JP2011220865A - フォースセンサパッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コスト化を図れるフォースセンサパッケージ及びその製造方法を得る。
【解決手段】基板表面に突設した受圧部を介して荷重を受けたときに変位し、該変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ基板と、複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とを備え、センサ基板と接合したベース基板をパッケージ基板に接着固定してなるフォースセンサパッケージにおいて、パッケージ基板上のセンサ基板及びベース基板を封止樹脂で覆い、かつ、該封止樹脂表面をセンサ基板表面より低く設けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、荷重測定用のフォースセンサパッケージ及びその製造方法に関する。
近年では、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェースに荷重測定用のフォースセンサが用いられている。フォースセンサは種々あるが、例えば図11に示されるピエゾ抵抗方式では、ダイヤフラム部を有するシリコン基板110と、ダイヤフラム部上に設けた複数のゲージ抵抗からなるブリッジ回路(図示せず)と、ダイヤフラム部上に突設した球体からなる受圧部112とを備え、この受圧部112を介して受けた荷重に応じてダイヤフラム部が変位し、その変位量に応じてブリッジ回路の出力が変化することから荷重を検出している。従来構造のフォースセンサは、特許文献1にも記載されている。
特公平5−77304号公報
このフォースセンサは、プラスチック製ケース201に接着固定し、該ケース201に設けたリードフレーム126とシリコン基板110に形成したブリッジ回路の電極パッドをボンディングワイヤー140により接続した後にプラスチック製カバー202で覆い、該カバー202に設けた穴202aから受圧部112のみを露出させることで、センサパッケージとしていた。しかし、プラスチック製ケース201及びカバー202を用いると、コストがかかりすぎてしまう。
本発明は、低コスト化を図れるフォースセンサパッケージ及びその製造方法を得ることを目的とする。
本発明は、封止樹脂を用いれば受圧部を露出させた状態でセンサ構造部を覆うパッケージ構造を簡単かつ安価に実現できること、及び、センサ基板を封止樹脂で完全には覆わずにセンサ基板表面と封止樹脂表面の間に段差を設ければセンサ構造部に封止樹脂の影響を与えないことに着目して完成されたものである。
すなわち、本発明は、基板表面に突設した受圧部を介して荷重を受けたときに変位し、該変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ基板と、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とを接合したセンサ構造部を有し、このセンサ構造部を、前記ベース基板を介してパッケージ基板に接着固定してなるフォースセンサパッケージにおいて、前記パッケージ基板上のセンサ基板及びベース基板を封止樹脂で覆い、かつ、該封止樹脂表面をセンサ基板表面より低く設けたことを特徴としている。
前記ベース基板の電気配線部と前記パッケージ基板をボンディングワイヤーで電気的に接続する場合は、このボンディングワイヤーを前記センサ基板表面より低く設けることが実際的である。この態様によれば、ボンディングワイヤーは封止樹脂により完全に覆われて保護される。
前記パッケージ基板には、前記センサ構造部を接着固定した面とは反対側の面に、該センサ構造部の接着固定位置と平面的に重複させて、固定用端子が備えられてることが好ましい。この態様によれば、固定用端子を用いてパッケージ基板を固定することができ、荷重を受けるセンサ構造部を安定に支えられる。
また前記パッケージ基板には、前記固定用端子を備えた面に、該パッケージ基板と外部回路を電気的に接続するためのSMD端子が複数備えられ、この複数のSMD端子のいずれかと前記固定用端子を兼用させることができる。
