JPS60166854A - Capacity type humidity sensor and manufacture thereof - Google Patents
Capacity type humidity sensor and manufacture thereofInfo
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- JPS60166854A JPS60166854A JP59220649A JP22064984A JPS60166854A JP S60166854 A JPS60166854 A JP S60166854A JP 59220649 A JP59220649 A JP 59220649A JP 22064984 A JP22064984 A JP 22064984A JP S60166854 A JPS60166854 A JP S60166854A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分骨
本発明は、感湿性絶縁基板と、この基板上で中間空間を
形成するために構成された2つの電極の間に配置された
、感湿重合体からの薄層とを有する容量型湿度センサー
及びこのような湿度センサーを製造する方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Industrial Application The present invention provides a moisture-sensitive insulating substrate and a moisture-sensitive insulating substrate disposed between two electrodes configured to form an intermediate space on the substrate. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a capacitive humidity sensor having a thin layer from a composite and a method of manufacturing such a humidity sensor.
従来技術
この種の湿度センサーは、例えば西ドイツ国特許第23
39545号明細書、同第2547389号明細書、西
ドイツ国特許公開公報第2920808号及び同第29
27634号の記載から公知である。全部のこれら公知
の湿度センサーの場合、2つの構成された電極は、噛合
う歯部を有する櫛形電極として直接に基板上に形成され
ており、感湿重合体は、引続きそれが双方の櫛形電極を
被覆するか又は少なくとも櫛形電極間の中間空間を充填
するような程度に設けられている。この構成は、電極の
著しく微細な構成を全く不可能にし、また構成された電
極間での必要な絶縁の点でも電極中間空間は比較的大き
くなければならないので、所定の表面膨張に対して達成
することができる湿度センサーの基本容量は、比較的に
小さい。更に、電極間に存在する重合体の比較的大きい
厚さのために湿度センサーの感度及び応答速度は、制限
されている。使用される(1合体は、主に熱可塑性で、
多くの場合にポリアミドであり、したがって機械的、化
学的及び熱的に殆んど抵抗不可能である。Prior Art This type of humidity sensor is known, for example, from West German Patent No. 23.
Specification No. 39545, Specification No. 2547389, West German Patent Publication No. 2920808 and No. 29
It is known from the description in No. 27634. In the case of all these known humidity sensors, the two configured electrodes are formed directly on the substrate as comb electrodes with interlocking teeth, and the moisture sensitive polymer is subsequently applied to both comb electrodes. or at least fill the intermediate space between the comb-shaped electrodes. This configuration does not allow a very fine configuration of the electrodes at all, and also in terms of the necessary insulation between the configured electrodes, the interelectrode spacing must be relatively large, which is achievable for a given surface expansion. The basic capacity of the humidity sensor that can be used is relatively small. Furthermore, the sensitivity and speed of response of the humidity sensor is limited due to the relatively large thickness of the polymer present between the electrodes. used (1 coalescence is mainly thermoplastic,
They are often polyamides and are therefore almost mechanically, chemically and thermally irresistible.
l′ハンドブック・オプ・マテリアルズ・アンド・ゾロ
セシーズ・フォー エレクトロニクス(Handboo
k of Materials and Proces
ses forFilectronics )”編者C
har1.es A、 Harper 。l'Handbook of Materials and Technology for Electronics
k of Materials and Processes
ses for Filectronics)” Editor C
har1. es A, Harper.
MCGraw −Hlll Book company
社刊、New York1970年、第1頁〜第66頁
、の記載がら、ポリイミドの電気的性質、殊に誘電率及
び誘電損率が含水率に応じて変化することは、公知であ
る。MCGraw-Hllll Book company
It is known that the electrical properties of polyimide, particularly the dielectric constant and dielectric loss factor, change depending on the water content, as described in 1970, New York, 1970, pages 1 to 66.
それに応じて、欧州特許第0010771号明細淋には
、容量型湿度センサーが記載されており、この湿度セン
サーの感湿層は、ポリイミドシートであり、このポリイ
ミドシートは、薄い接着剤層によって同時に1つの電極
として使用される金属基板上に接着され、他の電極は、
ポリイミドシート」二に設けられた金被膜であり、この
金被膜は、それが水透過性であるような程度に薄い。ポ
リイミド層は、差当り溶液として金属基板上に塗布され
るポリイミド先駆物質からのイミド化によって得ること
もできる。感湿材料としてのポリイミドは、それが耐薬
品性、機械的安定性でありかつ熱負荷可能であるという
利点を有する。しかし、この公知の湿度センサーの場合
にも感度及び応答速度は、制限されている。それという
のも、−面でポリイミド層の層i1jは、電極間の全て
の直流導電性を排除せんがために任意に薄くすることが
できず、他面でポリイミド層を被覆する金被膜は、水分
散及び同時に水蒸気部分圧力の迅速な平衡をポリイミド
中及び大気中で妨害するからである。更に、著しく薄い
金層は、機械的、冶金的及び電気的に不安定であり、こ
の薄い金層での接だ接点の取イ」けは、困輸と結び付い
ている。Accordingly, EP 0 010 771 A1 describes a capacitive humidity sensor, the moisture sensitive layer of which is a polyimide sheet, which is simultaneously bonded by a thin adhesive layer. One electrode is glued on a metal substrate, the other electrode is used as
A gold coating is applied to a polyimide sheet, and the gold coating is thin enough that it is water permeable. The polyimide layer can also be obtained by imidization from a polyimide precursor which is initially applied as a solution onto the metal substrate. Polyimide as a moisture-sensitive material has the advantage that it is chemically resistant, mechanically stable and heat-loadable. However, the sensitivity and response speed of this known humidity sensor are also limited. This is because the layer i1j of the polyimide layer on the negative side cannot be made arbitrarily thin in order to eliminate all DC conductivity between the electrodes, and the gold coating covering the polyimide layer on the other side is This is because water dispersion and at the same time the rapid equilibration of water vapor partial pressures are disturbed in the polyimide and in the atmosphere. Moreover, very thin gold layers are mechanically, metallurgically and electrically unstable, making it difficult to make connections with such thin gold layers.
