JP2005257499A - 静電振動型デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 基部、振動子および駆動電極を有する静電振動型の角速度センサにおいて、体格を極力増大させることなく、駆動力を適切に増加させる。
【解決手段】 基部２０に対してｘ方向へ振動可能に設けられた振動子３０と、基部２０に固定され振動子３０をｘ方向へ駆動振動させるために振動子３０に静電気力を印加するための駆動電極４０、４１とを有する角速度センサＳ１において、振動子３０は平面形状が枠形状をなす枠部３１を有し、枠部３１の内周にて枠部３１に取り囲まれた枠内固定部６０が基部２０に固定され、駆動電極は、振動子３０の外周部に対向配置された第１の駆動電極４０ａ、４１ａと、枠内固定部６０に設けられ枠部３１の内周部に対向配置された第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂとから構成されており、対向背面間隔７０には、電位がフローティング状態もしくは枠部３１と同じ状態となるダミー部８０が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電気力により振動子を駆動振動させる静電振動型デバイスに関し、例えば、静電振動型の角速度センサやアクチュエータ等に適用可能である。

例えば、静電振動型デバイスとして、半導体基板をエッチングして基部、振動子および振動子を駆動させるための駆動電極を形成してなる静電振動型角速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このものは、駆動電極によって振動子を所定方向に駆動振動させ、この駆動振動のもと、角速度印加の際にコリオリ力によって振動子が駆動振動方向と直交する方向へ検出振動することで、印加角速度を検出するものである。
特開２００１−９１２６５号公報

本発明者は、上記した静電振動型角速度センサについて、試作検討を行った。図５は、上記従来技術に基づいて作製した試作品としての角速度センサの概略平面構成を示す図である。

この試作品は、２枚のシリコン基板が酸化膜を介して貼り合わされたＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０を用い、周知の半導体製造技術を用いることで作ることができる。

図５には、一方のシリコン基板（半導体基板）１２の平面形状が示されており、この一方のシリコン基板１２には、エッチングにて溝１２ａを形成することにより、各部が形成されている。

振動子３０は、一方のシリコン基板１２を支持する酸化膜及び他方のシリコン基板を部分的に除去することにより形成された開口部１４上に、配置されている。振動子３０は、図中のｘ方向へバネ変形可能な駆動梁３３を介して開口部１４の外周に位置する基部２０に固定されている。この基部２０は上記酸化膜及び他方のシリコン基板である。

また、基部２０には、振動子３０をｘ方向へ駆動振動させるべく振動子３０に静電気力を印加するための櫛歯状の駆動電極４０、４１が固定されており、この駆動電極４０、４１は、振動子３０の外周部に対向して配置されている。一方、振動子３０における駆動電極４０、４１との対向部は、駆動電極４０、４１とかみ合うように櫛歯部３０ａが形成されている。

また、図５において、振動子３０の中央部には、ｙ方向へバネ変形可能な検出梁３４によって連結された検出用錘部３２が形成されている。そして、検出用錘部３２に対向する基部２０には、検出用電極５０が形成され固定されている。

そして、この図５に示す静電振動型角速度センサにおいては、振動子３０を一定電圧にして、左右の駆動電極４０、４１に互いに逆相の交流電圧（駆動信号）を印加することにより、駆動梁３３によって振動子３０全体がｘ方向へ駆動振動する。

この振動子３０の駆動振動のもと、角速度Ωが印加されると、振動子３０にはｙ方向にコリオリ力が発生し、振動子３０のうち検出梁３４によって支持された検出用錘部３２がそのコリオリ力によってｙ方向へ振動（検出振動）する。

すると、この検出振動によって、検出電極５０と検出用錘部３２との間の静電容量が変化する。この容量変化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。

ところで、コリオリ力は、振動子３０の駆動振動の振動速度に比例するため、角速度の感度を高め、精度良く検出するためには、その振動速度を大きくする必要がある。そのためには、駆動電極の個数を多くして駆動力つまり静電気力を大きくすることが必要である。例えば、図５に示すセンサにおいて、駆動電極４０、４１の櫛歯の本数を増やすことが必要となってくる。

