JP2012169692A - 弾性境界波装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】弾性境界波装置において、スプリアス応答となる高次モードを抑圧する。
【解決手段】弾性境界波装置1は、圧電基板20と、第1の媒質21と、第2の媒質22と、IDT電極13とを備えている。第1の媒質21は、圧電基板20の上に形成されている。第2の媒質22は、第1の媒質21の上に形成されている。IDT電極13は、圧電基板20と第1の媒質21との間の境界に形成されている。第1の媒質21の音速は、圧電基板20及び第2の媒質22の音速よりも低い。第2の媒質22の厚さは、IDT電極13において生じる弾性境界波の波長をλとしたときに、0.56λ以上である。
【選択図】図2
【解決手段】弾性境界波装置1は、圧電基板20と、第1の媒質21と、第2の媒質22と、IDT電極13とを備えている。第1の媒質21は、圧電基板20の上に形成されている。第2の媒質22は、第1の媒質21の上に形成されている。IDT電極13は、圧電基板20と第1の媒質21との間の境界に形成されている。第1の媒質21の音速は、圧電基板20及び第2の媒質22の音速よりも低い。第2の媒質22の厚さは、IDT電極13において生じる弾性境界波の波長をλとしたときに、0.56λ以上である。
【選択図】図2
Description
本発明は、弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、詳細には、圧電基板の上に形成された第1及び第2の誘電体層を有する3媒質型の弾性境界波装置に関する。
従来、携帯電話用のRFフィルタやIFフィルタ、VCO用共振子、テレビジョン用VIFフィルタなどに弾性波装置が用いられている。弾性波装置としては、従来、弾性表面波を利用した弾性表面波装置が一般的に用いられていたが、近年、弾性表面波装置よりも小型化が可能であることより、例えば下記の特許文献1に記載されているような、弾性境界波装置が用いられるようになってきている。
具体的には、特許文献1には、IDT電極が形成された圧電基板の上に、第1の媒質としての多結晶酸化珪素膜と、第2の媒質としての多結晶珪素膜とをこの順番で形成した弾性境界波装置が記載されている。この弾性境界波装置において、圧電基板と、多結晶珪素膜とは、IDT電極において発生した弾性境界波を多結晶酸化珪素膜内に閉じ込める機能を有している。特許文献1には、IDT電極において発生する弾性境界波の波長(λ)により規格化された第1の媒質の厚さは、0.2λ以上であることが好ましく、第2の媒質の波長規格化厚さは、0.25λ以上であることが好ましい旨が記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の弾性境界波装置では、スプリアス応答となる高次モードについては一切考慮されていなかった。本発明者らは、弾性境界波装置におけるスプリアス応答となる高次モードについて鋭意研究した結果、第1の媒質の波長規格化厚さを0.2λ以上とし、第2の媒質の波長規格化厚さを0.25λ以上とした場合であっても、スプリアス応答となる高次モードを十分に抑圧できない場合があることを見出した。また、従来、高次モードの励振の強さは、第1の媒質の厚さに依存し、第1の媒質の厚さを小さくするほど高次モードが弱まることが知られているが、第2の媒質の波長規格化厚さを0.25λとした場合は、第1の媒質の厚さを小さくしてもスプリアス応答となる高次モードを十分に抑圧できなかった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、弾性境界波装置において、スプリアス応答となる高次モードを抑圧することにある。
本発明に係る弾性境界波装置は、圧電基板と、第1の媒質と、第2の媒質と、IDT電極とを備えている。第1の媒質は、圧電基板の上に形成されている。第2の媒質は、第1の媒質の上に形成されている。IDT電極は、圧電基板と第1の媒質との間の境界に形成されている。第1の媒質の音速は、圧電基板及び第2の媒質の音速よりも低い。第2の媒質の厚さは、IDT電極において生じる弾性境界波の波長をλとしたときに、0.56λ以上である。
本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面において、第2の媒質の厚さが4.6μm以下である。
本発明に係る弾性境界波装置の他の特定の局面において、圧電基板は、カット角が0°〜37°の範囲内にある回転YカットLiNbO3基板である。
本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面において、第2の媒質が窒化珪素からなる。
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面において、第1の媒質が酸化珪素からなる。
本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面において、第2の媒質は、スパッタ法、蒸着法、CVD法、スピンコート法またはスクリーン印刷法により形成された膜である。
