ceramic or metallic materials. For example, ceramic particles can be inorganic and additionally heat-resistant and consist of both metallic and non-metallic compounds. Metallic particles can consist of metallic elements. The ceramic particles and the metallic particles may have one or more dielectric, ferroelectric, or piezoelectric properties, according to various embodiments. Within the scope of the disclosure, some embodiments and examples may use ceramic particles. However, it is conceivable that the embodiments and examples according to the disclosure also use metal particles instead of (or in addition to) ceramic particles.
Die
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 110 jedes beliebige Substrat umfassen, das für die Verwendung in Aktuatoren geeignet ist. Zum Beispiel kann das Substrat 110 ein flexibles Substrat und/oder ein transparentes Substrat sein. Als weiteres Beispiel kann das Substrat 110 ein Polymersubstrat sein, zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polycarbonat (PC), das flexibel und/oder transparent sein kann.According to various embodiments,
Die erste und zweite EAP-Schicht 120, 140 kann jeweils ein EAP-Material enthalten. Ein wesentlicher Teil der ersten und zweiten EAP-Schichten 120, 140 kann frei von Partikeln 160 (z. B. Keramikpartikeln) sein.The first and second EAP layers 120, 140 may each contain an EAP material. A significant portion of the first and second EAP layers 120, 140 may be free of particles 160 (e.g., ceramic particles).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Begriff „elektroaktives Polymer“ oder seine Abkürzung EAP, wie hier verwendet, auf ein Polymer beziehen, das als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld eine Formänderung erfahren kann, wobei das Polymer bei mechanischer Stimulation zusätzlich ein elektrisches Signal aussenden kann. Das elektrische Signal kann über Elektroden, die mit dem EAP verbunden sind, erfasst werden. Bei dem EAP kann es sich um eine Art elektroaktives Material handeln. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung und gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das EAP ein Polymer, das als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld eine Formänderung erfährt. Beispiele für EAPs können Folgende einschließen: dielektrisches EAP (dEAP), piezoelektrisch aktives Polymer (piezoEAP). Beispiele für piezoelektrische EAPs sind Poly(vinylidenfluorid), abgekürzt (PVDF), und seine Copolymere, nämlich: ferroelektrische EAPs (ferroEAPs) wie Poly (Vinylidenfluorid - Trifluorethylen - Chlortrifluorethylen), abgekürzt als P(VDF - TrFE - CTFE), Poly (Vinylidenfluorid - Trifluorethylen - Chlorfluorethylen), abgekürzt als P(VDF - TrFE - CFE), Poly (Vinylidenfluorid - Trifluorethylen - Hexafluorpropylen), abgekürzt als P(VDF - TrFE - HFP), und Poly[(vinylidenfluorid - co - trifluorethylen], abgekürzt als P(VDF - TrFE), Poly[(vinylidenfluorid - co - hexafluorpropylen], abgekürzt als P(VDF - HFP), Poly[(vinylidenfluorid - co - chlortrifluorethylen], abgekürzt als P(VDF - CTFE). Beispiele für dielektrische EAPs sind: Acrylelastomere, Silikonelastomere, Fluorelastomere, Polyurethan, natürliche/synthetische Kautschuke.According to various embodiments, the term "electroactive polymer" or its abbreviation EAP, as used herein, may refer to a polymer that can undergo a shape change in response to an applied electric field, wherein the polymer can additionally emit an electrical signal upon mechanical stimulation . The electrical signal can be detected via electrodes connected to the EAP. The EAP may be a type of electroactive material. Within the scope of the present disclosure and in accordance with various embodiments, the EAP is a polymer that undergoes a shape change in response to an applied electric field. Examples of EAPs may include: dielectric EAP (dEAP), piezoelectric active polymer (piezoEAP). Examples of piezoelectric EAPs