JP2006058223A - 圧力センサおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ケースに接着されたセンサチップに加わる表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、センサチップの接着部の信頼性を適切に確保する。
【解決手段】 表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加されるセンサチップ２０がその裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に接着され、ケース１０には、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を印加するための圧力導入穴１３が設けられ、センサチップ２０の表面２０ａに印加される表面側圧力よりも裏面２０ｂに印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、表面側圧力と裏面側圧力の差圧に基づいて圧力検出を行う圧力センサ１００において、センサチップ２０の表面２０ａの面積をＳ１、圧力導入穴１３の穴面積をＳ２、表面側圧力をＰ１、裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係が満足されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、相対圧型の圧力センサおよびその設計方法に関する。

従来より、相対圧型の圧力センサとしては、ケースに接着されたセンサチップに加わる表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このものは、表面および裏面に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップがその裏面をケースに対向させた状態でケースに接着され、ケースには、センサチップの裏面へ圧力を印加するための圧力導入穴が設けられており、表面側圧力と裏面側圧力の差圧に基づいて圧力検出を行うようにしたものである。

また、このものにおいては、ケースにおける圧力導入穴には、センサチップの裏面を封止するようにゲル部材が充填されており、センサチップ裏面をカーボン等の汚染物質や結露水の氷結からゲル部材によって保護する構造としている。
特開２００２−２２１４６２号公報

ところで、このような圧力センサは、このものは、たとえば自動車のディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム（ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）システム）を構成する一部品として、排気ガスの圧力を検出するものとして適用できる。

そのため、通常は、センサチップの表面に印加される表面側圧力（たとえば大気圧）よりも裏面に印加される裏面側圧力（たとえば排気ガス圧）の方が大きい。

そのため、センサチップに加わる力は、センサチップの裏面側の方が表面側よりも大きくなり、センサチップのケースへの接着部に引っ張り応力が加わる可能性があり、当該接着部の信頼性が低下する。

ここで、センサチップに加わる力は、面積×圧力であるため、単純には、接着部の信頼性を確保するためには、ケースの圧力導入穴を小さくするのが望ましい。

しかしながら、ケースの圧力導入穴を小さくすると、この圧力導入穴にゲル部材を充填する構造では、充填しにくくなったり、ゲルの熱収縮による体積変化によってゲルによる圧力伝達特性が変化するなど、誤差要因が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ケースに接着されたセンサチップに加わる表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、センサチップの接着部の信頼性を適切に確保できるようにす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、表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態でケース（１０）に接着され、ケース（１０）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を印加するための圧力導入穴（１３）が設けられており、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される表面側圧力よりも裏面（２０ｂ）に印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサの設計方法であって、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）の面積をＳ１、圧力導入穴（１３）の穴面積をＳ２、表面側圧力をＰ１、裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足するように、圧力導入穴（１３）の穴面積Ｓ２を規定することを特徴としている。

本発明のように、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足させれば、センサチップ（２０）に加わる力は、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）側の方が裏面（２０ｂ）側よりも大きくなるため、センサチップ（２０）のケース（１０）への接着部（２３）では圧縮応力となり、当該接着部（２３）の信頼性が確保される。

また、（Ｓ１×Ｐ１）＝（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足する圧力導入穴（１３）の穴面積Ｓ２が、当該接着部の信頼性が確保可能な最大の穴面積Ｓ２として求められる。

このように、本発明によれば、ケース（１０）に接着されたセンサチップ（２０）に加わる表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、センサチップ（２０）の接着部（２３）の信頼性を適切に確保することのできる設計手法を提供することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力センサの設計方法において、ケース（１０）における圧力導入穴（１３）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）が充填されていることを特徴としている。

それによれば、上記請求項１に記載の発明のようにして適切な圧力導入穴（１３）の最大限の大きさを求めることができることから、圧力導入穴（１３）へゲル部材（５２）を充填する構成において、ゲル部材（５２）の熱収縮による誤差要因を極力抑制することができる。

