JP2014142234A - Transmitter-receiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送受信装置に関する。 The present invention relates to a transmission / reception device.
近年、自動車等の車両に搭載される車両周辺監視装置において、超音波センサ(クリアランスソナー)やミリ波レーダが使用されている。 In recent years, ultrasonic sensors (clearance sonar) and millimeter wave radars are used in vehicle periphery monitoring devices mounted on vehicles such as automobiles.
超音波センサ(クリアランスソナー)は、車両の近傍に存在する物体に対して広範囲に超音波を発射し、反射して戻ってくるまでの時間に基づいて距離を測定する装置であり、障害物の接近を音や表示等で運転者に知らせることができるため、車庫入れ等に用いることが可能である。 An ultrasonic sensor (clearance sonar) is a device that measures the distance based on the time it takes to emit an ultrasonic wave over an object in the vicinity of a vehicle and reflect it back. Since the driver can be notified of the approach by sound or display, it can be used for garage entry.
一方、ミリ波レーダは、100m程度の範囲に存在する物体に対してミリ波帯の電波を発射し、反射して戻ってくるまでの時間に基づいて距離を測定する装置であり、例えば、衝突軽減を目的とする車載レーダとして用いることができる。 On the other hand, a millimeter wave radar is a device that measures the distance based on the time it takes to emit an electromagnetic wave in the millimeter wave band to an object existing in a range of about 100 m and reflect and return. It can be used as an on-vehicle radar for the purpose of mitigation.
このように、超音波ソナー(クリアランスソナー)とミリ波レーダとは目的が異なるため、これらの両方を使用するケースが増えており、これらを効率よく車両に搭載することが求められている。 As described above, since the purpose of the ultrasonic sonar (clearance sonar) and the millimeter wave radar are different, the number of cases using both of them is increasing, and it is required to efficiently mount them on the vehicle.
しかしながら、例えば、従来、誘電体多層基板と電波アンテナとを一体化する構造等が提案されているが(例えば、特許文献1参照)、超音波センサは振動体であり、ミリ波レーダに用いられる電波アンテナは電波放射体であり、共に基材自体がセンサとなる。そのため、単に同一の基板に超音波センサと電波アンテナとを搭載するだけでは、両者を正常に動作させることができないため、両者を一体化することは困難であった。 However, for example, conventionally, a structure in which a dielectric multilayer substrate and a radio wave antenna are integrated has been proposed (see, for example, Patent Document 1). A radio wave antenna is a radio wave radiator, and the base material itself is a sensor. For this reason, it is difficult to integrate the ultrasonic sensor and the radio wave antenna on the same substrate because they cannot be operated normally.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of said point, and makes it a subject to provide the transmission / reception apparatus which integrated the ultrasonic sensor and the radio wave antenna.
本送受信装置は、所定の周波数帯の電波を送信する送信アンテナと、超音波を送受信する超音波センサとを搭載した送受信装置であって、常誘電体から形成された常誘電体基板と、前記常誘電体基板上に直接形成されたアンテナ電極と、前記常誘電体基板上に、強誘電体から構成された圧電膜を介して形成された、超音波用電極と、を有することを要件とする。 The transmission / reception apparatus is a transmission / reception apparatus equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves, and a paraelectric substrate formed of a paraelectric material, An antenna electrode directly formed on a paraelectric substrate, and an ultrasonic electrode formed on the paraelectric substrate through a piezoelectric film made of a ferroelectric material. To do.