are poly(vinylidene fluoride), abbreviated (PVDF), and its copolymers, namely: ferroelectric EAPs (ferroEAPs) such as poly (vinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorotrifluoroethylene), abbreviated as P(VDF - TrFE - CTFE), poly (vinylidene fluoride - Trifluoroethylene - Chlorofluoroethylene), abbreviated as P(VDF - TrFE - CFE), Poly(vinylidene fluoride - trifluoroethylene - hexafluoropropylene), abbreviated as P(VDF - TrFE - HFP), and Poly[(vinylidene fluoride - co - trifluoroethylene], abbreviated as P(VDF - TrFE), Poly[(vinylidene fluoride - co - hexafluoropropylene], abbreviated as P(VDF - HFP), Poly[(vinylidene fluoride - co - chlorotrifluoroethylene], abbreviated as P(VDF - CTFE). Examples of dielectric EAPs are : Acrylic elastomers, silicone elastomers, fluoroelastomers, polyurethane, natural/synthetic rubbers.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Begriff „EAP-Material“, wie er hier verwendet wird, auf ein Material beziehen, das EAPs wie oben definiert enthält. Ein EAP-Material kann zum Beispiel eine EAP-Zusammensetzung umfassen, die mindestens ein EAP enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff EAP-Material ein EAP einschließen oder ein EAP sein.According to various embodiments, the term “EAP material” as used herein may refer to a material that contains EAPs as defined above. For example, an EAP material may include an EAP composition that contains at least one EAP. According to various embodiments, the term EAP material may include or be an EAP.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der hier verwendete Begriff „wesentlicher Anteil davon“ in Bezug auf eine Schicht bedeuten, dass ein großer Teil der Schicht ein Material, z. B. das EAP, umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht. Mit anderen Worten, die Schicht darf keine oder nur geringe Mengen einer Verunreinigung, z. B. anorganische Partikel wie Keramikpartikel, enthalten. Der Begriff „wesentlicher Anteil“ kann z. B. bedeuten, dass der Anteil des EAP in der Schicht mehr als 95 % oder mehr als 98 % der Dicke der Schicht ausmacht oder dass die Schicht frei von Partikeln ist.According to various embodiments, as used herein, the term "substantial portion thereof" with respect to a layer may mean that a large portion of the layer is a material, e.g. B. the EAP, includes or essentially consists of it. In other words, the layer must contain no or only small amounts of a contaminant, e.g. B. contain inorganic particles such as ceramic particles. The term “significant share” can e.g. B. mean that the proportion of EAP in the layer accounts for more than 95% or more than 98% of the thickness of the layer or that the layer is free of particles.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Begriff „partikelfrei“, wie er hier verwendet wird, auf das EAP-Material beziehen, z. B. eine EAP-Zusammensetzung, die ein EAP enthält, das keine Partikel (z. B. Keramikpartikel) oder Spuren oder winzige Mengen von Partikeln (z. B. Keramikpartikel) enthalten kann. Beispielsweise können winzige Mengen der Partikel (z. B. Keramikpartikel) unbeabsichtigt in das EAP-Material der benachbarten EAP-Schichten (z. B. erste und zweite EAP-Schicht) gelangen, und zwar aufgrund der Diffusion der Partikel (z. B. Keramikpartikel) aus der elektroaktiven Verbundschicht (z. B. während der Bildung des geschichteten elektronischen Bauelements). Der Begriff partikelfrei (z. B. Keramikpartikel) kann sich auf ein EAP-Material beziehen, das 96 bis 100 Vol.-% des EAP enthält (z. B. ≤ 5 Vol. -% der Partikel, z. B. Keramikpartikel). Der Begriff frei von Partikeln (z. B. Keramikpartikeln) kann sich beispielsweise auf ein EAP-Material beziehen, das 98 bis 100 Vol.-% des EAP enthält (z. B. ≤ 2 Vol. -% der Partikel, z. B. Keramikpartikel). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung und gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Begriff „frei von Partikeln (z. B. Keramikpartikeln)“ auf das EAP-Material beziehen, das ≤ 2 Vol.