請求項３に記載の発明では、表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態でケース（１０）に接着され、ケース（１０）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を印加するための圧力導入穴（１３）が設けられており、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される表面側圧力よりも裏面（２０ｂ）に印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、表面側圧力と裏面側圧力の差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）の面積をＳ１、圧力導入穴（１３）の穴面積をＳ２、表面側圧力をＰ１、裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係が満足されていることを特徴としている。

それによれば、センサチップ（２０）に加わる力は、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）側の方が裏面（２０ｂ）側よりも大きくなるため、センサチップ（２０）のケース（１０）への接着部（２３）は圧縮応力となり、当該接着部の信頼性を適切に確保することができる。

ここで、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の圧力センサにおいて、ケース（１０）における圧力導入穴（１３）には、センサチップ（２０）の裏面を封止するようにゲル部材（５２）が充填されていることを特徴としている。

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。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
限定するものではないが、本実施形態は、たとえば自動車のディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム（ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）システム）を構成する一部品として、排気ガスの圧力を検出するものとして適用できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る相対圧型の圧力センサ１００の概略断面構成を示す図である。

図１において、ケース１０は圧力センサ本体を区画するもので、たとえばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料等よりなるケースである。

このケース１０は、ターミナルなどの導体部１１がインサート成形されたものである。このケース１０の一面側には、凹部１２が形成され、この凹部１２には、印加された圧力値に応じたレベルの電気信号を発生するセンシング部としてのセンサチップ２０が収納されている。

ここでは、このセンサチップ２０は、シリコン半導体等の半導体基板よりなり、その表面（図１中の上面）２０ａ側に薄肉部としてのダイアフラム２１を有し、他面（図１中の下面）２０ｂ側に、このダイアフラム２１を構成するために異方性エッチング等により形成された凹部を有する半導体ダイアフラム式のチップである。

このようなセンサチップ２０は、表裏両面２０ａ、２０ｂにて圧力を受け、両圧力の差圧によってダイアフラム２１が歪み、たとえばダイアフラム２１に形成された抵抗により構成されたブリッジ回路によって、このダイアフラム２１の歪みに基づく信号を出力するものである。

また、センサチップ２０の裏面２０ｂには、ガラス等よりなる台座２２が接合されセンサチップ２０と一体化されている。そして、センサチップ２０は、この台座２２を介して、ケース１０の凹部１２の底面に、接着剤からなる接着部２３を介して接着され、ケース１０に収納固定されている。

このようにセンサチップ２０は、その裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に接着されているが、ここで、接着部２３を構成する接着剤としては、この接着部２３の熱応力がセンサ特性に影響を与え難いような柔らかい接着剤、たとえばシリコーン系接着剤やフロロシリコーン系接着剤等を採用することができる。

ここで、台座２２には、圧力導入通路としての孔部（貫通孔）２２ａが形成されている。そして、ケース１０の凹部１２の底面には、この台座２２の孔部２２ａに対応する位置に圧力導入穴１３が設けられている。この圧力導入穴１３は、凹部１２の底面からケース１０の他面側へ貫通する貫通穴である。

このように、本実施形態において、ケース１０の一面側に形成されている凹部１２とケース１０の他面側に開口した圧力導入穴１３とは、センサチップ２０によって区画されている。

また、ケース１０の凹部１２内には、センサチップ２０からの信号を増幅したり調整したりするなどの信号処理を行うための回路チップ３０が収納され固定されている。そして、この回路チップ３０とセンサチップ２０とは、金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤ４０を介して結線され電気的に接続されている。

また、センサチップ２０は、導体部１１ともボンディングワイヤ４０を介して結線され電気的に接続されている。さらに、図示しないが、ケース１０においては、回路チップ３０の近傍にも導体部が設けられており、当該導体部と回路チップ３０とはボンディングワイヤなどを介して結線され電気的に接続されている。