開示の技術によれば、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a transmission / reception device in which an ultrasonic sensor and a radio wave antenna are integrated.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
〈第1の実施の形態〉
まず、第1の実施の形態に係る送受信装置の構造について説明する。図1は、第1の実施の形態に係る送受信装置を例示する図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図である。図1を参照するに、第1の実施の形態に係る送受信装置10は、主要な構成要素として、基板11と、パッチ(アンテナ電極)12と、給電部13と、圧電膜14と、超音波用電極15と、裏面金属膜16とを有する。
<First Embodiment>
First, the structure of the transmission / reception apparatus according to the first embodiment will be described. 1A and 1B are diagrams illustrating a transmission / reception apparatus according to the first embodiment. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side view. Referring to FIG. 1, a transmitting / receiving
送受信装置10は、支持柱52及び固定部材53により、制御基板51上に所定の間隔を開けて固定されている。複数のパッチ(アンテナ電極)12と給電部13とは電気的に接続されており、これらは配線55を介して、制御基板51と電気的に接続されている。超音波用電極15は、基板11に設けられたスルーホール(図示せず)や配線56を介して、制御基板51と電気的に接続されている。配線55や配線56は、金属の配線パターンとしてもよいし、同軸ケーブル等を用いてもよい。
The transmission /
基板11は、パッチ(アンテナ電極)12や超音波用電極15を形成するための基体となる部分である。基板11の材料としては、常誘電体を用いることができる。基板11の材料として用いることができる常誘電体の一例としては、ポリテトラフルオロエチレンやアルミナ等を挙げることができる。なお、本願では、常誘電体とは、電気機械結合係数が30未満、かつ、誘電損失(tanδ)が0.05未満である誘電体を意味するものとする。基板11の厚さは、例えば、1.5mm程度とすることができる。
The
複数のパッチ(アンテナ電極)12及び給電部13は、基板11の一方の面に直接形成されており、送信アンテナとして機能する。例えば、基板11の材料として比誘電率εr≒4のアルミナを用い、26GHz帯の電波(波長λ≒8.4mm)を送信する場合には、各パッチ(アンテナ電極)12の平面形状は、一辺の長さL=λ/2√εr≒2.1mmの正方形とすることができる。但し、各パッチ(アンテナ電極)12の平面形状は、正方形の角部を除去した形状(コーナーカット)や長方形等としてもよい。
The plurality of patches (antenna electrodes) 12 and the
パッチ(アンテナ電極)12及び給電部13の材料としては、例えば、銅(Cu)等を用いることができる。パッチ(アンテナ電極)12の厚さは、例えば、数10μm程度とすることができる。パッチ(アンテナ電極)12及び給電部13は、例えば、蒸着等により、基板11の一方の面に直接形成することができる。なお、パッチ(アンテナ電極)12は、最低1個設ければよいが、複数個設けることにより、アンテナの指向性を制御することが可能となる。
As a material of the patch (antenna electrode) 12 and the
圧電膜14及び超音波用電極15は、基板11の一方の面に、この順番で積層形成されており、超音波センサとして機能する。超音波センサは、例えば100KHz程度の超音波を送信する送信器としての機能と、超音波を受信する受信器としての機能を合わせ持つ。
The
すなわち、制御基板51から超音波用電極15に電気信号が印加されると、圧電膜14及び基板11が振動し、超音波を送信する送信器として機能することができる。又、超音波を検知すると圧電膜14及び基板11が振動して電気信号を生成し、生成した電気信号を超音波用電極15から制御基板51に送る受信器として機能することができる。
That is, when an electrical signal is applied from the
圧電膜14としては、圧電薄膜や圧電高分子膜等を用いることができる。圧電膜14の材料としては、強誘電体を用いることができる。圧電膜14の材料として用いることができる強誘電体の一例としては、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等を挙げることができる。圧電膜14の厚さは、例えば、数10μm程度とすることができる。なお、本願では、強誘電体とは、電気機械結合係数が30以上、かつ、誘電損失(tanδ)が0.05以上である誘電体を意味するものとする。
As the
超音波用電極15の材料としては、例えば、銅(Cu)等を用いることができる。超音波用電極15の厚さは、例えば、数10μm程度とすることができる。圧電膜14及び超音波用電極15は、例えば、蒸着等により、基板11の一方の面に積層形成することができる。
As a material of the
なお、図1の例では、圧電膜14及び超音波用電極15の積層部がパッチ(アンテナ電極)12の両側に1組ずつ配置されているが、圧電膜14及び超音波用電極15の積層部は最低1組あればよい。圧電膜14及び超音波用電極15を複数組配置した場合には、基板11を振動させやすくなる点で好ましい。
In the example of FIG. 1, the laminated portion of the
裏面金属膜16は、基板11の他方の面の所定領域に形成されている。裏面金属膜16の材料としては、例えば、銅(Cu)等を用いることができる。裏面金属膜16の厚さは、例えば、数10μm程度とすることができる。裏面金属膜16は、例えば、蒸着等により、基板11の他方の面に形成することができる。裏面金属膜16は、例えば、基準電位(GND)に接続されている。なお、裏面金属膜16は、必要に応じて形成すればよい。
The
なお、裏面金属膜16に変えて、基板11の他方の面にも圧電膜14及び超音波用電極15を形成し、基板11の両面に形成された圧電膜14及び超音波用電極15により、超音波センサを構成してもよい。
In place of the back
ここで、送受信装置10に用いる基板11及び圧電膜14について、更に詳しく説明する。超音波センサに用いられる圧電膜14を構成する圧電材料としては、一般に図2に示すような強誘電体が用いられるが、超音波センサに用いられる圧電膜14を構成する圧電材料に要求される特性は電気機械結合係数が30以上あることである。
Here, the
一方、送信アンテナを形成するための基板11の材料としては、一般に図2に示すような常誘電体が用いられるが、送信アンテナを形成するための基板11の材料に要求される特性は誘電損失(tanδ)が0.05未満であることである。