発明が解決しようとする問題点
本発明の課題は、良好な機械的安定性、耐薬品性及び熱
安定性の際に高い感度、大きい応答速度、高い長時間安
定性及び小さいヒステリシスを有する、先に記載した種
類の感度センサーを得ることである。Problem to be Solved by the Invention The object of the present invention is to provide a first method which has high sensitivity, high response speed, high long-term stability and low hysteresis with good mechanical stability, chemical resistance and thermal stability. The object of the present invention is to obtain a sensitive sensor of the type described in .
問題点を解決するだめの手段
この課題は、本発明によれば、1つの構成された電極が
下部電極として基板上に形成されており、薄い感湿層が
ポリイミドがらなり、構成された下部電極上に配置され
ており、第2の電極が上部電極としてポリイミド層上に
配置され、木質的に下部電極に対して補足的に構成され
ていることによって解決される。According to the invention, one structured electrode is formed on the substrate as a bottom electrode, the thin moisture-sensitive layer is made of polyimide, and the bottom electrode is formed of polyimide. The solution is that the second electrode is arranged as an upper electrode on the polyimide layer and is constructed complementary to the lower electrode in terms of structure.
本発明により記載された湿度センサーは、感湿層に対し
てポリイミドを使用することの利点、すなわちこの材料
の良好な機械的性質、化学的性質、熱的性質及び電気的
性質を有する。ポリイミド層は、僅かな層Mで形成させ
ることができす。上部電極は、ポリイミド層上に取伺け
られているので、電極間距離は、層厚によって定められ
、したカーって小さい層厚の場合には、大きい初期容量
が得られる。2つの互いに補ない合う構成された電極間
でのポリイミド層の配置は、大きい感度及び高い応答速
度を生じる。それというのも、ポリイミドは、構成され
た上部電極の中間空間内で周囲大気との直接の接触状態
にあり、したがって著しく簿いポリイミド層は、支配す
る湿分に対して迅速に飽和することができる。従って、
構成された上部′電極は、水透過性である必要がなく、
シたがってこの上部電極は、良好な機械的安定性及び電
気的安定性を生じかつ接続接点を、例えばロウ接によっ
て支障なしに取付けることを可能ならしめる厚さで形成
させることができる。The humidity sensor described according to the invention has the advantages of using polyimide for the moisture sensitive layer, namely the good mechanical, chemical, thermal and electrical properties of this material. The polyimide layer can be formed with only a few layers M. Since the upper electrode is disposed on the polyimide layer, the distance between the electrodes is determined by the layer thickness, and a small layer thickness results in a large initial capacitance. The arrangement of the polyimide layer between two complementary configured electrodes results in high sensitivity and high response speed. This is because the polyimide is in direct contact with the surrounding atmosphere in the intermediate space of the constructed upper electrode, and therefore the extremely thin polyimide layer can quickly become saturated with respect to the prevailing moisture. can. Therefore,
The constructed upper electrode need not be water permeable;
This upper electrode can therefore be formed with a thickness that provides good mechanical and electrical stability and that allows the connecting contacts to be attached without any problems, for example by soldering.
本発明の1つの好ましい形成によれば、構成された下部
電極と、感湿ポリイミド層との間には、特に構成された
下部電極の表面酸化によって形成された酸化物層である
感湿性の電気絶縁層が配置されている。更に、ポリイミ
ド層は、電極間で直流導電性の危険が存在することなし
に1μ未満であることができる極めて僅かな層1すで形
成さぜることができる。こうして形成された湿度センサ
ーは、特に大きい感度及び高い応答速度を有する。According to one preferred embodiment of the invention, between the configured lower electrode and the moisture-sensitive polyimide layer there is provided a moisture-sensitive electrical layer, which is an oxide layer formed by surface oxidation of the configured lower electrode. An insulating layer is arranged. Furthermore, the polyimide layer can be formed with very little layer 1, which can be less than 1 μm, without there being a risk of direct current conductivity between the electrodes. The humidity sensor thus formed has particularly high sensitivity and high response speed.
本発明による湿度センサーを製造するための1つの好ま
しい方法は、感湿性絶縁基板上に下部電極の金属からの
薄層を設け、下部′1L極の所望の彩に相当して構成し
、構成された下部電極によって被覆された、基板の表面
上にポリイミド先駆物質からの薄層な設け、感湿層の所
望の形に相当して構成し、構成された層のポリイミド先
駆物質をttB湿ポリイミドへの変換のためにイミド化
し、下部電極及び感湿ポリイミド層によって被覆された
、基板の表面上に上部電極の金属からの薄層な設け、上
部電極の所望の形に相当して構成することにある。One preferred method for manufacturing a humidity sensor according to the invention is to provide a thin layer of metal of the lower electrode on a moisture-sensitive insulating substrate, configured and configured to correspond to the desired color of the lower '1L pole. Applying a thin layer of polyimide precursor on the surface of the substrate, covered by a bottom electrode, structured corresponding to the desired shape of the moisture sensitive layer, and converting the structured layer of polyimide precursor to ttB wet polyimide. For conversion, a thin layer of the metal of the upper electrode is provided on the surface of the substrate, covered by an imidized lower electrode and a moisture-sensitive polyimide layer, to be configured corresponding to the desired shape of the upper electrode. be.