また本発明は、製造方法の態様によれば、基板表面に突設した受圧部を介して荷重を受けたときに変位し、該変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ基板と、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とを接合してなるセンサ構造部を多数形成する工程と、前記多数のセンサ構造部を該センサ構造部のベース基板を介してパッケージ基板上に接着固定し、各センサ構造部において前記ベース基板の電気配線部と前記パッケージ基板を電気的に接続する工程と、前記パッケージ基板上の多数のセンサ基板及びベース基板を封止樹脂で覆い、かつ、該封止樹脂表面をセンサ基板表面よりも低く設ける工程と、前記パッケージ基板を、1つのセンサ構造部からなるパッケージ単位で切断する工程とを有することを特徴としている。
前記封止工程は、モールド金型の下金型に、前記多数のセンサ構造部を接着固定したパッケージ基板を設置するステップと、モールド金型の上金型の前記パッケージ基板と対向する側の面に、前記受圧部の突出高さより大きな厚さを有する離型フィルムを装着するステップと、前記上金型を前記下金型に接近させ、前記離型フィルムを前記多数のセンサ構造部の受圧部及びセンサ基板表面に当接させるステップと、この当接状態で、前記離型フィルムと前記パッケージ基板との間に生じるキャビティに封止樹脂を充填するステップと、この封止樹脂の硬化後に、前記離型フィルム及び上下金型を外すステップとを有することが好ましい。この一括モールド工程によれば、単一のパッケージ基板上で多数のセンサ構造部を同時に封止でき、生産性が向上する。
本発明によれば、パッケージ基板上のセンサ基板及びベース基板を覆う封止樹脂の表面をセンサ基板表面より低く設けたので、受圧部がパッケージ表面に露出するパッケージ構造を容易かつ安価で実現でき、かつ、封止樹脂がセンサ特性に悪影響を及ぼすこともない。これにより、低コスト化を図れるフォースセンサパッケージ及びその製造方法を提供できる。
本発明を適用したフォースセンサパッケージの一実施形態を示す断面図である。 同フォースセンサパッケージを示す外観斜視図である。 センサ基板の裏面(接合面)を示す平面図である。 ベース基板の表面(接合面)を示す平面図である。 パッケージ基板の外面の端子部を示す平面図である。 パッケージ端子の変形例(a)〜(c)を示す平面図である。 本発明によるフォースセンサパッケージの製造方法の一工程を示す断面図である。 図7の次工程を示す断面図である。 図8の次工程を示す断面図である。 図9の次工程を示す断面図である。 従来構造のフォースセンサパッケージを示す(a)斜視図、(b)断面図である。
図1は本発明を適用したフォースセンサパッケージの一実施形態を示す断面図、図2はフォースセンサパッケージを示す外観斜視図、図3はセンサ基板の裏面(ベース基板との接合面)を示す平面図、図4はベース基板の表面(センサ基板との接合面)を示す平面図、図5はパッケージ基板の外面の端子部を示す平面図である。
フォースセンサパッケージ1は、ピエゾ抵抗方式のフォースセンサを封止樹脂50で封止したモールドパッケージであって、パッケージ基板30上に、対をなすセンサ基板10とベース基板20を接合してなるセンサ構造部を備えている。
センサ基板10は、平面矩形状で巨視的に見て凹凸のない一定厚さのシリコン基板からなり、その基板中央部が荷重を受けて変位する変位部11を構成している。センサ基板表面10aには、図1、図2に示されるように、外部からの荷重を受ける受圧部12が設けられている。受圧部12は、変位部11の上に隆起した円柱状の凸受圧部であり、その上面周縁に丸め加工(R加工)が施されていると好ましい。この受圧部12は、ニッケル合金またはシリコン(センサ基板10と同一材質)からなる。受圧部12は省略可能であるが、変位部11上に受圧部12を設けることでセンサ感度を安定させることができる。一方、センサ基板裏面10bには、図1、図3に示されるように、歪検出素子としての複数のピエゾ抵抗素子13と、変位部11を変位自在に支持する支持部(センサ側支持部)14と、複数のピエゾ抵抗素子13と電気的に接続した複数の電気接続部(センサ側電気接続部)15と、ピエゾ抵抗素子13と電気接続部15間を接続する回路配線部16とが設けられている。図3は、ピエゾ抵抗素子13、支持部14、電気接続部15及び回路配線部16の平面的な位置関係を示すもので、全てを実線で描いている。