しかし、単純に駆動電極の個数を多くすると、センサを構成する基板の体格が増大してしまい、好ましくない。そこで、本発明者は、第２の試作品として図６に示すような静電振動型角速度センサを試作した。

この図６に示すものは、上記した図５に示す第１の試作品において、振動子３０の左右部分を、平面形状が枠形状をなす枠部３１としたものである。

そして、基部２０に固定されている駆動電極４０、４１の一部を枠部３１の内周に位置させて枠内固定部６０とし、この枠部３１に取り囲まれた枠内固定部６０にも櫛歯状の駆動電極４０ｂ、４１ｂを設けている。

つまり、この第２の試作品における駆動電極４０、４１は、振動子３０の外周部に対向して配置された第１の駆動電極４０ａ、４１ａと、枠内固定部６０に設けられ枠部３１の内周部に対向して配置された第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂとにより構成されたものとなる。

このように、振動子３０を枠形状とし、その枠部３１内にも駆動電極を設けた構成を採用することにより、面積効率の良い駆動電極の増加を図ることができる。そして、第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂによって櫛歯の本数が増えた分、振動子３０に印加される静電気力も大きくなるはずである。

しかし、この図６に示すような構成では、枠内固定部６０における第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂの配置部とは反対側の背面部６０ａとこの背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部との隙間（以下、対向背面間隔という）７０において、駆動振動のための静電気力とは反対方向の静電気力が作用することになる。

そのため、せっかく駆動電極を増やしても、それに見合った駆動力の増加、駆動振動速度の増加が得られない。なお、この問題は静電振動型角速度センサに限らず、振動子を枠形状とし該枠部内にも駆動電極を設けた構成を有する静電振動型デバイスにおいて駆動力の増加を図ろうとした場合に、共通して生じる問題である。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、基部、振動子および駆動電極を有する静電振動型デバイスにおいて、体格を極力増大させることなく、駆動力を適切に増加させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板をエッチングすることにより形成されるものであって、基部（２０）と、基部（２０）に対して可動状態に設けられ所定方向（ｘ）へ振動可能な振動子（３０）と、基部（２０）に固定され、振動子（３０）を所定方向（ｘ）へ駆動振動させるために振動子（３０）に静電気力を印加するための駆動電極（４０、４１）とを有する静電振動型デバイスにおいて、次のような特徴点を有している。

・振動子（３０）は、平面形状が枠形状をなす枠部（３１）を有しており、基部（２０）に固定されるとともに、枠部（３１）の内周に位置して枠部（３１）に取り囲まれた枠内固定部（６０）が形成されていること。

・駆動電極は、振動子（３０）の外周部に対向して配置された第１の駆動電極（４０ａ、４１ａ）と、枠内固定部（６０）に設けられ枠部（３１）の内周部に対向して配置された第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）とから構成されていること。

・枠内固定部（６０）における第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）の配置部とは反対側の背面部（６０ａ）と、この背面部（６０ａ）に対向する枠部（３１）の内周部との間には、電位がフローティング状態もしくは枠部（３１）と同じ状態となるダミー部（８０）が設けられていること。

これらの点を特徴とする本発明の静電振動型デバイスによれば、振動子（３０）を枠形状とし、その枠部（３１）内にも第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）を設けた構成を有するため、基板の体格の増大を極力抑え、面積効率の良い駆動電極の増加が図れる。

そして、枠内固定部（６０）における第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）の配置部とは反対側の背面部（６０ａ）と、この背面部（６０ａ）に対向する枠部（３１）の内周部との間、すなわち、対向背面間隔（７０）に、電位がフローティング状態もしくは枠部（３１）と同じ状態となるダミー部（８０）が設けられているため、対向背面間隔（７０）における静電気力は、ダミー部（８０）により緩和され低減される。