また、ケース１０の凹部１２内には、フッ素ゲルなどのゲル材料からなる第１のゲル部材５１が充填されている。この第１のゲル部材５１によって、導体部１１とケース１０との界面、センサチップ２０、回路チップ３０およびこれらのボンディングワイヤ４０などによる接続部が封止され、保護されている。

また、センサチップ２０の裏面２０ｂ側において、圧力導入穴１３および台座２２の孔部２２ａにはフッ素ゲルなどのゲル材料からなる第２のゲル部材５２が充填されている。この第２のゲル部材５２により、センサチップ２０の裏面が封止され、圧力導入穴１３への異物の侵入が防止されるようになっている。

排気ガスによる凝縮水は、排気ガスの窒素酸化物や硫黄酸化物が溶け込み強い酸性を持つため、これらゲル部材５１、５２としては、耐酸性が強いフッ素ゲルを使用することが望ましい。

また、ケース１０における圧力導入穴１３の外方側には、第２のゲル部材５２の表面積（受圧面積）を広く稼ぐためのキャビティ１４が設けられており、第２のゲル部材５２はこのキャビティ１４の部分まで注入されている。

こうして、センサチップ２０の表面２０ａには、第１のゲル部材５１を介して、たとえば大気圧などの表面側圧力Ｐ１が印加され、センサチップ２０の裏面２０ｂには、圧力導入穴１３から第２のゲル部材５２を介して、たとえば排気ガス圧などの裏面側圧力Ｐ２が印加されるようになっている。

具体的に、表面側圧力としては、たとえば１００ｋＰａ程度の大気圧であり、裏面側圧力としては、１００ｋＰａ〜２００ｋＰａ程度の排気ガス圧であり、表面側圧力よりも裏面側圧力の方が大きい環境で使用される。

そして、センサチップ２０においてダイアフラム２１は、チップの表面２０ａ側と裏面２０ｂ側との差圧によって歪み、この歪みに応じたレベルの電気信号がセンサチップ２０から出力される。そして、この信号は、回路チップ３０にて処理され、導体部１１から外部へ出力されるようになっている。

かかる圧力センサ１００の製造方法について述べる。まず、導体部１１がインサート成形され、凹部１２、圧力導入穴１３が形成されたケース１０を用意する。このようなケース１０は、型成形により容易に作成することができる。

ケース１０の凹部１２に、台座２２と一体化されたセンサチップ２０および回路チップ３０を、上記接着剤により接着固定する。その後、センサチップ２０と導体部１１との間、回路チップ３０と導体部との間、センサチップ２０と回路チップ３０との間を、ワイヤボンディングすることによって、ボンディングワイヤ４０で結線する。

次に、ケース１０に対して第１のゲル部材５１および第２のゲル部材５１を配設する。具体的には、上記図１に示されるような状態となるように、ゲル部材５１、５２を注入・充填した後、気泡発生を防ぐために真空脱泡し、その後、ゲル部材５１、５２を加熱硬化させることにより、ゲル部材５１、５２の配設が終了する。こうして、図１に示される圧力センサ１００が完成する。

ところで、上述したように、本実施形態の圧力センサ１００は、通常の使用環境では、センサチップ２０の表面２０ａに印加される表面側圧力（たとえば大気圧、通常１００ｋＰａ）よりも裏面２０ｂに印加される裏面側圧力（たとえば排気ガス圧、通常１００〜２００ｋＰａ）の方が大きい。

そのため、センサチップ２０に加わる力は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側の方が表面２０ａ側よりも大きくなり、センサチップ２０のケース１０への接着部２３に対し、センサチップ２０がケース１０から引き離される方向の力すなわち引っ張り応力が加わる可能性があり、当該接着部２３の信頼性が低下する。

特に、接着部２３を構成する接着剤としては、たとえばシリコーン系接着剤やフロロシリコーン系接着剤のような接着部２３の熱応力がセンサ特性に影響を与え難いような柔らかい接着剤を使用する場合には、接着部２３の破壊耐圧が約１ＭＰａ程度しか確保することができない。