複数のピエゾ抵抗素子13は、変位部11の周縁部に沿って、隣り合う素子同士が90°異なる位相(互いに直交する位置関係)で配置されている。受圧部12で受けた荷重により変位部11が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子13の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子13によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。
支持部14は、センサ基板裏面10bに突出形成され、変位部11の周縁部に沿って配置した複数のピエゾ抵抗素子13よりも基板周縁側(外側)で、かつ、少なくとも一部が複数のピエゾ抵抗素子13と平面的に重複するように位置している。本実施形態の支持部14は、図3に示すように平面環状(閉じた内周エッジを有する平面形状)をなし、変位部11の平面中心に関して対称な位置関係にあるので変位部11を安定に支持することができる。この支持部14は、下地層とAl、Ti、Cr、Ni、Cu、Ru、Rh、Ir、Pt、Ta、Fe、Auのいずれかまたは2つ以上を含む合金または2層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成されている。支持部14の平面形状は閉じた形状であれば任意である。
複数の電気接続部15は、上記支持部14と同様にセンサ基板裏面10bに突出形成され、該支持部14よりもさらに基板周縁側(外側)に位置している。本実施形態では図3に示すように、各電気接続部15が円柱状をなし、平面矩形状をなすセンサ基板裏面10bの4つの角部にそれぞれ配置されている。複数の電気接続部15は、センサ基板10の対角線上で対向する一対が変位部11の平面中心に関して対称な位置関係にあるので、変位部11を安定に支持することができる。各電気接続部15は、下地層と、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ru、Rh、Ir、Pt、Ta、Fe、Auのいずれかまたは2つ以上を含む合金または2層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成されている。この複数の電気接続部15は、センサ基板裏面10bに形成された回路配線部16を介して、複数のピエゾ抵抗素子13と電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子13と回路配線部16は、絶縁膜17により覆われてセンサ基板裏面10bに露出しない。この複数の電気接続部15の平面形状も任意である。
ベース基板20は、平面矩形状で巨視的に見て凹凸のない一定厚さのシリコン基板からなり、センサ基板10を接合して支持する支持基板である。このベース基板20は、図4に示すように、センサ基板10との接合面となる表面20aに、センサ基板10の支持部14に対応する平面環状(閉じた内周エッジを有する平面形状)の支持部24と、センサ基板10の複数の電気接続部15に対応する円柱状の複数の電気接続部25と、各電気接続部25から引き出した電気配線の端部にワイヤーボンディング可能に形成した複数の電極パッド26とを備えている。センサ基板10との電気配線部は、電気接続部25及び複数の電極パッド26により構成されている。支持部24及び複数の電気接続部25は、ベース基板表面20aに突出形成されていて、センサ基板10の支持部14及び複数の電気接続部15と同様に、下地層と、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ru、Rh、Ir、Pt、Ta、Fe、Auのいずれかまたは2つ以上を含む合金または2層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成されている。電極パッド26は、下地層と、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ru、Rh、Ir、Pt、Ta、Fe、Auのいずれかまたは2つ以上を含む合金または2層以上の積層膜からなる金属接合層と、例えばCu、Au、Al等からなるメッキ金属層とによる積層構造で形成されている。支持部24、複数の電気接続部25及び電極パッド26の各々の下地層及び金属接合層は同時に形成されたものである。