よって、本発明によれば、基部（２０）、振動子（３０）および駆動電極（４０、４１）を有する静電振動型デバイスにおいて、体格を極力増大させることなく、駆動力を適切に増加させることができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の静電振動型デバイスにおいて、ダミー部（８０）は、電位が枠部（３１）と同じ状態となるものであることを特徴としている。

それによれば、ダミー部（８０）と枠部（３１）との間には、静電気力が作用しないため、駆動振動のための静電気力とは反対方向の静電気力が、振動子（３０）に作用することをより適切に抑制することができ、好ましい。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の静電振動型デバイスにおいては、枠部（３１）は、その一部が切り欠かれた切欠き部（３１ａ）となっており、枠内固定部（６０）は、基部（２０）との固定部から切欠き部（３１ａ）を介して枠部（３１）の内周に入り込んだ形状となっているものにできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る静電振動型デバイスとしての角速度センサＳ１を示す概略平面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ断面図である。

この角速度センサＳ１を構成する基板は、図２に示されるように、第１シリコン基板１１上に酸化膜１３を介して第２シリコン基板１２を積層してなる矩形状のＳＯＩ基板１０である。

ここで、第２シリコン基板１２には、エッチング加工を施すことにより溝１２ａを形成し、当該第２シリコン基板１２を振動子３０、駆動電極４０、４１、検出電極５０、各梁３３、３４等に区画している。

また、ＳＯＩ基板１０のうち振動子３０に対応した部分においては、第１シリコン基板１１および酸化膜１３はエッチングにより除去されており、開口部１４が形成されている。そして、開口部１４の周囲の第１シリコン基板１１および酸化膜１３が、支持基板すなわち基部２０として構成されている。

この振動子３０は、第２シリコン基板１２の左右両側に位置する平面形状が枠形状をなす２つの枠部３１と、各枠部３１の間に設けられた平面長方形状の検出用錘部３２とよりなる。

そして、振動子３０全体は、本例では４つの駆動梁３３を介して基部２０に連結されている。また、検出用錘部３２は、本例では４つの検出梁３４を介して枠部３１に連結されている。

ここで、駆動梁３３は、実質的にｘ方向にのみ自由度を持つものであり、この駆動梁３３によって振動子３０全体がｘ方向へ振動可能となっている。一方、検出梁３４は、実質的にｙ方向にのみ自由度を持つものであり、この検出梁３４によって振動子３０のうち検出用錘部３２がｙ方向へ振動可能となっている。

また、基部２０に固定された第２シリコン基板１２のうち枠部３１におけるｘ方向の両外側には、駆動電極４０、４１が形成されている。

この駆動電極４０、４１は、振動子３０全体をｘ方向へ駆動振動させるために振動子３０に静電気力を印加するためのものである。図１中の左側の駆動電極４０を左側駆動電極４０、右側の駆動電極４１を右側駆動電極４１ということにする。

ここで、左側駆動電極４０および右側駆動電極４１はそれぞれ、振動子３０の外周部に対向して配置された第１の駆動電極４０ａ、４１ａと、振動子３０の枠部３１の内周部に対向して配置された第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂとから構成されている。

第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂは、基部２０に固定されている第２のシリコン基板１２の一部を枠部３１の内周に位置させて、これを枠内固定部６０とし、この枠部３１に取り囲まれた枠内固定部６０に設けたものである。

ここでは、枠部３１は、その一部が切り欠かれた切欠き部３１ａとなっており、枠内固定部６０は、基部２０との固定部から切欠き部３１ａを介して枠部３１の内周に入り込んだ略Ｔ字形状となっている。

そして、本例では、第１および第２の駆動電極４０、４１は櫛歯状をなしており、各駆動電極４０、４１に対向する振動子３０の部分から突出する櫛歯部３０ａ、３０ｂに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