ここで、センサチップ２０に加わる力は、面積×圧力であるため、単純には、接着部２３の信頼性を確保するためには、ケース１０の圧力導入穴１３を小さくするのが望ましいが、上述したように、圧力導入穴１３を小さくすると、ゲル部材５２を充填しにくくなったり、ゲル部材の熱収縮に起因する特性変動が生じ、誤差要因が大きくなるという問題がある。

そこで、本実施形態では、接着部２３の信頼性を保ちつつ、ケース１０における圧力導入穴１３を最大限に大きくするための独自の設計方法を採用している。

すなわち、本実施形態によれば、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ２０がその裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に接着され、ケース１０には、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を印加するための圧力導入穴１３が設けられており、センサチップ２０の表面２０ａに印加される表面側圧力よりも裏面２０ｂに印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサの設計方法であって、センサチップ２０の表面２０ａの面積をＳ１、圧力導入穴１３の穴面積をＳ２、表面側圧力をＰ１、裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足するように、圧力導入穴１３の穴面積Ｓ２を規定することを特徴とする圧力センサ１００の設計方法が提供される。

本設計方法のように、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足させれば、センサチップ２０に加わる力は、センサチップ２０の表面２０ａ側の方が裏面２０ｂ側よりも大きくなるため、センサチップ２０のケース１０への接着部２３では圧縮応力となる。つまり、センサチップ２０はケース１０へ押しつけられるようにセンサチップ２０に力が加わるため、当該接着部２３の信頼性が確保される。

また、（Ｓ１×Ｐ１）＝（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足する圧力導入穴１３の穴面積Ｓ２が、当該接着部の信頼性が確保可能な最大の穴面積Ｓ２として求められる。ここで、センサチップ２０の表面２０ａの面積Ｓ１は、たとえば３ｍｍ□のチップサイズとして９ｍｍ²程度とすることができる。

また、圧力導入穴１３の穴面積Ｓ２が小さすぎると、上述したようにゲル部材による特性変動が生じるため、円形穴の圧力導入穴１３における穴径としては、たとえばφ１．２５ｍｍ以上であることが望ましい。この場合、圧力導入穴１３の穴径は、φ１、２５ｍｍ以上であって上記不等式の関係から求められる穴径の大きさとすることができる。

このように、本実施形態によれば、ケース１０に接着されたセンサチップ２０に加わる表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサ１００において、センサチップ２０の接着部２３の信頼性を適切に確保することのできる設計手法を提供することができる。

また、本実施形態の設計方法では、ケース１０における圧力導入穴１３には、センサチップ２０の裏面２０ｂを封止するようにゲル部材５２が充填されていること圧力センサ１００としたことも特徴点である。

上記圧力センサ１００において、ゲル部材５１、５２が無い構成であってもよいが、上記設計方法により、適切な圧力導入穴１３の最大限の大きさを求めることができることから、圧力導入穴１３へゲル部材５２を充填する構成において、ゲル部材５２の熱収縮による誤差要因を極力抑制できる。

また、本実施形態によれば、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ２０がその裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に接着され、ケース１０には、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を印加するための圧力導入穴１３が設けられており、センサチップ２０の表面２０ａに印加される表面側圧力よりも裏面２０ｂに印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、表面側圧力と裏面側圧力の差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、センサチップ２０の表面２０ａの面積をＳ１、圧力導入穴１３の穴面積をＳ２、表面側圧力をＰ１、裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係が満足されていることを特徴とする圧力センサ１００が提供される。

それによれば、センサチップ２０に加わる力は、センサチップ２０の表面２０ａ側の方が裏面２０ｂ側よりも大きくなるため、センサチップ２０のケース１０への接着部２３は圧縮応力となり、当該接着部２３の信頼性を適切に確保することができる。