本発明による方法の場合には、ポリイミド先駆物質から
なる層がなお可溶性であり、したがって容易に構成させ
ることができ、これは、最終的な感湿層が不溶性ポリイ
ミドである場合にそのままでは不可能であろうという事
実が利用される。感湿層を構成することは、それを構成
された電極と結び付けて使用することに対して右利であ
り;殊に、感湿層の応答速度をなおさらに増大させるこ
とは、感湿層を適当に構成することによって可能である
。In the case of the method according to the invention, the layer consisting of the polyimide precursor is still soluble and can therefore be easily constructed, which is not possible as is if the final moisture-sensitive layer is an insoluble polyimide. The fact that this is the case is exploited. Constructing the moisture-sensitive layer has advantages over its use in conjunction with configured electrodes; in particular, increasing even further the response speed of the moisture-sensitive layer This is possible with appropriate configuration.
ポリイミドをポリイミド先駆物質として使用される酸変
性ポリアミドから形成する1つの方法は、定期刊行物、
“ジャーカル・オプ・ポリマー−サイエンス(Jour
nal of PolymerScience )”、
第A部、第3巻、1965年、第1673頁〜第139
0頁、中のスローグ(Sroog)、エンドレイ(En
dre’Y ) 、アプラモ(Abramo ) 、ぺ
−7(Berr )、エドワーズ(EdwardS )
及びオリビア(01ivior )による論文″Aro
matic Polypyromellitimide
s fromAromatic Polyamic A
c1ds”、に記載されている。One method of forming polyimides from acid-modified polyamides used as polyimide precursors is described in the periodical,
“Jour Op Polymer Science”
nal of PolymerScience)”,
Part A, Volume 3, 1965, pp. 1673-139
Page 0, Sroog, En
dre'Y), Abramo, Berr, EdwardS
and the paper “Aro” by Olivia (01ivior)
matic Polypyromellitimide
s from Aromatic Polyamic A
c1ds”.
本発明による湿度センサーならびにその製造法の好まし
い特徴及び他の形成は、特許請求の範囲第2項から第9
項までのいずれか1項又は同第11項から第16項まで
のいずれか1項に示されている。Preferred features and other features of the humidity sensor according to the invention and of the method for its production are set out in claims 2 to 9.
or any one of paragraphs 11 to 16 of the same.
実施例
本発明の他の特徴及び利点は、図面についての実施例の
次の記載から明らかである。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Further characteristics and advantages of the invention are apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawings.
第1a図及び第1b図のフローチャートならびに第2a
図〜第2h図の断面図につき、湿度センサーの1つの好
ましい実施例の製造が記載されており、この湿度センサ
ーは、第5図で平面図で表わされている。Flowcharts of Figures 1a and 1b and 2a
The fabrication of a preferred embodiment of a humidity sensor is described with reference to the cross-sectional views in FIGS. 2-2h, which humidity sensor is represented in plan view in FIG.
処理工程1の場合、感湿性の、機械的安定性の電気絶縁
利料からの基板1上にタンタルからの薄層が陰極スパッ
タリングによって設けられる(第2a図)。基板1には
、特に高純度及び最高の表面品質の無アルカリガラスが
使用される。タンタル層は、例えば厚さ0.15μでス
パッタリングすることができる。In process step 1, a thin layer of tantalum is applied by cathodic sputtering onto a substrate 1 of moisture-sensitive, mechanically stable electrically insulating material (FIG. 2a). For the substrate 1, an alkali-free glass of particularly high purity and highest surface quality is used. The tantalum layer can be sputtered to a thickness of 0.15μ, for example.
常用の薄膜技術に相当して基板1上には、同時に多数の
湿度センサーが製造され、次に該湿度センサーは、完成
後に互いに分離される。fdj易化のために、次に個々
の該湿度センサーの製造をa己載する。Corresponding to conventional thin film technology, a number of humidity sensors are manufactured simultaneously on the substrate 1, which are then separated from each other after completion. To simplify the process, the manufacturing of each humidity sensor will be described below.
処理工程2の場合、タンタル層2は、下部電極を形成す
るために構成される。これは、常法でフォトリソグラフ
ィーによって行なうことができる。このためには、まず
タンタル層2上に腐蝕マスクを、全表面を厚さ約1.5
μのフォトラッカ一層で被覆することにより形1及させ
、次にこのフォトラッカ一層をステンシルな介して露光
し、現像し、かつ硬化させる。引続き、層2のIθ11
蝕マスクによって被覆されてないタンタルを湿式化学エ
ツチング処理によ2て除去する。In case of process step 2, the tantalum layer 2 is configured to form the bottom electrode. This can be done photolithographically in a conventional manner. To do this, first apply an etching mask on the tantalum layer 2 to a thickness of approximately 1.5 mm over the entire surface.
The shape is developed by coating with a layer of .mu. photolacquer, which is then exposed through a stencil, developed and cured. Subsequently, Iθ11 of layer 2
The tantalum not covered by the etching mask is removed by a wet chemical etching process.
腐蝕後及び腐蝕マスクの除去後、タンタル層2は、下部
電極10の所望の形を有し、この形は、第4図で平面図
で示されている。下部電極10は、ウェブ11を有する
櫛形電極であり、このウェブから多数の狭い、長手方向
に拡がった歯部12が突出し、該歯部間に中間空間13
が存在する。ウェブ11は、1端で拡大された接続端子
14に移行する。明らかなことなので、第4図の図面は
、著しく簡易化しである。実際には、櫛形電極の歯部1
2の数は、著しく多く:両部12の幅及び中間空間13
0幅は、それぞれ約5〜10μである。After etching and removal of the etching mask, the tantalum layer 2 has the desired shape of the lower electrode 10, which is shown in plan view in FIG. The lower electrode 10 is a comb-shaped electrode with a web 11 from which a number of narrow, longitudinally extending teeth 12 project, between which intermediate spaces 13 are formed.
exists. The web 11 transitions at one end into an enlarged connecting terminal 14 . As is obvious, the drawing of FIG. 4 is greatly simplified. In reality, the tooth part 1 of the comb-shaped electrode
The number of 2 is significantly greater: the width of both parts 12 and the intermediate space 13
The zero width is approximately 5 to 10 microns each.