上記センサ基板10とベース基板20は、互いの支持部14、24及び互いの複数の電気接続部15、25を接合することにより一体化されて、センサ構造部を形成する。このセンサ構造部は、ベース基板20がパッケージ基板30上にダイボンディングされ、ベース基板20に設けた複数の電極パッド26がボンディングワイヤー40によってパッケージ基板30の複数の中継電極パッド36にそれぞれ接続され、この複数の中継電極パッド36を介して、パッケージ基板30の外面(センサ構造部を接着固定した面とは反対側の面)に設けた複数のSMD端子31と電気的に接続されている。すなわち、センサ構造部は、パッケージ基板30を介して外部実装可能な状態となっている。
ボンディングワイヤー40は、センサ基板表面10aよりも低く設けてある。ボンディングワイヤー40は、ベース基板20の電極パッド26との接続側に、ベース基板表面20aから100〜150μm程度起立する湾曲部を有しており、該湾曲部でその表面高さが最も高くなる。これに対し、センサ基板10の基板厚さは、ベース基板20との表面高さの差が200〜250μm程度となるように設定してある。
パッケージ基板30の外面には、図5に示すように、パッケージ端子として上記複数のSMD端子31と固定用端子(半田付け端子)32が形成されている。複数のSMD端子31は平面矩形状をなすパッケージ基板30の角部にそれぞれ配置され、固定用端子32は、複数のSMD端子31で囲まれた中央部に設けられ、図5の破線で示すセンサ構造部(ベース基板20)の接着固定位置と平面的に重複している。固定用端子32を用いてパッケージ基板30を固定することで、外部からの荷重を受けるセンサ構造部を安定に支えられる。固定用端子32は、グランド端子として用いてもよい。
パッケージ基板30の外面に設けるパッケージ端子の配置態様は、適宜変形可能である。図6はパッケージ端子の変形例を示している。図6(a)は破線で示されるセンサ構造部(ベース基板20)の接着固定位置を図5の実施例と90°異ならせた変形例、図6(b)は図5のSMD端子31xと固定用端子32を連続させ、SMD端子と固定用端子の両方を兼ねた兼用端子33を設けた変形例、図6(c)は図6(a)のSDM端子31xと固定用端子32を連続させ、SMD端子と固定用端子の両方を兼ねた兼用端子33を設けた変形例である。
封止樹脂50は、その封止樹脂表面50aがセンサ基板表面10aよりも10〜100μm程度低くなるように設定され、パッケージ基板30上のセンサ基板10及びベース基板20を覆っている。すなわち、パッケージ表面には受圧部12を含むセンサ基板表面10aのみが露出する。封止樹脂50をセンサ基板表面10aより低く設けることで、該センサ基板表面10aにおいてセンサ基板10の基板周縁が開放されるので、封止樹脂50によって変位部11の変位を妨げることがなく、また、封止樹脂50の硬化時に生じる圧縮応力によってセンサ基板10を歪ませ、該歪みによりセンサ特性(センサ感度及びブリッジ回路の出力ゼロ点)が変動してしまうという事態を回避できる。
また、封止樹脂50により、センサ基板10とベース基板20の接合及びベース基板20とパッケージ基板30の接合が強化されるとともに、センサ基板表面10aより低く設けたボンディングワイヤー40は完全に覆われて露出せず、配線接続の信頼性を確保できる。
次に、図7〜図10を参照し、本発明によるフォースセンサパッケージの製造方法について説明する。図7〜図10は、フォースセンサパッケージの製造方法の一工程を示す断面図である。
先ず、上述の受圧部12、複数のピエゾ抵抗素子13、支持部14、複数の電気接続部15、回路配線部16及び絶縁膜17を形成したセンサ基板10(図3)と、上述の支持部24、複数の電気接続部25及び複数の電極パッド26を形成したベース基板20(図4)を互いの支持部14、24及び複数の電気接続部15、25を平面的に一致させて接合し、センサ構造部を多数形成する。本実施形態の支持部14、24は平面環状で形成してあるので、接合により支持部14、24で囲まれた空間が封止される。
次に、上述の複数のSMD端子31、固定用端子32及び複数の中継電極パッド36からなるパッケージ構造部を多数形成した単一のパッケージ基板(図1及び図5)を用意する。