また、第２シリコン基板１２のうち検出用錘部３２におけるｙ方向の両外側には、検出電極５０が形成されている。この検出電極５０は、振動子３０の駆動振動のもとｘおよびｙ方向と直交するｚ軸回りに角速度Ωが印加されたときに発生する検出用錘部３２のｙ方向への振動（検出振動）を検出信号として検出するためのものである。

ここで、駆動電極４０、検出電極５０にはそれぞれ、図示しない回路部とワイヤボンディング等により電気的に接続すためのパッド（駆動電極用パッド）４５、パッド（検出電極用パッド）５５がアルミ等により形成されている。

また、駆動梁３３の基部２０との固定部分には、振動子３０を上記回路部とワイヤボンディング等により電気的に接続するためのパッド（振動子用パッド）３５がアルミ等により形成されている。

さらに、本実施形態では、枠内固定部６０における第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂの配置部とは反対側の背面部６０ａと、この背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部との間、すなわち対向背面間隔７０には、電位がフローティング状態もしくは枠部３１と同じ状態となるダミー部８０が設けられている。

このダミー部８０は、第２シリコン基板１２の一部として構成されていてもよいし、第２シリコン基板１２とは別の半導体などからなる部材から構成されたものでもよいが、ダミー部８０は、基部２０に対して固定されていることが望ましい。その固定方法は、当業者であれば任意の方法を適切に採用できる。

たとえば、基部２０に支持された第２シリコン基板１２の部分のうち振動子３０および各電極４０、４１、５０とは電気的に独立した部位と、ダミー部８０との間に、電気絶縁性部材を橋渡しして、この電気絶縁部材を介して、ダミー部８０を基部２０に支持すればよい。

あるいは、ダミー部８０は、電気絶縁性の接合部材などを介して、枠内固定部６０の適所に固定されたものとしてもよい。また、図１に示される各部を区画する溝１２ａのパターンは一例を示すものであり、溝１２ａのパターンを変更すれば、ダミー部８０を基部２０に片持ち支持させることも可能である。

ただし、ダミー部８０は、振動子３０の枠部３１および枠内固定部６０に対して接触することの無い範囲内で可動する構造でもよい。

そして、ダミー部８０を、枠部３１と同じ電位状態すなわち振動子３０と同じ電位状態とするには、たとえばダミー部８０に導通する電極を適所に設け、この電極を介して振動子３０と同じ電圧をダミー部８０に印加するようにすればよい。

次に、角速度センサＳ１の製造方法について、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を用いた例として述べる。図３および図４は、角速度センサＳ１を製造するための製造方法を示すもので、上記図２に沿った断面に対応して、各工程中のワークを示したものである。

まず、図３（ａ）に示されるように、単結晶シリコンからなる第１および第２シリコン基板１１、１２の間に酸化膜（例えば厚さ１μｍ）１３を挟んでなるＳＯＩ基板１０を用意する。

そして、第２シリコン基板１２の全面に表面抵抗値を下げ、次工程にて形成されるアルミニウムからなる上記各パッド３５、４５、５５（図中では、パッド４５が図示されている）との接触抵抗を下げるために、例えばリンを高濃度に拡散（Ｎ+ 拡散）する。

続いて、ＳＯＩ基板１０の表面（第２シリコン基板１２）にアルミニウムを例えば１μｍ蒸着し、ホト、エッチングを行い、上記各パッド３５、４５、５５を形成する。

続いて、図３（ｂ）に示されるように、ＳＯＩ基板１０の裏面（第１シリコン基板１１）を切削研磨（バックポリッシュ）することにより所定の厚さ（例えば３００μｍ）とし、且つ鏡面仕上げする。

続いて、図３（ｃ）に示されるように、ＳＯＩ基板１０の裏面（第１シリコン基板１１）にプラズマＳｉＮ膜３００を堆積（例えば０．５μｍ）し、ホトパターンを形成し、プラズマＳｉＮ膜３００をエッチングすることにより所定の領域を開口する。