第2b図の図面は、下部電極1006つの歯部12vC
よる断面図に相当する。The drawing in FIG. 2b shows that the lower electrode 100 has six teeth 12vC.
This corresponds to a cross-sectional view.
処理工程乙の場合、下部電極のタンタルの表面酸化は、
接続端子14が酸化保護マスクで被覆された後に行なわ
れる。表面酸化は、約0.05μの深さにわたって約I
D0Vの電圧で陽極酸化することによって行なわれ、し
たがって酸化物層の下には、厚さ約肌1μの金属タンタ
ルが存在したままである。陽極酸化によって形成された
酸化タンタルTa2o5は、全屈の場合よりも大きい容
積を占め、したがって生成される酸化タンタル層3(第
2C図)は、約0.15μの厚さを有する。酸化物層3
は、全く緊密の、高い絶縁性の受動被覆である。これは
、下部電極10が化学的に実際に攻撃を受けず、同時に
極めて安定であるという利点を生じる。電気的な点に関
して、完成湿度センサーの場合にコンデンサー構造の全
ての直流導電性は抑制されることが達成される。物理的
な点に関しては、完成湿度センサーが顕著な直線性及び
安定性を、殊に高い温度及び高い相対的湿度の場合にも
有することを意味する。In the case of treatment process B, the surface oxidation of tantalum in the lower electrode is
This is done after the connection terminals 14 have been covered with an oxidation protection mask. The surface oxidation is about I over a depth of about 0.05μ
This is done by anodizing at a voltage of D0V, so that under the oxide layer there remains a metallic tantalum approximately 1 μm thick. The tantalum oxide Ta2o5 formed by anodic oxidation occupies a larger volume than in the case of full bending, so the tantalum oxide layer 3 produced (FIG. 2C) has a thickness of about 0.15μ. Oxide layer 3
is a completely tight, highly insulating passive coating. This has the advantage that the lower electrode 10 is virtually unattackable chemically and at the same time is extremely stable. In terms of electrical aspects, it is achieved that in the case of the finished humidity sensor all direct current conductivity of the capacitor structure is suppressed. In terms of physical aspects, this means that the finished humidity sensor has outstanding linearity and stability, especially at high temperatures and high relative humidity.
処理工程4の場合、基板1の全表面及びその上に形成さ
れた下S電極10は、ポリイミド先駆物質からの層4(
第2d図)で被覆され、この層から後にイミド化によっ
て感湿性ポリイミドは形成される。このポリイミド先駆
物質は、酸変性された、最高の純度のポリアミドであり
、このポリアミドは、遠心分離によって約1.0〜2.
0μの層厚で設けられる。引続き、層4は、処理工程5
で90’C〜120°Cで乾燥される。For process step 4, the entire surface of the substrate 1 and the lower S electrode 10 formed thereon are coated with a layer 4 of polyimide precursor (
(FIG. 2d), from which a moisture-sensitive polyimide is subsequently formed by imidization. The polyimide precursor is an acid-modified, highest purity polyamide, which can be obtained by centrifugation from approximately 1.0 to 2.
A layer thickness of 0μ is provided. Subsequently, layer 4 is subjected to treatment step 5.
and dried at 90'C to 120°C.
僅かな層すは、殊にガラス基板1の良好な表面品質を可
能にする。A low layer thickness enables a particularly good surface quality of the glass substrate 1.
処理工程6〜8は、後の感湿層の構成のために使用され
る。この構成は、再び常用の7オトリソグラフイツク法
により行なわれる。このために、処理工程6で層5(第
2e図)は、ホゾ型フォトラッカーから約1.5μの厚
さで遠心分離され、このフォトラッカ一層は、処理工程
7で90°Cで約60分間乾燥される。処理工程8の場
合、フォトラッカ一層は、ステンシル6を介して、後に
感光層が全く存在しない位置で露光される。これは、殊
にガラス基板上に形成された、全部の下部電極の接続端
子14であり、この接続端子は、電気的接続接点を取付
けるために露出されていなければならず、その際に記載
される実施例の場合には、下部電極10の歯部12間の
中間空間13も露出されていなければならない。露光後
、フォトラッカ一層は、処理工程9で現像される、すな
わちフォトラッカ一層5の露光した部分は、除去される
。そのために使用される現像剤は、層4のその下にある
部分をも溶解し、フォトラッカ一層5の露光されてない
位置の下にある、層4の部分は、存在したままである。Process steps 6 to 8 are used for the subsequent construction of the moisture-sensitive layer. This construction is again carried out by conventional 7 otolithographic techniques. For this purpose, in process step 6 layer 5 (FIG. 2e) is centrifuged from the tenon photolacquer to a thickness of approximately 1.5 μm, and this photolacquer layer is removed in process step 7 at approximately 60°C at 90°C. Allow to dry for minutes. In process step 8, the single layer of photolacquer is exposed via the stencil 6 in locations where no photosensitive layer is subsequently present. These are, in particular, the connection terminals 14 of all lower electrodes, which are formed on the glass substrate and which must be exposed in order to attach the electrical connection contacts and which are then described. In this embodiment, the intermediate spaces 13 between the teeth 12 of the lower electrode 10 must also be exposed. After exposure, the photolacquer layer is developed in a process step 9, ie the exposed parts of the photolacquer layer 5 are removed. The developer used for this purpose also dissolves the underlying parts of the layer 4, and the parts of the layer 4 which lie below the unexposed positions of the photolacquer layer 5 remain present.
従って、感光層の構成に必要とされる腐蝕は、フォトラ
ッカ一層の現像を有する作業i程で行なわれる。The necessary etching of the construction of the photosensitive layer is therefore carried out in step i with the development of the photolacquer layer.