On the other hand, as a material of the
本実施の形態では、送信アンテナのパッチ(アンテナ電極)12や超音波センサの超音波用電極15を形成するための基体となる基板11の材料としては常誘電体を用い、常誘電体である基板11の一方の面に強誘電体である圧電膜14を積層している。常誘電体である基板11と強誘電体である圧電膜14との積層部分は、図2の『目標範囲』に示すような、電気機械結合係数が30以上、かつ、誘電損失(tanδ)が0.05未満である誘電体となる。
In the present embodiment, a paraelectric material is used as the material of the
つまり、誘電損失(tanδ)が0.05未満である基板11の一方の面に複数のパッチ(アンテナ電極)12及び給電部13を直接形成することにより送信アンテナを実現し、かつ、電気機械結合係数が30以上である基板11と圧電膜14との積層部分に超音波用電極15を形成することにより超音波センサを実現することができる。すなわち、1つの基板11上に、送信アンテナと超音波センサを一体化して形成した送受信装置10を実現することが可能となる。
That is, a transmission antenna is realized by directly forming a plurality of patches (antenna electrodes) 12 and a feeding
次に、送受信装置10の応用例について説明する。図3は、第1の実施の形態に係る送受信装置の応用例について説明する図であり、図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。図3において、制御基板を含む制御回路部50上に送受信装置10、及び、複数のパッチ(アンテナ電極)62及び給電部63が基板61の一方の面に形成された受信アンテナ60が固定されている。送受信装置10及び受信アンテナ60は、配線等により、制御回路部50と電気的に接続されている。なお、パッチ(アンテナ電極)62の数により、受信の指向性を制御することが可能となる。
Next, an application example of the transmission /
図4は、制御回路部を例示するブロック図である。図4を参照しながら、送受信装置10及び受信アンテナ60の動作について説明する。制御回路部50の統合制御部71は、送受信装置10の送信アンテナと超音波センサとを統合的に制御する部分である。統合制御部71は、例えば、CPU、ROM、RAM等を含んで構成されている。
FIG. 4 is a block diagram illustrating the control circuit unit. The operations of the transmission /
統合制御部71は、送受信装置10の送信アンテナと超音波センサの何れを機能させるかを選択する選択信号を切替制御部72に出力し、切替制御部72は統合制御部71の指令に基づいて、送信アンテナと超音波センサの何れかを選択する。
The integrated control unit 71 outputs a selection signal for selecting which of the transmission antenna and the ultrasonic sensor of the transmission /
超音波センサが選択された場合には、統合制御部71から超音波センサ信号処理回路73に指令が出される。超音波センサ信号処理回路73は、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する選択信号をスイッチ74に出力し、スイッチ74は超音波センサ信号処理回路73の指令に基づいて、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する。
When the ultrasonic sensor is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the ultrasonic sensor
超音波センサが送信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路73の指令に基づいて送信制御回路75が動作し、超音波用電極15に電気信号を印加して圧電膜14及び基板11を振動させ、超音波を送信する。又、超音波センサが受信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路73の指令に基づいて受信制御回路76が動作し、超音波を検知した圧電膜14及び基板11が振動して生成した電気信号を超音波用電極15から受信する。
When the ultrasonic sensor functions as a transmitter, the
一方、送信アンテナが選択された場合には、統合制御部71からアンテナ信号処理回路77に指令が出される。電波を送信する場合には、アンテナ信号処理回路77の指令に基づいて送信制御回路78が動作し、アンテナ電極12に電気信号を印加して電波を送信する。又、電波を受信する場合には、アンテナ信号処理回路77の指令に基づいて受信制御回路79が動作し、受信アンテナ60により電波を受信する。
On the other hand, when the transmission antenna is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the antenna
このように、第1の実施の形態では、常誘電体から形成された基板11と、基板11に直接形成されたアンテナ電極12と、基板11上に強誘電体から構成された圧電膜14を介して形成された超音波用電極15とを有する構成により、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置10を実現している。その結果、送受信装置10を小型化及び低コスト化できる。
As described above, in the first embodiment, the
なお、送受信装置10は、例えば、車両に搭載する超音波ソナー(クリアランスソナー)の超音波センサ及びミリ波レーダの送信アンテナとして用いることができる。
The transmitter /
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、所定の周波数帯の電波を送信する送信アンテナと、超音波を送受信する超音波センサとを搭載した送受信装置であって、第1の実施の形態とは異なる構成の送受信装置の例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。
<Second Embodiment>
The second embodiment is a transmission / reception device equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves, and has a configuration different from that of the first embodiment. The example of a transmission / reception apparatus is shown. In the second embodiment, the description of the same components as those already described is omitted.