なお、上記設計方法は、圧力センサの製造工程の一環として組み込まれるものであり、さらに言うならば、本実施形態は、上記した特徴を有する設計工程を備えた圧力センサの製造方法を提供することができるものである。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る相対圧型の圧力センサ２００の概略断面構成を示す図である。上記実施形態との相違点を中心に述べる。

上記実施形態の圧力センサ１００では、ケース１０の凹部１２には第１のゲル部材５１が充填されていたが、本実施形態の圧力センサ２００では、図２に示されるように、第１のゲル部材５１の下層にゴム部材５３を設け、センサチップ２０の保護構造を、ゲル・ゴ２層構造としている。

この２層構造において下層に位置するゴム部材５３は、導体部１１とケース１０との界面等からの気泡の発生を抑制するために高弾性率を持ち且つ耐薬品性を有する材料からなるものにできる。限定するものではないが、たとえば、フッ素系のゴム材料などを採用することができる。

また、このようにセンサチップ２０の保護構造をゲル・ゴム２層構造とすることによって、ゴム部材５３による接着効果が期待でき、接着部２３の信頼性をより向上させることができる。

なお、このような２層構造は、ゲル部材５１を配設する前に、ケース１０の凹部１２へゴム部材５３を配設し、その後は、上記実施形態と同様にしてゲル部材５１、５２の配設を行うことにより容易に実現することができる。

そして、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、センサチップ２０の接着部２３の信頼性を適切に確保することのできる設計手法、圧力センサ、および製造方法を提供することができることは明らかである。

以上述べてきたように、上記実施形態によれば、従来のこの種の圧力センサにおいては存在しなかった、センサチップの接着部の信頼性確保のための新規な設計指針に基づく設計方法および圧力センサが提供される。

なお、本発明は、表面および裏面に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップがその裏面をケースに対向させた状態でケースに接着され、ケースには、センサチップの裏面へ圧力を印加するための圧力導入穴が設けられており、センサチップの表面に印加される表面側圧力よりも裏面に印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、表面側圧力と裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサであるならば、上記した構成や用途等に限定されることなく、適用可能なものである。

本発明の第１実施形態に係る相対圧型の圧力センサの概略断面構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る相対圧型の圧力センサの概略断面構成を示す図である。

符号の説明

１０…ケース、１３…圧力導入穴、２０…センサチップ、
２０ａ…センサチップの表面、２０ｂ…センサチップの裏面、
５２…第２のゲル部材。

Claims (4)

1. 表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態で前記ケース（１０）に接着され、
   前記ケース（１０）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を印加するための圧力導入穴（１３）が設けられており、
   前記センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される表面側圧力よりも裏面（２０ｂ）に印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、
   前記表面側圧力と前記裏面側圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサの設計方法であって、
   前記センサチップ（２０）の表面（２０ａ）の面積をＳ１、前記圧力導入穴（１３）の穴面積をＳ２、前記表面側圧力をＰ１、前記裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係を満足するように、前記圧力導入穴（１３）の穴面積Ｓ２を規定することを特徴とする圧力センサの設計方法。
2. 前記ケース（１０）における前記圧力導入穴（１３）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの設計方法。
3. 表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態で前記ケース（１０）に接着され、
   前記ケース（１０）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を印加するための圧力導入穴（１３）が設けられており、
   前記センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される表面側圧力よりも裏面（２０ｂ）に印加される裏面側圧力の方が大きいものであり、
   前記表面側圧力と前記裏面側圧力の差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、
   前記センサチップ（２０）の表面（２０ａ）の面積をＳ１、前記圧力導入穴（１３）の穴面積をＳ２、前記表面側圧力をＰ１、前記裏面側圧力をＰ２としたとき、（Ｓ１×Ｐ１）≧（Ｓ２×Ｐ２）の関係が満足されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 前記ケース（１０）における前記圧力導入穴（１３）には、前記センサチップ（２０）の裏面を封止するようにゲル部材（５２）が充填されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。

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