-% an Partikeln (z. B. Keramikpartikeln) enthält. Mit anderen Worten, das EAP-Material der ersten und zweiten EAP-Schichten 120, 140 kann mindestens 98 Vol.-% des EAP enthalten.According to various embodiments, the term "particulate-free" as used herein may refer to the EAP material, e.g. B. an EAP composition containing an EAP that may contain no particles (e.g., ceramic particles) or trace or minute amounts of particles (e.g., ceramic particles). For example, minute amounts of the particles (e.g., ceramic particles) may inadvertently enter the EAP material of the adjacent EAP layers (e.g., first and second EAP layers) due to the diffusion of the particles (e.g. Ceramic particles) from the electroactive composite layer (e.g. during the formation of the layered electronic component). The term particle-free (e.g., ceramic particles) may refer to an EAP material that contains 96 to 100 vol% of the EAP (e.g., ≤ 5 vol% of the particles, e.g., ceramic particles) . The term free of particles (e.g. ceramic particles) may, for example, refer to an EAP material that contains 98 to 100% by volume of the EAP (e.g. ≤ 2% by volume of the particles, e.g . Ceramic particles). As used herein and in accordance with various embodiments, the term “free of particulates (e.g., ceramic particles)” may refer to the EAP material containing ≤2% by volume of particulates (e.g., ceramic particles). In other words, the EAP material of the first and second EAP layers 120, 140 may contain at least 98% by volume of the EAP.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das EAP-Material der ersten und zweiten EAP-Schicht 120, 140 eine EAP-Zusammensetzung umfassen, die ein elektroaktives Material, z. B. ein EAP, enthält. Als weiteres Beispiel kann das EAP-Material FerroEAPs wie PVDF - TrFE, P(VDF - TrFE - CTFE), P(VDF - TrFE - CFE) umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das EAP-Material der ersten und zweiten EAP-Schichten 120, 140 P(VDF - TrFE - CTFE) sein.According to various embodiments, the EAP material of the first and second EAP layers 120, 140 may comprise an EAP composition that includes an electroactive material, e.g. B. an EAP. As another example, the EAP material may include FerroEAPs such as PVDF - TrFE, P(VDF - TrFE - CTFE), P(VDF - TrFE - CFE). According to a preferred embodiment, the EAP material of the first and second EAP layers 120, 140 may be P(VDF - TrFE - CTFE).
In der
Während die in den
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Polymermatrix 150 eine Matrix sein, die ein elektroaktives Material, zum Beispiel ein EAP, enthält. Als weiteres Beispiel kann die Polymermatrix 150 ferroEAPs enthalten, zum Beispiel PVDF - TrFE, P(VDF - TrFE - CTFE), P(VDF - TrFE - CFE). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Polymermatrix 150 die P(VDF - TrFE - CTFE) EAP enthalten. Die erste (120) und die zweite (140) EAP-Schicht und die Polymermatrix (150) der elektroaktiven Verbundschicht (130) können gemäß verschiedenen Ausführungsformen das gleiche EAP-Material als Hauptbestandteil enthalten. Das gleiche EAP-Material kann zum Beispiel das P(VDF - TrFE - CTFE) EAP sein.According to various embodiments, the
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Teilchen 160 (z. B. Keramikteilchen) in einem Nanometerbereich (z. B. Skala) von Abmessungen liegen. Die Größe, z. B. der Durchmesser der Partikel 160 (z. B. keramische Partikel) kann z. B. Abmessungen im Bereich von 2 nm bis 300 nm umfassen. So kann beispielsweise die Größe (z. B. der Durchmesser) der Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) im Bereich von 2 nm bis 200 nm liegen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung können die Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) Nanopartikel 160 (z. B. Keramiknanopartikel) mit einer Größe (z. B. Durchmesser) im Bereich von 2 nm bis 100 nm