フォトラッカ一層の残留する、露光されてない部分が処
理過程10で除去された後、層4のなお存在する酸変性
されたポリアミドのイミド化は、処理工程11で300
’c〜400℃で約1時間の熱処理によって行なわれ
、それによって感湿ポリイミド層が得られる。それによ
って得られた構造は、第2f図の断面図に相当する。After the remaining, unexposed parts of the photolacquer layer have been removed in process step 10, the still present acid-modified polyamide of layer 4 is imidized in process step 11 at 300%
This is carried out by heat treatment at ~400 DEG C. for about 1 hour, whereby a moisture-sensitive polyimide layer is obtained. The structure thus obtained corresponds to the cross-sectional view in FIG. 2f.
層2のタンタルからなる、櫛形下部電極10の歯部12
(ならびに第2f図の場合には、目で見ることができな
いウェブ11)は、ガラス基板1と接触しないで存在す
る表面で酸化タンタルからの層3によって完全に包囲さ
れ、酸化タンタル層は、その側で感湿ポリイミドからの
層7によって包囲されている。これに対して、歯部12
間の中間空間13には、ガラス基板がむき出しになって
いる。イミド化の場合、層厚は減少し、したがって先に
記載された、約1〜2μの県さを有するポリアミド層か
ら、約0.5〜1.0μの層厚を有するポリイミド層が
生じる。Teeth 12 of the comb-shaped lower electrode 10 made of tantalum in layer 2
The web 11 (as well as the invisible web 11 in the case of FIG. 2f) is completely surrounded by a layer 3 of tantalum oxide on the surface which is not in contact with the glass substrate 1, the tantalum oxide layer being It is surrounded on the sides by a layer 7 of moisture-sensitive polyimide. On the other hand, the tooth portion 12
A glass substrate is exposed in the intermediate space 13 between them. In the case of imidization, the layer thickness is reduced, so that from the previously described polyamide layer with a thickness of about 1-2 μm, a polyimide layer with a layer thickness of about 0.5-1.0 μm results.
引続き、上部電極の形成が行なわれ、この上部電極は、
コンデンサーの第2の電極であり、第1の電極は、下部
電極10であり、誘電体は、感湿層γによって形成され
ている。上部電極な形成するために、第1にこれまで得
られた構造の全表面は、上部電極の材料からの層8で被
覆される(第2g図)。層8は、唯1つの金属層である
ことができるか、又はそれは多数の順次に設けられた金
属層からなることができる。上部電極が金からなる場合
には、金層の良好な伺着を達成するために差当り薄いニ
ッケルークロム層(厚さ0.02μ)を設け、その上に
初めて金層(厚さ0.2μ)を設けることが必要とされ
る。njt易化のために、層8の種々の位置は、図面に
示されていない。Subsequently, the upper electrode is formed, and this upper electrode is
The second electrode of the capacitor, the first electrode is the lower electrode 10, and the dielectric is formed by the moisture sensitive layer γ. To form the upper electrode, first the entire surface of the structure obtained so far is coated with a layer 8 of the material of the upper electrode (FIG. 2g). Layer 8 can be the only metal layer or it can consist of a number of successively applied metal layers. If the upper electrode is made of gold, in order to achieve good adhesion of the gold layer, a thin nickel-chromium layer (thickness 0.02 μm) is first provided, and then a gold layer (thickness 0.02 μm) is first applied on top of this. 2μ) is required. For simplicity, the various positions of layer 8 are not shown in the drawings.
処理工程15の場合、金属層8は、上部電極を形成する
ために構成される。これは、再び常用のフォトリソグラ
フィー法により先に記載した方法で行なわれる。腐蝕後
及び腐蝕マスクの除去後、金属層8は、上部電極20の
所望の形を有し、この形は、第5図で平面図で表わされ
ている。上部′電極20は、同様にウェブ21を有する
櫛形電極であり、このウェブかも多数の狭い、長手方向
に拡がった指部22が突出し、この指部間には、中間空
間23が存在する。上部電極20のウェブ21には、接
続端子24が接続し、この接続端子は、下部電極10の
接続端子14と並んで存在する。第2h図に断面図で」
二VA飽極の多数の歯部22が示されているように、上
部電極の歯部22は、下部電極の中間空間13の上に存
在し、上部電極の中間空間23は、下部電極の歯部12
の上に存在する。上部電極の歯部22は、ガラス基板上
の下部電極の歯部12間の中間空間13にあり、下部電
極の南部な被覆するII8湿層1は、上部電極の中間空
間23中でむき出しにされている。感湿層1は、それぞ
れ2つの電極歯部12と22の互いに向合った縁部間で
この領域の縁部間の移行部で介在している。電極歯部1
2及び22の縁部は、大体において一致しうるか又は僅
かに重なり合うことができる。In case of process step 15, metal layer 8 is configured to form a top electrode. This is carried out in the manner previously described, again by conventional photolithographic methods. After etching and removal of the etching mask, the metal layer 8 has the desired shape of the upper electrode 20, which shape is represented in plan view in FIG. The upper 'electrode 20 is likewise a comb-shaped electrode with a web 21 from which a number of narrow, longitudinally extending fingers 22 project, between which intermediate spaces 23 are present. A connecting terminal 24 is connected to the web 21 of the upper electrode 20 and is present alongside the connecting terminal 14 of the lower electrode 10 . A cross-sectional view is shown in Figure 2h.
The teeth 22 of the upper electrode are above the intermediate spaces 13 of the lower electrode, and the intermediate spaces 23 of the upper electrode are the teeth of the lower electrode, as shown in the multiple teeth 22 of the two VA saturations. Part 12
exists above. The teeth 22 of the upper electrode are located in the intermediate space 13 between the teeth 12 of the lower electrode on the glass substrate, and the southern covering II8 wet layer 1 of the lower electrode is exposed in the intermediate space 23 of the upper electrode. ing. The moisture-sensitive layer 1 is interposed between the mutually opposite edges of the two electrode teeth 12 and 22 in each case at the transition between the edges of this region. Electrode tooth part 1
The edges of 2 and 22 may substantially coincide or may overlap slightly.