次に、図7に示すように、多数のセンサ構造部をパッケージ基板30上に接着固定し、ベース基板20の複数の電極パッド26とパッケージ基板30の複数の中継電極パッド36をボンディングワイヤー40により電気的に接続する。ここで、センサ構造部の接着固定は、ベース基板20をパッケージ基板30に接着固定することで行う。また、ボンディングワイヤー40は、その表面高さをセンサ基板表面10aより低くなるように設ける。本実施形態では、ボンディングワイヤー40をベース基板20の電極パッド26との接続側で該ベース基板表面20aから上方に100〜150μm程度起立させて接続するが、ベース基板20とセンサ基板10の表面高さの差を200〜250程度確保してあるので、ボンディングワイヤー40の高さはセンサ基板表面10aよりも確実に低くなる。
続いて、図8に示すように、多数のセンサ構造部を接着固定したパッケージ基板30をモールド金型の下金型61に設置し、上金型62の該多数のセンサ構造部のセンサ基板10と対向する面(図の下面)に、シート状の離型フィルム70を装着する。離型フィルム70は、弾性変形可能であって、センサ基板表面10aに突設した受圧部12の突出高さよりも大きな厚さを有している。本実施形態では、受圧部12の突出高さが50〜150μm程度であるので、厚さ100〜300μm程度の離型フィルム70を用いる。この離型フィルム70を装着した状態で上下金型61、62を押し当てると、パッケージ基板30上で表面高さが最も高くなる受圧部12に離型フィルム70が押し当てられる。上述のように離型フィルム70の厚さは受圧部12とセンサ基板表面10aの表面高さの差よりも大きいので、離型フィルム70は、受圧部12の側面からセンサ基板表面10aに沿い、さらにセンサ基板10の外周ではセンサ基板表面10aよりも下方にフィルム下面70aが位置する。本実施形態では、フィルム下面70aがセンサ基板表面10aよりも10〜100μm程度下方に位置するように、上下金型61、62の押圧を調整している。
続いて、モールド金型の下金型61と上金型62の間に形成した不図示の樹脂注入口から、図9に示すように離型フィルム60とパッケージ基板30との間に生じるキャビティに封止樹脂50を充填する。封止樹脂50が硬化したら、上下金型61、62とともに離型フィルム70を外す。封止樹脂50には、例えばエポキシ系樹脂またはフィラーを混入したエポキシ系樹脂を用いる。上述のように受圧部12及びセンサ基板表面10aには離型フィルム70が弾性変形した状態で押し当てられ、センサ基板表面10aの外周ではフィルム下面70aがセンサ基板表面10aより下方に位置しているので、センサ基板表面10aに封止樹脂50が入り込むことはなく、封止樹脂表面50aはセンサ基板表面10aより低くなる。図8〜図10のトランスファーモールド工程により、単一のパッケージ基板30上で多数のセンサ基板10、ベース基板20及びボンディングワイヤー40が一括封止され、封止樹脂50外には受圧部12を含むセンサ基板表面10aのみが露出する。
そして、図10に示すように、1つのセンサ構造部(対をなすセンサ基板10とベース基板20)からなるパッケージ単位でパッケージ基板30を切断する。これにより、図1に示すフォースセンサパッケージ1が多数同時に得られる。
以上の本実施形態によれば、パッケージ表面に受圧部12を露出させ、受圧部12を除くセンサ基板10、ベース基板20及びボンディングワイヤー40を保護して外方に露出させないパッケージ構造を封止樹脂50により実現しているので、プラスチック製のパッケージケースを用いる従来に比べて、簡単な構成及び製造工程で済み、低コスト化及び生産性の向上を図れる。また本実施形態によれば、封止樹脂表面50aをセンサ基板表面10aより低く設定したので、封止樹脂50によって変位部11の変位を妨げることがなく、また、封止樹脂50の硬化時に生じる圧縮応力によってセンサ基板10を歪ませ、該歪みによりセンサ特性が変動してしまうという事態を回避できる。なお、実施形態における各部の寸法例は、現状での一例を示すものであり、この寸法に限定されないことは勿論である。
1 センサパッケージ
10 センサ基板
10a センサ基板表面
10b センサ基板裏面
11 変位部
12 受圧部
13 ピエゾ抵抗素子
14 支持部
15 電気接続部
16 回路配線部
20 ベース基板
20a ベース基板表面
24 支持部
25 電気接続部
26 電極パッド
30 パッケージ基板
31 SMD端子
32 固定用端子
36 中継電極パッド
40 ボンディングワイヤー
50 封止樹脂
61 上金型
62 下金型
70 離型フィルム

Claims (9)