続いて、図４（ａ）に示されるように、第２シリコン基板１２の表面に、上記振動子３０、駆動電極４０、４１、検出電極５０、各梁３３、３４、さらには対向背面間隔７０におけるダミー部８０等を画定するパターンをレジストで形成し、ドライエッチングにより垂直に酸化膜１３までトレンチすなわち溝１２ａを形成する。

続いて、図４（ｂ）に示されるように、第１シリコン基板１１を、プラズマＳｉＮ膜３００に形成したパターンをマスクとして、例えばＫＯＨ水溶液で深くエッチングする。

このとき、酸化膜１３までエッチングを進めると、エッチング液の圧力により酸化膜１３が破れてＳＯＩ基板１０を破損するため、酸化膜１３が破れないように、例えば第１シリコン基板１１のシリコンを１０μｍ残してエッチングを終了できるようエッチング時間を管理する。

続いて、図４（ｃ）に示されるように、プラズマドライエッチングにより、図４（ｂ）の工程で残したＳｉをエッチング除去する。このとき、ＳＯＩ基板１０の裏面のプラズマＳｉＮ膜３００は同時に除去される。

最後に、図４（ｄ）に示されるように、酸化膜１３をドライエッチングによって除去して、上記振動子３０等を形成する。なお、ダミー部８０は、酸化膜１３を除去する前に基部２０に固定することが必要である。こうして、角速度センサＳ１が完成する。この後、上記各パッド３５、４５、５５は、ワイヤボンディング等により、上記回路部と電気的に接続される。

かかる角速度センサＳ１の作動について述べる。上記した回路部から振動子用パッド３５を介して振動子３０に一定電圧を印加するとともに、駆動電極用パッド４５を介して図１中の左右の駆動電極４０、４１に互いに逆相の交流電圧（駆動信号）を印加する。

それによって、左右それぞれにおいて振動子３０の櫛歯部３０ａ、３０ｂと駆動電極４０、４１との間に静電気力（つまり、静電引力）が発生し、駆動梁３３によって振動子３０全体がｘ方向へ駆動振動する。

この振動子３０の駆動振動のもと、ｚ軸回りに角速度Ωが印加されると、振動子３０にはｙ方向にコリオリ力が印加され、振動子３０のうちの検出用錘部３２が検出梁３４によってｙ方向へ振動（検出振動）する。

すると、この検出振動によって、検出電極５０と検出用錘部３２との間の静電容量が変化し、この容量変化を検出電極５０から検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。

ところで、本実施形態によれば、基部２０と、この基部２０に対して可動状態に設けられ所定方向すなわちｘ方向へ振動可能な振動子３０と、基部２０に固定され振動子３０をｘ方向へ駆動振動させるために振動子３０に静電気力を印加するための駆動電極４０、４１とを有する静電振動型デバイスとしての角速度センサＳ１において、次のような特徴点を有している。

・振動子３０は、平面形状が枠形状をなす枠部３１を有しており、枠部３１の内周に位置して枠部３１に取り囲まれた枠内固定部６０が基部２０に固定されて設けられていること。

・駆動電極は、振動子３０の外周部に対向して配置された第１の駆動電極４０ａ、４１ａと、枠内固定部６０に設けられ枠部３１の内周部に対向して配置された第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂとから構成されていること。

・枠内固定部６０における第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂの配置部とは反対側の背面部６０ａと、この背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部との間には、電位がフローティング状態もしくは枠部３１と同じ状態となるダミー部８０が設けられていること。

これらの点を特徴とする本実施形態の角速度センサＳ１によれば、振動子３０を枠形状とし、その枠部３１内にも第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂを設けた構成を有するため、基板の体格の増大を極力抑え、面積効率の良い駆動電極の増加が図れる。

そして、対向背面間隔７０に、電位がフローティング状態もしくは枠部３１と同じ状態となるダミー部８０が設けられているため、対向背面間隔７０における静電気力は、ダミー部８０により緩和され低減される。

つまり、枠内固定部６０における第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂの配置部とは反対側の背面部６０ａと、この背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部とが、両者間に介在するダミー部８０によって、直接、面していないため、駆動振動を阻害する静電気力が背面部６０ａから枠部３１に作用する度合が、緩和される。