処理工程14の場合、得られた構造体の熱処理は、30
0℃の温度で2時間で行なわれる。In case of treatment step 14, the resulting structure is heat treated for 30
It is carried out for 2 hours at a temperature of 0°C.
600°C〜400℃の高いイミド化温度は、600°
Cの高い熱処理温度の使用を可能にし、それによって完
成湿度センサーの顕著な耐老化性が達成されろ。The high imidization temperature between 600°C and 400°C is 600°C.
C. allows the use of high heat treatment temperatures, thereby achieving significant aging resistance of the finished humidity sensor.
処理過程15の場合、個々の湿度センサー・\の分解は
、ガラス基板に割れ目を入れ、それを折ることによって
行なわれる。引続き、処理過程16の場合には、全ての
湿度センサーの2つの接触端子14及び24になお電気
的接続接点15又は25がロウ接される。こうして、湿
度センサーは、直ちに使用することができる。In process step 15, disassembly of the individual humidity sensors is carried out by making a crack in the glass substrate and breaking it. Subsequently, in process step 16, electrical connection contacts 15 or 25 are soldered to the two contact terminals 14 and 24 of all humidity sensors. The humidity sensor is thus ready for use.
湿度センサーの前記形成は、製造の点ならびに使用の際
の性質の点で著しい利点を生じる。This formation of a humidity sensor results in significant advantages in terms of manufacturing as well as properties in use.
製造法の1つの本質的な特徴は、感湿ポリイミド層を形
成させるためにまず1つのポリアミド層を設け、このポ
リアミド層を引続き構成させ、次に初めて感湿ポリイミ
ドに変換することにある。この自体公知の方法は、勿論
後の感湿層の著しく簡単な構造を薄膜技術の常法により
可能ならしめる。それというのも、ポリイミド先駆物質
として使用される酸変性ポリアミドは、可溶性であり、
ポリイミドが化学的、熱的及び機械的に著しく安定であ
るので、ポリイミド層の構成は、この方法では不可能で
あろうからである。薄膜技術による簡単な加工に対抗す
る、このポリイミ“ドの性質は、再び完成湿度センサー
の顕著な長時間安定性を生じる。One essential feature of the production method is that, in order to form the moisture-sensitive polyimide layer, a polyamide layer is first provided, this polyamide layer is subsequently structured and only then converted into a moisture-sensitive polyimide. This method, which is known per se, of course makes possible a significantly simpler construction of the subsequent moisture-sensitive layer using the usual methods of thin-film technology. This is because the acid-modified polyamides used as polyimide precursors are soluble and
Construction of polyimide layers would not be possible in this way, since polyimide is extremely chemically, thermally and mechanically stable. This property of polyimide, which makes it amenable to easy processing with thin-film technology, again results in remarkable long-term stability of the finished humidity sensor.
更に、酸変性ポリアミドは、最高の純度で得られる。こ
のことは、電荷量とは無関係に再生可能な性質を有する
湿度センサーな製造することができることを保証するた
めに、不可避的に必要とされる。Furthermore, acid-modified polyamides are obtained in the highest purity. This is unavoidably required in order to ensure that humidity sensors can be produced with reproducible properties independent of the amount of charge.
更に、ポリイミドは、前記方法により、機械的強度が低
下することなしに、例えば0.5〜1.0μの著しく僅
かな層厚で設けることができる。湿度センサーが相対湿
度の変化を追跡することができる応答速度は、僅かな層
1ツニよって著しく増大される。Furthermore, the polyimide can be applied with very low layer thicknesses, for example from 0.5 to 1.0 .mu., without a reduction in mechanical strength using the method described. The speed of response with which the humidity sensor can track changes in relative humidity is significantly increased by the small layer thickness.
湿度センサーの特性曲線は、所望の範囲内でイミド化パ
ラメーター、殊に使用されるイミド化温度及びイミド化
雰囲気によって影響を及ぼされうる。湿度センサーの最
適な電気的性・質及び物理的性質は、500°C〜40
0 ’Cのイミド化湿度で得られることが判明した。The characteristic curve of the humidity sensor can be influenced within the desired range by the imidization parameters, in particular the imidization temperature and the imidization atmosphere used. The optimum electrical properties, quality and physical properties of the humidity sensor are between 500°C and 40°C.
It has been found that this can be obtained at an imidization humidity of 0'C.
使用される感湿材料及びその製造の形式に基づく、この
好ましい性質は、湿度センサーの構造によってなおさら
に改善される。殊に、第2h図の断面図から認めること
ができるように、感湿層7の表面の大部分は、直接に雰
囲気に曝゛されており、したがって湿分は、支障なしに
感湿層中に侵入することができる。感湿層の上部′II
J、極Oてよって覆われた部分は、比較的に小さく、殊
に僅かな層厚のために支配する湿分に対して迅速に飽和
することができる。僅かな層1ワは、再び大きい容量を
互いに向合える電極間で生じる。他面で、感湿層の僅か
な厚さにも拘らず電極間の電気的直流通路の全ての危険
は、底部゛市何i上の酸化物層3によって阻止される。This favorable property, which is based on the moisture-sensitive material used and the type of its manufacture, is even further improved by the structure of the humidity sensor. In particular, as can be seen from the cross-sectional view in FIG. 2h, a large part of the surface of the moisture-sensitive layer 7 is directly exposed to the atmosphere, so that moisture can flow into the moisture-sensitive layer without any hindrance. can be invaded. Upper part of the moisture sensitive layer 'II
The area covered by the J and O poles is relatively small and can be quickly saturated with respect to prevailing moisture due to the particularly small layer thickness. A small amount of layer 1 again creates a large capacitance between the electrodes that can face each other. On the other hand, despite the small thickness of the moisture-sensitive layer, all risks of electrical direct current paths between the electrodes are prevented by the oxide layer 3 on the bottom surface.