umfassen.According to various embodiments, the particles 160 (e.g., ceramic particles) may be on a nanometer range (e.g., scale) of dimensions. The size, e.g. B. the diameter of the particles 160 (e.g. ceramic particles) can e.g. B. Dimensions in the range from 2 nm to 300 nm. For example, the size (e.g. diameter) of the particles 160 (e.g. ceramic particles) can be in the range from 2 nm to 200 nm. Within the scope of the present disclosure, the particles 160 (e.g., ceramic particles) may be nanoparticles 160 (e.g., ceramic nanoparticles) having a size (e.g. Diameter) in the range from 2 nm to 100 nm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Partikel 160 keramische Partikel enthalten oder sein. Die Keramikpartikel 160 können ein Metalloxid enthalten. Das Metalloxid kann Teilchen umfassen, die ein Metallkation und ein Oxidanion enthalten. Das Metalloxid kann eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen und kann ein piezoelektrisches Metalloxid sein. Daher können die Teilchen 160 als Reaktion auf eine mechanische Belastung einen elektrischen Strom erzeugen. Beispiele für Metalloxide sind Zirkoniumdioxid, abgekürzt (ZrO2), Titandioxid, abgekürzt (TiO2), Bariumtitanat, abgekürzt (BaTiO3), Bariumstrontiumtitanat, abgekürzt ((Ba·Sr)TiO3), Magnesium-Titanoxid, abgekürzt als (MgTiO3), Calcium-Kupfer-Titanat, abgekürzt als (CaCuaTi4O12), Blei-Magnesium-Niobat-Bleititanat, abgekürzt als (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3), Blei-Zirkonat-Titanat, abgekürzt als (Pb(Zr,Ti)O3). Die keramischen Partikel 160 können gemäß verschiedenen Ausführungsformen aus ZrO2 oder aus TiO2 bestehen.According to various embodiments, the
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Gewichtsverhältnis der Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) zur Polymermatrix 150 der elektroaktiven Verbundschicht 130 zwischen 2 Vol.-% und 70 Vol.-% liegen. Beispielsweise kann das Gewichtsverhältnis der Keramikpartikel 160 zur Polymermatrix 150 zwischen 2 Vol.-% und 60 Vol.-% oder zwischen 2 Vol.-% und 50 Vol.-% liegen.According to various embodiments, the weight ratio of the particles 160 (e.g. ceramic particles) to the
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) in der elektroaktiven Verbundschicht 130 zufällig in der Polymermatrix 150 dispergiert sein, beispielsweise in einer zweiten Richtung 2D, die senkrecht zur ersten Richtung 1 D sein kann. Die zweite Richtung 2D kann z. B. parallel zum Substrat 110 verlaufen. Beispielsweise können die Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) in der Polymermatrix 150 entlang der zweiten Richtung 2D innerhalb der Polymermatrix 150 der elektroaktiven Verbundschicht 130 in einer ungleichmäßigen oder unregelmäßigen Weise angeordnet sein. Als weiteres Beispiel kann jedes Teilchen 160 (z. B. Keramikteilchen) innerhalb der Polymermatrix 150 in verschiedenen Ebenen entlang der Dicke der elektroaktiven Verbundschicht 130 angeordnet sein (z. B. entlang der ersten Richtung 1 D, senkrecht zum Substrat 110). Zur Veranschaulichung könnte ein erstes Teilchen 160 nicht mit einem zweiten Teilchen 160 innerhalb der Polymermatrix 150 ausgerichtet sein. Mit anderen Worten, die Partikel 160 sind möglicherweise nicht in einer regelmäßigen Anordnung in der Polymermatrix 150 verteilt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Partikel 160 keramische Partikel 160 umfassen oder sein.According to various embodiments, the particles 160 (e.g., ceramic particles) in the electroactive
Die
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der elektroaktiven Verbundschicht 130 weniger als 10 µm, weniger als 5 µm oder weniger als 2 µm betragen. Somit kann die Größe (z. B. der Durchmesser) der Partikel 160 (z. B. keramische Partikel im Bereich von 2 nm bis 100 nm) weniger als die Hälfte, weniger als 10 %, weniger als 5 % oder weniger als 1 % der Dicke der elektroaktiven Verbundschicht 130 umfassen oder betragen.According to various embodiments, the thickness of the electroactive