よって、本実施形態によれば、基板をエッチングすることにより、基部２０、振動子３０および駆動電極４０、４１を形成してなる静電振動型デバイスとしての静電振動型角速度センサＳ１において、体格を極力増大させることなく、駆動力を適切に増加させることができる。

ここで、本実施形態においては、ダミー部８０は、電位が枠部３１すなわち振動子３０と同じ状態であることが好ましい。それによれば、ダミー部８０と枠部３１との間には、静電気力が作用しないため、駆動振動のための静電気力とは反対方向の静電気力が、振動子３０に作用することをより適切に抑制することができる。

（他の実施形態）
なお、上記角速度センサでは、裏面加工型の角速度センサであったが、表面加工型すなわちＳＯＩ基板１０の酸化膜１３の犠牲層エッチングを行ったり、表面からトレンチエッチングおよびサイドエッチングを行ったりすることにより振動子３０等を形成するものでもよい。この場合、ダミー部８０は、その下の酸化膜１３を残すようにエッチングすることより基部２０への支持がなされる。

また、本発明は、上記した角速度センサ以外にも、静電振動型のアクチュエータ等にも適用して良い。

要するに、本発明は、基板をエッチングすることにより、基部、振動子および駆動電極を形成してなり、さらに振動子を枠形状とし該枠部内にも駆動電極を設けた構成を有する静電振動型デバイスに適用可能である。

本発明の実施形態に係る角速度センサの概略平面図である。 図１中のＡ−Ａ断面図である。 上記実施形態に係る角速度センサの製造方法を示す工程図である。 図３に続く製造方法を示す工程図である。 本発明者が試作した第１の試作品としての角速度センサの概略平面図である。 本発明者が試作した第２の試作品としての角速度センサの概略平面図である。

符号の説明

２０…基部、３０…振動子、３１…枠部、３１ａ…切欠き部、
４０、４１…駆動電極、４０ａ、４１ａ…第１の駆動電極、
４０ｂ、４１ｂ…第２の駆動電極、６０…枠内固定部、
６０ａ…枠内固定部における背面部、７０…対向背面間隔、８０…ダミー部。

Claims (3)

1. 基部（２０）と、
   前記基部（２０）に対して可動状態に設けられ所定方向（ｘ）へ振動可能な振動子（３０）と、
   前記基部（２０）に固定され、前記振動子（３０）を前記所定方向（ｘ）へ駆動振動させるために前記振動子（３０）に静電気力を印加するための駆動電極（４０、４１）とを有する静電振動型デバイスにおいて、
   前記振動子（３０）は、平面形状が枠形状をなす枠部（３１）を有しており、
   前記基部（２０）に固定されるとともに、前記枠部（３１）の内周に位置して前記枠部（３１）に取り囲まれた枠内固定部（６０）が形成されており、
   前記駆動電極は、前記振動子（３０）の外周部に対向して配置された第１の駆動電極（４０ａ、４１ａ）と、前記枠内固定部（６０）に設けられ前記枠部（３１）の内周部に対向して配置された第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）とから構成されており、
   前記枠内固定部（６０）における第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）の配置部とは反対側の背面部（６０ａ）と、この背面部（６０ａ）に対向する前記枠部（３１）の内周部との間には、電位がフローティング状態もしくは前記枠部（３１）と同じ状態となるダミー部（８０）が設けられていることを特徴とする静電振動型デバイス。
2. 前記ダミー部（８０）は、電位が前記枠部（３１）と同じ状態となるものであることを特徴とする請求項１に記載の静電振動型デバイス。
3. 前記枠部（３１）は、その一部が切り欠かれた切欠き部（３１ａ）となっており、
   前記枠内固定部（６０）は、前記基部（２０）との固定部から前記切欠き部（３１ａ）を介して前記枠部（３１）の内周に入り込んだ形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電振動型デバイス。
   

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