湿分は、直接に感湿層に到達するので、上部電極は、緊
密に水弁透過性に形成させることができ、このことは、
−面で機械的強度及び電気的安定性を増大させ、他面で
上部電極での電気的接続接点の直接のロウ接を可能なら
しめる。This means that the upper electrode can be tightly formed into a water valve permeable so that the moisture directly reaches the moisture sensitive layer.
On the one hand, it increases the mechanical strength and electrical stability, and on the other hand, it makes it possible to directly solder the electrical connection contacts at the upper electrode.
接続接点をロウ接することによって、殊に接着結合を殊
に高い温度及び/又は大きい湿度の際に有する長時間不
安定性は、排除される。By soldering the connection contacts, in particular the long-term instability of adhesive bonds, especially at high temperatures and/or high humidity, is eliminated.
第6図は、第2b図に相当する、湿度センサーの若干変
化した実施態様の断面図を示す。この湿度センサーは、
処理工程8及び9でポリアミrが底部電極の歯部12間
の中間空間13で度センサーと区別される。すなわち、
構成に対して使用されるステンシル6は、中間空間13
の位置で全く穿孔を有しないが、接続端子14を露出さ
せるためにのみ使用される。更に、製造法は、先に記載
した方法を変えることなしに進行し、完成湿度センサー
の平面図は、第5図の図面に相当する。しかし、記載し
た別法の結果として、第6図から認めることができるよ
うに上部電極の歯部22′は、底部電極の歯部12間の
中間空間13内でガラス基板1上に置かれているのでは
なく、感湿ポリイミド層γ上に置かれている。湿度セン
サーの製造は、ポリイミド層の微細な構成が不用になる
ことによって簡易化されるが、しかし第6図の湿度セン
サーの応答速度は、僅かである。それというのも、水波
!+fIi通路は、上部電極の下で長いからである。FIG. 6 shows a cross-sectional view of a slightly modified embodiment of the humidity sensor, corresponding to FIG. 2b. This humidity sensor
In processing steps 8 and 9, the polyamider is distinguished from the degree sensor in the intermediate space 13 between the teeth 12 of the bottom electrode. That is,
The stencil 6 used for the construction has an intermediate space 13
It has no perforations at all, but is only used to expose the connection terminals 14. Furthermore, the manufacturing process proceeds without changing the previously described method, and the plan view of the finished humidity sensor corresponds to the drawing in FIG. However, as a result of the described alternative, as can be seen from FIG. 6, the teeth 22' of the top electrode are placed on the glass substrate 1 in the intermediate space 13 between the teeth 12 of the bottom electrode. It is not placed on the moisture-sensitive polyimide layer γ. Although the manufacture of the humidity sensor is simplified by eliminating the need for fine construction of the polyimide layer, the response speed of the humidity sensor of FIG. 6 is modest. That's because of water waves! This is because the +fIi path is long under the top electrode.
また、第3図の湿度センサーは、第2hlfflの湿度
センサーの場合よりも小さい基本容量及び小さい容量変
化範囲を有する。The humidity sensor of FIG. 3 also has a smaller base capacitance and a smaller capacitance variation range than that of the second hlffl humidity sensor.
表面酸化によって絶縁酸化タンタル層で被覆されている
、タンタルからの構成された下部電極をイfする、先に
記載された湿度センサーは、最適な機械的性質、物理的
性質、化学的性質及び電気的性質を有し、薄膜技術の方
法により合理的に著しく良好な再現可能性で得ることが
できる。しかし、湿度センサー及びその製造法の変化も
可能である。従って、下部電極は、表面酸化((よって
絶縁酸化物層で被覆することができる、タンタルとは別
の金属から得ることができる。また、絶縁層は、表面酸
化とは別の方法で、例えば絶縁材料で被恒することによ
って形成させることができる。全ての場合に、感湿層は
、’lfj気絶縁とは無関係に著しく薄く形成させるこ
とができ、したがって高い感度及び大きい応答速度が達
成されるという利点が明らか番でなる。ある程度の悪化
は、この性質を許容せしめうる場合、絶縁層を省略し、
そのために感湿ポリイミド層を若干厚く形成させること
もでき、したがってこのポリイミド層は、電極間の電気
絶縁を保証する。それによって、製造法は、若干簡易化
される。また、この場合も感湿層を2つの構成された電
極の間に配置することにより、なお従来の湿度センサー
の場合よりも著しく良好な感度及び応答速度が得られる
。The humidity sensor described above has a lower electrode constructed from tantalum, which is coated with an insulating tantalum oxide layer by surface oxidation, which has optimal mechanical, physical, chemical and electrical properties. properties and can be obtained with reasonably good reproducibility by methods of thin film technology. However, variations in the humidity sensor and its manufacturing method are also possible. The bottom electrode can therefore be obtained from a metal other than tantalum, which can be coated with a surface oxidation (and thus an insulating oxide layer). In all cases, the moisture-sensitive layer can be made extremely thin, independent of the insulation, and thus high sensitivity and large response speeds can be achieved. The advantage of the
For this purpose, the moisture-sensitive polyimide layer can also be made somewhat thicker, which polyimide layer thus guarantees electrical insulation between the electrodes. The manufacturing method is thereby somewhat simplified. Again, by arranging the moisture-sensitive layer between two configured electrodes, a significantly better sensitivity and response speed is still obtained than in conventional humidity sensors.
櫛形電極の代りに、中間空間を有する他の互いに補充し
合う電極形、例えば上部電極の格子ウェブが下部電極の
穿孔の上にあり、反対に下部電極の格子ウェブが上部電
極の穿孔の下にあるように配置される格子状電極な使用
することもできる。Instead of comb-shaped electrodes, other mutually complementary electrode shapes with intermediate spaces can be used, for example the grid web of the upper electrode is above the perforations of the lower electrode, and conversely the grid web of the lower electrode is below the perforations of the upper electrode. It is also possible to use grid-like electrodes arranged in the same way.