本発明では、第2の媒質の厚さが0.56λ以上とされているため、スプリアス応答となる高次モードを効果的に抑圧できる。その結果、良好な共振子特性や、フィルタ特性等を実現することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。なお、本実施形態では、本発明を実施した弾性境界波装置の好ましい例の一例として、図1に示す弾性境界波共振子を挙げるが、本発明に係る弾性境界波装置は、弾性境界波共振子に限定されない。本発明に係る弾性境界波装置は、例えば、弾性境界波フィルタなどであってもよい。
図1は、本実施形態に係る弾性境界波装置の略図的構成図である。図1に示すように、弾性境界波装置1は、入力端子11と出力端子12とを備えている。入力端子11と出力端子12との間には、IDT電極13が接続されている。IDT電極13の弾性境界波伝搬方向の両側には、第1及び第2のグレーティング反射器14,15が配置されている。なお、図1は、弾性境界波装置1の模式図であって、図1において、IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15の電極指の本数は、実際の本数よりも少なく描画されている。
図2は、本実施形態に係る弾性境界波装置の一部を拡大した略図的断面図である。図2に示すように、弾性境界波装置1は、所謂3媒質型の弾性境界波装置である。弾性境界波装置1は、圧電基板20を備えている。圧電基板20は、適宜の圧電材料によって形成することができる。圧電基板20の具体例としては、例えば、LiNbO3基板や、LiTaO3基板などが挙げられる。
圧電基板20の上には、IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15が形成されている。IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15は、Au、Pt、Al、Cu、Ni、Tiなどの金属や、AlCuなどの合金等の適宜の導電材料により形成することができる。IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15は、ひとつの導電層により構成されていてもよいし、複数の導電層の積層体により形成されていてもよい。
また、IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15の厚さも、特に限定されず、弾性境界波装置1の要求特性などに応じて適宜設定することができる。
なお、本実施形態においては、圧電基板20の表面上に、下地層23が形成されており、その下地層23の上にIDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15が形成されている。しかしながら、本発明において、下地層は必須ではなく、圧電基板の直上にIDT電極等を形成してもよい。下地層23の材料は特に限定されないが、下地層23は、例えば、Ta2O5などにより形成することができる。
圧電基板20の上には、IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15を覆うように第1の媒質21が形成されている。すなわち、IDT電極13並びに第1及び第2のグレーティング反射器14,15は、圧電基板20と第1の媒質21との間の境界に形成されている。第1の媒質21の上には、第2の媒質22が形成されている。第1の媒質21の音速は、圧電基板20の音速及び第2の媒質22の音速のいずれよりも低い。
第1及び第2の媒質21,22の材料は、第1の媒質21の音速が圧電基板20の音速及び第2の媒質22の音速よりも低くなる材料であれば特に限定されない。例えば、第1の媒質21及び第2の媒質22は、誘電体により形成することができる。具体的には、例えば、第1の媒質21をSiO2などの酸化珪素により形成し、第2の媒質22をSiNなどの窒化珪素により形成することができる。
第1及び第2の媒質21,22の形成方法も特に限定されず、第1及び第2の媒質21,22は、例えば、スパッタ法や、CVD法等の蒸着法により形成することができる。
第1の媒質21の厚さは、特に限定されず、弾性境界波装置1に要求される特性などに応じて適宜設定することができる。一方、第2の媒質22の厚さは、IDT電極13において生じる弾性境界波の波長をλとしたときに、0.56λ以上である。このため、下記の実験例の結果からも分かるように、スプリアス応答となる高次モードを効果的に抑圧することができる。
具体的には、以下のような実験を行った。
以下の設計パラメータで、図1及び図2に示す構成の弾性境界波装置を作製し、共振子特性を測定した。
圧電基板20:25°Y−X LiNbO3基板
下地層23の材料:Ta2O5
下地層23の厚さ:12nm(0.007λ)
IDT電極13及び第1及び第2のグレーティング反射器14,15の膜構成:Ti層(厚さ10nm(0.006λ))/Pt層(厚さ31nm(0.017λ))/Ti層(厚さ10nm(0.006λ))/Al層(厚さ300nm(0.167λ))/Ti層(厚さ10nm(0.006λ))/Pt層(厚さ31nm(0.017λ))/Ti層(厚さ10nm(0.006λ))
IDT電極13の電極指のピッチによって決定される波長(λ):1.8μm
IDT電極13における電極指対数:60対
IDT電極13のデューティー:0.50
IDT電極13の交叉幅(対向しあうバスバーの間隔):30λ
IDT電極のアポダイズ比(最小交叉幅W0/最大交叉幅W1):0.40