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke des Stapels 170 weniger als 300 µm, weniger als 200 µm oder weniger als 100 µm betragen. Zum Beispiel kann die Dicke des Stapels 170 zwischen 2 µm und 100 µm oder zwischen 2 µm und 50 µm liegen. Somit kann die Dicke des geschichteten elektronischen Bauelements 100 als Ganzes eine Dicke aufweisen, die für elektromechanische Anwendungen geeignet ist, z. B. für elektromechanische Dünnschichtanwendungen (z. B. zur Verwendung in flexiblen haptischen Dünnschichtaktuatoren). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke des geschichteten elektronischen Bauelements 100 weniger als 800 µm oder weniger als 500 µm betragen und kann das Substrat 110, den Stapel 170 sowie die erste und zweite Elektrode 180, 190 umfassen.According to various embodiments, the thickness of the
Die
Die
Die in den
Die detaillierte Beschreibung des Herstellungsverfahrens wird in Verbindung mit der
Der Schritt 310 umfasst das Aufbringen eines ersten EAP-Schichtmaterials 120. Das erste EAP-Schichtmaterial 120 kann auf dem darunter liegenden Substrat 110 oder der darunter liegenden Elektrode, z. B. der ersten Elektrode 180 (z. B. in einem Bauelement), abgeschieden werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Material der ersten EAP-Schicht 120 eine EAP-Zusammensetzung enthalten, die ein EAP enthält. Das Material der ersten EAP-Schicht 120 kann beispielsweise mit Hilfe von Rakeln, der Beschichtung mittels einer Rakelstreichmaschine (bar coating), der Walzenbeschichtung mit von unten wirkender Stabrakel (rod coating), Siebdruck, Schlitzdüsenbeschichtung, Schleuderbeschichtung, Walze-zu-Walze-Beschichtung (R2R) oder einer anderen Beschichtungstechnik aufgebracht, z. B. beschichtet werden. Die
Der Schritt 310 kann ferner einen Nachbearbeitungsschritt umfassen, bei dem das Material der ersten EAP-Schicht 120 getrocknet wird, um das Lösemittel zu entfernen, und/oder getempert wird. Das Tempern kann die kristalline Struktur verstärken und die ferroelektrischen Eigenschaften von FerroEAPs weiter verstärken. Zur Erleichterung des Nachbearbeitungsschritts kann Vakuum und/oder Wärme angewendet werden.Step 310 may further include a post-processing step in which the material of the
Der Schritt 320 umfasst die Abscheidung einer elektroaktiven Verbundschicht 130-Zusammensetzung. Die Zusammensetzung der elektroaktiven Verbundschicht 130 kann die in der Polymermatrix 150 dispergierten Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) enthalten und kann auf der ersten EAP-Schicht 120 abgeschieden werden. Die Zusammensetzung der elektroaktiven Verbundschicht 130 kann mit Hilfe von konventionellen Beschichtungsverfahren, wie oben in Schritt 310 beschrieben, aufgebracht, z. B. beschichtet, werden. Die Zusammensetzung der elektroaktiven Verbundschicht 130 kann auch z. B. durch eine Polymer-Dünnschicht-Transfertechnik aufgebracht werden. Diese Technik kann die Herstellung der elektroaktiven Verbundschicht 130 als Dünnfilm-Multiup auf einem wiederverwendbaren temporären Glasträger und die spätere Übertragung der elektroaktiven Verbundschicht 130 auf eine Schicht der Wahl, beispielsweise die darunter liegende erste EAP-Schicht 120, umfassen.Step 320 includes depositing an electroactive
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Zusammensetzung der elektroaktiven Verbundschicht 130 einschließlich der Polymermatrix 150 und der Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) eine Lösung sein. Zum Beispiel können die Polymermatrix 150 und die Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) in der Lösung suspendiert sein. Die Lösung kann ein Lösemittel enthalten, das so gewählt werden kann, dass es das EAP der Polymermatrix 150 auflöst und die Partikel 160 (z. B. Keramikpartikel) dispergiert und deren Agglomeration verhindert. Darüber hinaus kann das gewählte Lösemittel verhindern, dass die darunter liegende Schicht (z. B. die erste EAP-Schicht 120) aufgelöst und/oder die durch ein vorheriges Temperverfahren in Schritt 310 erreichte Kristallinität zerstört wird. Zu den Lösemitteln zum Auflösen von PVDF und seinen Co- und Terpolymeren gehören beispielsweise Methylethylketon, abgekürzt (MEK), Aceton, Methylisobutylketon und Cyclohexanon, sind aber nicht darauf beschränkt.According to various embodiments, the composition of the electroactive