  1. 基板表面に突設した受圧部を介して荷重を受けたときに変位し、該変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ基板と、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とを接合したセンサ構造部を有し、このセンサ構造部を、前記ベース基板を介してパッケージ基板に接着固定してなるフォースセンサパッケージにおいて、
    前記パッケージ基板上のセンサ基板及びベース基板を封止樹脂で覆い、かつ、該封止樹脂表面をセンサ基板表面より低く設けたことを特徴とするフォースセンサパッケージ。
  2. 請求項1記載のフォースセンサパッケージにおいて、前記ベース基板の電気配線部と前記パッケージ基板をボンディングワイヤーで電気的に接続し、このボンディングワイヤーを前記センサ基板表面より低く設けたフォースセンサパッケージ。
  3. 請求項1または2記載のフォースセンサパッケージにおいて、前記パッケージ基板には、前記センサ構造部を接着固定した面とは反対側の面に、該センサ構造部の接着固定位置と平面的に重複させて、固定用端子が備えられているフォースセンサパッケージ。
  4. 請求項3記載のフォースセンサパッケージにおいて、前記パッケージ基板には、前記固定用端子を備えた面に、該パッケージ基板と外部回路を電気的に接続するためのSMD端子が複数備えられ、この複数のSMD端子のいずれかと前記固定用端子を兼用させたフォースセンサパッケージ。
  5. 基板表面に突設した受圧部を介して荷重を受けたときに変位し、該変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ基板と、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とを接合してなるセンサ構造部を多数形成する工程と、
    前記多数のセンサ構造部を該センサ構造部のベース基板を介してパッケージ基板上に接着固定し、各センサ構造部において前記ベース基板の電気配線部と前記パッケージ基板を電気的に接続する工程と、
    前記パッケージ基板上の多数のセンサ基板及びベース基板を封止樹脂で覆い、かつ、該封止樹脂表面をセンサ基板表面よりも低く設ける工程と、
    前記パッケージ基板を、1つのセンサ構造部からなるパッケージ単位で切断する工程と、
    を有することを特徴とするフォースセンサパッケージの製造方法。
  6. 請求項5記載のフォースセンサパッケージの製造方法において、前記封止工程は、
    モールド金型の下金型に、前記多数のセンサ構造部を接着固定したパッケージ基板を設置するステップと、
    モールド金型の上金型の前記パッケージ基板と対向する側の面に、前記受圧部の突出高さより大きな厚さを有する離型フィルムを装着するステップと、
    前記上金型を下金型に接近させ、前記離型フィルムを前記多数のセンサ構造部の受圧部及びセンサ基板表面に当接させるステップと、
    この当接状態で、前記離型フィルムと前記パッケージ基板との間に生じるキャビティに封止樹脂を充填するステップと、
    この封止樹脂の硬化後に、前記離型フィルム及び上下金型を外すステップと、
    を有するフォースセンサパッケージの製造方法。
  7. 請求項5または6記載のフォースセンサパッケージの製造方法において、前記ベース基板の電気配線部と前記パッケージ基板をボンディングワイヤーで電気的に接続し、このボンディングワイヤーをセンサ基板表面よりも低く設けるフォースセンサパッケージの製造方法。
  8. 請求項5ないし7のいずれか一項に記載のフォースセンサパッケージの製造方法において、前記パッケージ基板のセンサ構造部を接着固定した面とは反対側の面に、該センサ構造部の接着固定位置と平面的に重複させて、固定用端子を形成するフォースセンサパッケージの製造方法。
  9. 請求項8記載のフォースセンサパッケージの製造方法において、前記パッケージ基板のセンサ構造部を接着固定した面とは反対側の面に、該パッケージ基板と外部回路を電気的に接続するためのSMD端子を複数形成し、この複数のSMD端子のいずれかを前記固定用端子と兼用に設けるフォースセンサパッケージの製造方法。
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