第1及び第2のグレーティング反射器14,15における電極指の本数:各51本
第1の媒質21の材料:SiO2
第1の媒質21の厚さ:1118nm(0.621λ)
第2の媒質22の材料:SiN
第2の媒質22の厚さ:600nm(0.33λ)、800nm(0.44λ)、1000nm(0.56λ)、1890nm(1.05λ)
下地層23の材料:Ta2O5
下地層23の厚さ:12nm(0.007λ)
IDT電極13及び第1及び第2のグレーティング反射器14,15の膜構成:Ti層(厚さ10nm(0.006λ))/Pt層(厚さ31nm(0.017λ))/Ti層(厚さ10nm(0.006λ))/Al層(厚さ300nm(0.167λ))/Ti層(厚さ10nm(0.006λ))/Pt層(厚さ31nm(0.017λ))/Ti層(厚さ10nm(0.006λ))
IDT電極13の電極指のピッチによって決定される波長(λ):1.8μm
IDT電極13における電極指対数:60対
IDT電極13のデューティー:0.50
IDT電極13の交叉幅(対向しあうバスバーの間隔):30λ
IDT電極のアポダイズ比(最小交叉幅W0/最大交叉幅W1):0.40
第1及び第2のグレーティング反射器14,15における電極指の本数:各51本
第1の媒質21の材料:SiO2
第1の媒質21の厚さ:1118nm(0.621λ)
第2の媒質22の材料:SiN
第2の媒質22の厚さ:600nm(0.33λ)、800nm(0.44λ)、1000nm(0.56λ)、1890nm(1.05λ)
図3〜図10に共振子特性の測定結果を示す。具体的には、図3は、第2の媒質の厚さが0.33λである場合のインピーダンス特性を表すグラフである。図4は、第2の媒質の厚さが0.33λである場合の位相特性を表すグラフである。図5は、第2の媒質の厚さが0.44λである場合のインピーダンス特性を表すグラフである。図6は、第2の媒質の厚さが0.44λである場合の位相特性を表すグラフである。図7は、第2の媒質の厚さが0.56λである場合のインピーダンス特性を表すグラフである。図8は、第2の媒質の厚さが0.56λである場合の位相特性を表すグラフである。図9は、第2の媒質の厚さが1.05λである場合のインピーダンス特性を表すグラフである。図10は、第2の媒質の厚さが1.05λである場合の位相特性を表すグラフである。
図3〜図10に示すように、基本モードの共振子特性は、第2の媒質22の厚さが変化しても大きく変化しないことがわかる。それに対して、高次モードの強度は、第2の媒質22の厚さが0.56λ未満である場合は大きく、第2の媒質22の厚さが0.56λ以上の場合に、高次モードの強度が小さくなった。
また、第2の媒質22の厚さが0.56λである場合を表す図7,8と、第2の媒質22の厚さが1.05λである場合を表す図9,10との比較により、第2の媒質22の厚さが0.56λ以上では、第2の媒質22の厚さが変化しても、高次モードの強度がそれほど大きくは変化しないことが分かる。
これらの結果から、第2の媒質22の厚さを0.56λ以上とすることによって、基本モードの特性を変化させることなく、高次モードを効果的に抑圧できるため、高次モードに起因するスプリアスを効果的に低減することができる。従って、例えば、本実施形態の弾性境界波装置1を用いることによって特性が良好な弾性境界波フィルタを作成することができる。
なお、基本モードが第2の媒質22の厚さに大きく相関しないのに対して、第2の媒質22の厚さが小さくなると高次モードの強度が高くなるのは、高次モードは基本モードに比べて基板厚み方向に広い変位分布を持つためであると考えられる。すなわち、第2の媒質22の厚さが0.56λ未満の場合は、基本モードは第2の媒質22の表面にまで達しないものの、高次モードが第2の媒質22の表面にまで達しているのに対して、第2の媒質22の厚さが0.56λ以上である場合は、高次モードも第2の媒質22内に閉じ込められ、第2の媒質22の表面にまで達しなくなるため、高次モードに起因するスプリアス応答が小さくなったものと考えられる。
ところで、高次モードに起因するスプリアスを抑圧する方法としては、従来、第2の媒質22の表面に、高次モードを吸音する吸音層を設ける方法が知られている。しかしながら、第2の媒質22の表面に吸音層を設けたとしても、高次モードの強度を十分に小さくすることはできない。このことを確認するために、以下の実験を行った。
すなわち、第2の媒質の上にポリイミドからなる厚さ8μmの吸音層を形成したこと以外は、上記実験例において作成した弾性境界波装置と同様に弾性境界波装置を作製し、共振子特性を測定した。その結果、第2の媒質22の厚さが0.56λまたは1.05λである場合は、吸音層がある場合とない場合とで、共振子特性に大きな変化は見られなかった。一方、第2の媒質22の厚さが0.44λまたは0.33λである場合は、吸音層を設けることにより、吸音層を設けない場合よりも、高次モードの応答の強度が小さくなった。しかしながら、吸音層を設けた場合であっても、第2の媒質22の厚さが0.44λまたは0.33λである場合は、第2の媒質22の厚さが0.56λ以上である場合ほどは高次モードの応答が小さくならなかった。この結果から、吸音層を設けたのみでは高次モードを十分に抑圧することは困難であり、高次モードを十分に抑圧するためには、第2の媒質22の厚みを0.56λ以上にする必要があることがわかる。