図5は、第2の実施の形態に係る送受信装置を例示する図であり、図5(a)は平面図、図5(b)は側面図である。図5を参照するに、第2の実施の形態に係る送受信装置20は、主要な構成要素として、超音波用基板21と、アンテナ用基板22と、パッチ(アンテナ電極)12と、給電部13と、超音波用電極15と、裏面金属膜16とを有する。
5A and 5B are diagrams illustrating a transmission / reception apparatus according to the second embodiment. FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a side view. Referring to FIG. 5, the transmission /
送受信装置20は、支持柱52及び固定部材53により、制御基板51上に所定の間隔を開けて固定されている。複数のパッチ(アンテナ電極)12と給電部13とは電気的に接続されており、これらは配線55を介して、制御基板51と電気的に接続されている。超音波用電極15は、超音波用基板21に設けられたスルーホール(図示せず)や配線56を介して、制御基板51と電気的に接続されている。配線55や配線56は、金属の配線パターンとしてもよいし、同軸ケーブル等を用いてもよい。
The transmission /
超音波用基板21は、パッチ(アンテナ電極)12や超音波用電極15を形成するための基体となる部分である。超音波用基板21の材料としては、強誘電体である圧電材料を用いることができる。超音波用基板21の材料として用いることができる強誘電体の一例としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等を挙げることができる。超音波用基板21の厚さは、例えば、1.5mm程度とすることができる。
The
超音波用電極15は、超音波用基板21の一方の面に例えば蒸着等により形成されており、超音波センサとして機能する。超音波センサは、例えば100KHz程度の超音波を送信する送信器としての機能と、超音波を受信する受信器としての機能を合わせ持つ。
The
すなわち、制御基板51から超音波用電極15に電気信号が印加されると、圧電材料からなる超音波用基板21が振動し、超音波を送信する送信器として機能することができる。又、超音波を検知すると圧電材料からなる超音波用基板21が振動して電気信号を生成し、生成した電気信号を超音波用電極15から制御基板51に送る受信器として機能することができる。
That is, when an electrical signal is applied from the
複数のパッチ(アンテナ電極)12及び給電部13は、超音波用電極15上に接着剤等を介して積層形成されたアンテナ用基板22(例えば、1.5mm程度)の一方の面に例えば蒸着等により形成されており、送信アンテナとして機能する。裏面金属膜16は、超音波用基板21の他方の面の所定領域に形成されている。なお、裏面金属膜16は、必要に応じて形成すればよい。
The plurality of patches (antenna electrodes) 12 and the
ここで、送受信装置20に用いる超音波用基板21及びアンテナ用基板22について、更に詳しく説明する。超音波センサに用いられる超音波用基板21を構成する圧電材料としては、一般に図2に示すような強誘電体が用いられるが、超音波センサに用いられる超音波用基板21を構成する圧電材料に要求される特性は電気機械結合係数が30以上あることである。
Here, the
一方、送信アンテナを形成するためのアンテナ用基板22の材料としては、一般に図2に示すような常誘電体が用いられるが、送信アンテナを形成するためのアンテナ用基板22の材料に要求される特性は誘電損失(tanδ)が0.05未満であることである。
On the other hand, as a material of the
本実施の形態では、基体となる超音波用基板21の材料としては強誘電体を用い、強誘電体である超音波用基板21の一方の面に超音波センサの超音波用電極15を形成している。そして、更にその上に、常誘電体であるアンテナ用基板22を介して送信アンテナのパッチ(アンテナ電極)12を形成している。強誘電体である超音波用基板21と常誘電体であるアンテナ用基板22との積層部分は、図2の『目標範囲』に示すような、電気機械結合係数が30以上、かつ、誘電損失(tanδ)が0.05未満である誘電体となる。
In the present embodiment, a ferroelectric is used as the material of the
つまり、電気機械結合係数が30以上である超音波用基板21の一方の面に超音波用電極15を形成することにより超音波センサを実現し、誘電損失(tanδ)が0.05未満であるアンテナ用基板22の一方の面に複数のパッチ(アンテナ電極)12及び給電部13を直接形成することにより送信アンテナを実現することができる。すなわち、1つの超音波用基板21上に、送信アンテナと超音波センサを一体化して形成した送受信装置20を実現することが可能となる。
That is, an ultrasonic sensor is realized by forming the
次に、送受信装置20の応用例について説明する。図6は、第2の実施の形態に係る送受信装置の応用例について説明する図であり、図6(a)は平面図、図6(b)は側面図である。図6において、制御基板を含む制御回路部50上に送受信装置20、及び、複数のパッチ(アンテナ電極)62及び給電部63が基板61の一方の面に形成された受信アンテナ60が固定されている。送受信装置20及び受信アンテナ60は、配線等により、制御回路部50と電気的に接続されている。
Next, an application example of the transmission /
次に、送受信装置20及び受信アンテナ60の動作について説明する。統合制御部71は、送受信装置20の送信アンテナと超音波センサの何れを機能させるかを選択する選択信号を切替制御部72に出力し、切替制御部72は統合制御部71の指令に基づいて、送信アンテナと超音波センサの何れかを選択する。
Next, operations of the transmission /