Im Beispiel des Schritts 320 von der
Der Schritt 320 kann ferner einen Nachbearbeitungsschritt umfassen, bei dem die Zusammensetzung der elektroaktiven Verbundschicht 130 getrocknet wird, um das Lösemittel zu entfernen, und/oder getempert wird, wie in Schritt 310 oben beschrieben.Step 320 may further include a post-processing step in which the composition of the electroactive
Der Schritt 330 umfasst die Abscheidung eines zweiten EAP-Schichtmaterials 140, das auf der darunter liegenden Schicht, beispielsweise der elektroaktiven Verbundschicht 130, abgeschieden werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Material der zweiten EAP-Schicht 140 eine EAP-Zusammensetzung mit einem EAP enthalten. Das Material der zweiten EAP-Schicht 140 kann mit Hilfe geeigneter Beschichtungsverfahren aufgebracht, z. B. beschichtet, oder mit Hilfe des Polymer-Dünnschicht-Transferverfahrens aufgebracht werden, wie in den Schritten 310 bzw. 320 beschrieben. Der Schritt 330 kann ferner einen Nachbearbeitungsschritt umfassen, bei dem das Material der zweiten EAP-Schicht 140 getrocknet wird, um das Lösemittel zu entfernen, und/oder getempert wird, wie in Schritt 310 oben beschrieben. Die zweite EAP-Schicht 120 kann ferner gemäß verschiedenen Ausführungsformen gemustert oder ungemustert sein.Step 330 includes depositing a second
Der Schritt 340 umfasst die Behandlung des Stapels 170 einschließlich der ersten und zweiten EAP-Schichten 120, 140 und der elektroaktiven Verbundschicht 130. Die Behandlung kann jede herkömmliche Wärmebehandlung und/oder Reckbehandlung umfassen, um die Polymerkristallinität und folglich die dielektrischen Eigenschaften des geschichteten elektronischen Bauelements 100 zu verbessern. Zum Beispiel kann Schritt 340 eine Wärmebehandlung bei 110 °C für 120 Minuten umfassen.Step 340 includes treating the
Der Schritt 350 von
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 ferner die Bildung einer Verkapselung umfassen. Beispielsweise kann eine schützende Isolierschicht auf die oberste Elektrode (z. B. die zweite Elektrode 190) aufgetragen werden, um sie zu schützen, z. B. um das geschichtete elektronische Bauelement 100 elektrisch von einem Benutzer zu isolieren, der das Bauelement berührt.According to various embodiments, the
BeispieleExamples
In den folgenden Beispielen werden die Partikel 160 als Keramikpartikel 160 bezeichnet. Es ist jedoch vorstellbar, dass die Partikel 160 auch metallische Partikel umfassen oder sein können.In the following examples, the
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Das geschichtete elektronische Bauelement 100, das durch das Verfahren 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen hergestellt werden kann, hat folgende Vorteile:
- - Erhöhte Durchschlagsfestigkeit, Permittivität und Polarisierbarkeit im Vergleich zu den reinen EAP-Schichten;
- - Abschwächung der starken Verschlechterung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit und des dielektrischen Verlusts;
- - Hoher Widerstand gegen elektrischen Durchschlag in elektronischen geschichteten Bauelementen aufgrund der Einbeziehung der beiden EAP-Schichten, die die elektroaktive Verbundschicht sandwichartig umgeben;
- - Verbesserte Betätigungsleistung bei hoher zulässiger angelegter Spannung / elektrischem Feld ohne vorzeitigen elektrischen Durchbruch;