ところで、第2の媒質22の厚さを厚くした場合、例えば、第2の媒質22をスパッタ法や蒸着法、CVD法、スピンコート法、スクリーン印刷法で形成すると、第2の媒質の膜応力により圧電基板20に反りが発生する。圧電基板20が反ると、搬送工程が行いづらくなったり、圧電基板20に割れや欠けが生じたりする場合がある。このため、圧電基板20に生じる反りを小さくする観点からは、第2の媒質22の厚さは、小さい方が好ましい。
図11は、直径が10.16cm(4インチ)で、厚さが0.7mmである円板状の圧電基板(カット角25°回転YカットLiNbO3基板)20の上に、第1の媒質21として、厚さ600nmのSiO2膜をRFスパッタ法により成膜した後に、第2の媒質22として、SiN膜をRFスパッタ法により成膜した場合の、SiN膜の膜厚と、圧電基板20の反りとの関係を表すグラフである。
図11に示すように、第2の媒質22の厚みが4.6μm以下であれば、圧電基板20の反り量を、搬送工程において取り扱いが可能な500μm以下にできることが分かる。この結果から、第2の媒質22の厚みは、4.6μm以下であることが好ましいことが分かる。第2の媒質22の厚みは、より好ましくは、2.8μmである。
図12〜図17に、カット角θが0°、10°、37°の回転YカットLiNbO3基板を用いた場合の弾性境界波装置のインピーダンス特性及び位相特性を示す。
図12及び図13が、θ=0°の場合の結果を、図14及び図15が、θ=10°の結果を、図16及び図17が、θ=37°の場合の結果をそれぞれ示す。
SH型弾性境界波装置の基本モードによる応答をA、高次モードによる応答をBで示す。
図12〜図17から明らかなように、カット角θが0°、10°または37°の場合のいずれにおいても、基本モードのインピーダンス比、すなわち反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比は60dB以上であり、上記実施形態すなわち25°回転YカットLiNbO3基板の場合のインピーダンス比と同等である。従って、カット角θが、0°〜37°の範囲であれば、上記実施形態と同様に、基本モードの応答は充分な大きさとなることがわかる。
また、カット角θが、0°〜37°の範囲では、高次モードによるスプリアスの応答が大きいことが問題であることがわかる。第2の媒質を構成するSiNからなる誘電体層の膜厚が0.56λより小さい場合は、高次モードのスプリアス応答がさらに大きくなる。
よって、本発明においては、好ましくは、LiNbO3のカット角θは0°〜37°の範囲内であれば、高次モードスプリアスを抑圧し、充分な大きさの基本モードによる応答を得ることができることがわかる。
なお、図12〜17の横軸は音速とした。音速(m/秒)=周波数(MHz)×波長(μm)である。音速の3000m/秒から5000m/秒の範囲は、周波数の1700MHzから2700MHzの範囲と等価である。
1…弾性境界波装置
11…入力端子
12…出力端子
13…IDT電極
14…第1のグレーティング反射器
15…第2のグレーティング反射器
20…圧電基板
21…第1の媒質
22…第2の媒質
23…下地層
11…入力端子
12…出力端子
13…IDT電極
14…第1のグレーティング反射器
15…第2のグレーティング反射器
20…圧電基板
21…第1の媒質
22…第2の媒質
23…下地層
Claims (6)
- 圧電基板と、
前記圧電基板の上に形成されている第1の媒質と、
前記第1の媒質の上に形成されている第2の媒質と、
前記圧電基板と前記第1の媒質との間の境界に形成されているIDT電極とを備え、
前記第1の媒質の音速は、前記圧電基板及び前記第2の媒質の音速よりも低い弾性境界波装置であって、
前記IDT電極において生じる弾性境界波の波長をλとしたときに、前記第2の媒質の厚さが0.56λ以上である、弾性境界波装置。 - 前記第2の媒質の厚さが4.6μm以下である、請求項1に記載の弾性境界波装置。
- 前記圧電基板は、カット角が0°〜37°の範囲内にある回転YカットLiNbO3基板である、請求項1または2に記載の弾性境界波装置。
- 前記第2の媒質が窒化珪素からなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の弾性境界波装置。
- 前記第1の媒質が酸化珪素からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の弾性境界波装置。
- 前記第2の媒質は、スパッタ法、蒸着法、CVD法、スピンコート法またはスクリーン印刷法により形成された膜である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の弾性境界波装置。
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JP2009115551A JP2012169692A (ja) | 2009-05-12 | 2009-05-12 | 弾性境界波装置 |
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- 2009-05-12 JP JP2009115551A patent/JP2012169692A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20120904 |