超音波センサが選択された場合には、統合制御部71から超音波センサ信号処理回路73に指令が出される。超音波センサ信号処理回路73は、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する選択信号をスイッチ74に出力し、スイッチ74は超音波センサ信号処理回路73の指令に基づいて、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する。
When the ultrasonic sensor is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the ultrasonic sensor
超音波センサが送信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路73の指令に基づいて送信制御回路75が動作し、超音波用電極15に電気信号を印加して超音波用基板21を振動させ、超音波を送信する。又、超音波センサが受信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路73の指令に基づいて受信制御回路76が動作し、超音波を検知した超音波用基板21が振動して生成した電気信号を超音波用電極15から受信する。
When the ultrasonic sensor functions as a transmitter, the
一方、送信アンテナが選択された場合には、統合制御部71からアンテナ信号処理回路77に指令が出される。電波を送信する場合には、アンテナ信号処理回路77の指令に基づいて送信制御回路78が動作し、アンテナ電極12に電気信号を印加して電波を送信する。又、電波を受信する場合には、アンテナ信号処理回路77の指令に基づいて受信制御回路79が動作し、受信アンテナ60から電波を受信する。
On the other hand, when the transmission antenna is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the antenna
このように、第2の実施の形態では、圧電材料である強誘電体から形成された超音波用基板21と、超音波用基板21上に直接形成された超音波用電極15と、超音波用基板21上に、常誘電体から形成されたアンテナ用基板22を介して形成されたアンテナ電極12とを有する構成により、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置20を実現している。その結果、送受信装置20を小型化及び低コスト化できる。
As described above, in the second embodiment, the
なお、送受信装置20は、例えば、車両に搭載する超音波ソナー(クリアランスソナー)の超音波センサ及びミリ波レーダの送信アンテナとして用いることができる。
The transmitter /
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions may be made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.
10、20 送受信装置
11、61 基板
12、62 パッチ(アンテナ電極)
13、63 給電部
14 圧電膜
15 超音波用電極
16 裏面金属膜
21 超音波用基板
22 アンテナ用基板
50 制御回路部
51 制御基板
52 支持柱
53 固定部材
55、56 配線
60 受信アンテナ
71 統合制御部
72 切替制御部
73 超音波センサ信号処理回路
74 スイッチ
75、78 送信制御回路
76、79 受信制御回路
77 アンテナ信号処理回路
10, 20
DESCRIPTION OF
Claims (4)
常誘電体から形成された常誘電体基板と、
前記常誘電体基板上に直接形成されたアンテナ電極と、
前記常誘電体基板上に、強誘電体から構成された圧電膜を介して形成された、超音波用電極と、を有することを特徴とする送受信装置。 A transmission / reception device equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves,
A paraelectric substrate formed from a paraelectric material;
An antenna electrode formed directly on the paraelectric substrate;
A transmission / reception apparatus comprising: an ultrasonic electrode formed on the paraelectric substrate via a piezoelectric film made of a ferroelectric material.
圧電材料である強誘電体から形成された強誘電体基板と、
前記強誘電体基板上に直接形成された超音波用電極と、
前記強誘電体基板上に、常誘電体から形成された常誘電体基板を介して形成された、アンテナ電極と、を有することを特徴とする送受信装置。 A transmission / reception device equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves,
A ferroelectric substrate formed of a ferroelectric material which is a piezoelectric material;
An ultrasonic electrode directly formed on the ferroelectric substrate;
An antenna electrode formed on the ferroelectric substrate via a paraelectric substrate formed of a paraelectric material.
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