- - Hohe Kompatibilität mit Standard-Schichtbeschichtungsverfahren, z. B. Rakel, Stabbeschichtung bzw. Walzenbeschichtung mit von unten wirkender Stabrakel (rod coating), Stangenbeschichtung bzw. Beschichtung mittels einer Rakelstreichmaschine (bar coating), der Siebdruck, Schlitzdüsenbeschichtung, Schleuderbeschichtung, R2R-Beschichtung und andere;
- - Die Strukturierung von Bereichen mit hoher und niedriger Dielektrizitätskonstante ist durch die räumliche Steuerung der Partikeldichte und damit die Steuerung des Grades der Dielektrizitätskonstante des geschichteten elektronischen Bauelements möglich;
- - Flexibilität bei der Herstellung verschiedener haptischer Aktuator-Designs (z. B. komplexes Array oder mehrfach gestapelte Strukturen) und Up-Scaling;
- - Increased dielectric strength, permittivity and polarizability compared to pure EAP layers;
- - Mitigation of the severe deterioration in electrical dielectric strength and dielectric loss;
- - High resistance to electrical breakdown in electronic layered devices due to the inclusion of the two EAP layers sandwiching the electroactive composite layer;
- - Improved actuation performance at high allowable applied voltage/electric field without premature electrical breakdown;
- - High compatibility with standard layer coating processes, e.g. B. squeegee, rod coating or roller coating with rod coating acting from below, rod coating or coating using a squeegee coating machine (bar coating), screen printing, slot die coating, spin coating, R2R coating and others;
- - The structuring of areas with high and low dielectric constant is possible by spatially controlling the particle density and thus controlling the degree of dielectric constant of the layered electronic component;
- - Flexibility in manufacturing different haptic actuator designs (e.g. complex array or multi-stacked structures) and up-scaling;
Die vorliegende Offenbarung stellt auch vorteilhafterweise ein einfaches, kosten- und zeiteffizientes Herstellungsverfahren für geschichtete elektronische Bauelemente 100 vor, insbesondere für flexible piezoelektrische Dünnschicht-, wie ferroelektrische, Polymeraktuatoren für haptische Feedback-Anwendungen. Das geschichtete elektronische Bauelement 100 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen höhere Betätigungsamplituden bei Beibehaltung einer zulässigen Ansteuerspannung liefern. Das geschichtete elektronische Bauelement 100 kann auch in Aktuatoren mit gemusterten oder nicht gemusterten Elektroden und/oder aktiven Schichten sowie in Designs mit mehreren aktiven Schichten verwendet werden.The present disclosure also advantageously presents a simple, cost- and time-efficient manufacturing method for layered
Mehrere Beispiele der Offenbarung beziehen sich auf das geschichtete elektronische Bauelement, das Teilchen wie Keramikteilchen enthält. Die vorliegende Offenbarung sieht auch Ausführungsformen (z. B. eines geschichteten elektronischen Bauelements) vor, die metallische Teilchen, z. B. metallische Teilchen, enthalten.Several examples of the disclosure relate to the layered electronic device containing particles such as ceramic particles. The present disclosure also provides embodiments (e.g., a layered electronic device) that include metallic particles, e.g. B. metallic particles.
Während die Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sollte es für Fachleute verständlich sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, abzuweichen. Der Umfang der Erfindung ist daher durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher einbezogen werden.While the disclosure has been particularly shown and described with reference to specific embodiments, it should be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. to deviate. The scope of the invention is therefore indicated by the appended claims and all changes which come within the scope of meaning and equivalence of the claims are therefore intended to be embraced.
Claims (15)
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