第1a図及び第1b図は、容凱型湿度センサーを製造す
る好ましい方法の処理過程を示すフローチャート、第2
a図〜第2h図は、それぞれ第5図に示された湿度セン
サーを製造する際に第1a図及び第1b図により得られ
る種々の完成段階な示す断面図、第6図は、第2h図に
相当する、湿度センサーの変形した実施態様を示す断面
図、第4図は、完成段階で得られる下部電極を示す平面
図、かつ第5図は、完成湿度センサーを示す平面図であ
る。
1・・・基板、3・・・電気絶縁層、γ・・・感湿層、
10・・・下部電極、13,23・・・中間空間、20
・・・上部電極。
図面の浄書(内容に変更なし)
Fig、la
F i g、lb
F i g、2a
F i g、2d
手続補正書(方式)
昭和60年3月71日
特許庁長官殿
1・事件の表示 昭和59年特許願第220649号2
、発明の名称
容量型湿度センサー及びその製造法
3、補正をする者
事件との関係 特許出願人
コンノミニー
4、代理人
6・補正の対象
(3)姿任状
7、 M正の内容
(1)(2)(3)共に別紙のとおりFIGS. 1a and 1b are flowcharts illustrating the process steps of a preferred method of manufacturing a volumetric humidity sensor;
Figures a to 2h are cross-sectional views showing the various stages of completion obtained in Figures 1a and 1b, respectively, in manufacturing the humidity sensor shown in Figure 5, and Figure 6 is Figure 2h. FIG. 4 is a plan view showing the lower electrode obtained in the completed stage, and FIG. 5 is a plan view showing the completed humidity sensor. 1... Substrate, 3... Electrical insulating layer, γ... Moisture sensitive layer,
10... Lower electrode, 13, 23... Intermediate space, 20
...Top electrode. Engraving of drawings (no change in content) Fig, la Fig, lb Fig, 2a Fig, 2d Procedural amendment (method) March 71, 1985 Commissioner of the Patent Office 1. Indication of the case Showa 1959 Patent Application No. 220649 2
, Title of the invention Capacitive humidity sensor and its manufacturing method 3, Relationship with the case of the person making the amendment Patent applicant Connoisseur 4, Agent 6, Subject of amendment (3) Letter of appointment 7, Contents of the M (1) (2) and (3) are both as attached.
Claims (1)
するために構成された2つの電極の間に配置された、感
湿重合体からの薄層とを有する容量性湿度センサーにお
いて、1つの構成された電極が下部電極として基板上に
形成されており、薄い感湿層がポリイミドからなり、構
成された下部電極上に配置されており、第2の電極が上
部電極としてポリイミド層上に配置され、本質的に下部
電極に対して補足的に構成されていることを特徴とする
、容量型湿度センサー。 2、構成された下部電極と、感湿ポリイミド層との間に
感湿性電気絶縁層が配置されている、特許請求の範囲第
1項記載の容量型湿度センサー。 3、電気絶縁層が構成された下部電極を表面酸化するこ
とによって形成された酸化物層である、特許請求の範囲
第2項記載の容量型湿度センサー。 4、 下部電極がタンタルからなり、表面酸化によって
酸化タンタル層で被覆されている、特許請求の範囲第6
項記載の容量型湿度センサー〇 5、双方の電極が櫛形である、特許請求の範囲第1項か
ら第4項までのいずれか1項に記載の容量型湿度センサ
ー。 6、双方の電極が中間空間の縁部に沿って僅かに重なり
合っている、特許請求の範囲第1項から第5項までのい
ずれか1項に記載の容量型湿度センサー。 Z 薄いポリイミド層がそれが基板を下部電極の中間空
間内で被覆しないように下部電極の形状に相当して構成
されている、特許請求の範囲第1項から第6項までのい
ずれか1項に記載の容量型湿度センサー。 8、 ポリイミド層の厚さが0.5〜1.0μである、
特許請求の範囲第1項がら第7項までのいずれか1項に
記載の容量型湿度センサー。 9 基板が高い純度及び高い表面品質のガラスJ、を板
である、特許請求の範囲第1項がら第8項までのいずれ
か1項に記載の容量型湿度センサー。 10、感湿性絶縁基板と、この基板上で中間空間を形成
するために構成された2つの電極の間に配置された、感
湿重合体がらの薄層とを有する容量型湿度センサーの製
造法において、感湿性絶縁基板上に下部電極の金属がら
の薄層を設け、下部電極の所望の形に相当して構成し、
構成された下部電極によって被覆された、基板の表面上
にポリイミド先駆物質からの薄層を設け、感湿層の所望
の形に相当して構成し、構成された層のポリイミド先駆
物質を感湿ポリイミドへの変換のためにイミド化し、下
部電極及び感湿ポリイミド層によって被覆された、基板
の表面上に上部電極の金属からの薄層を設け、上部電極
の所望の形に相当して構成することを特徴とする、容量
型湿度センサーの製造法。 11、構成された下部電極をポリイミド先駆物質層を設
ける前に感湿性電気絶縁層で被覆する、特許請求の範囲
第10項記載の方法。 12、M成された下部電極を表面酸化によって絶縁酸化
物層で被覆する、特許請求の範囲第11項記載の方法。 1ろ ポリイミド先駆物質層の構成はフォトリソグラフ
ィー法でフォトラッカ一層を露光しかつ現像することに
よって行なわれる、特許請求の範囲第1o項から第12
項までのいずれか1項に記載の方法。 14、酸変性ポリアミドをポリイミド先駆物質として使
用する、特許請求の範囲第1o項がら第16項までのい
ずれが1項に記載の方法。 15、ポリイミド先駆物質のイミド化は約600°C〜
400℃の温度への加熱によって行なわれる、特許請求
の範囲第14項記載の方法。 16、上部電極を設けた後に熱処理は約300 ooの
温度で行なわれる、特許請求の範囲第10項から第15
項までのいずれか1項に記載の方法。[Claims] 1. A capacitor having a moisture-sensitive insulating substrate and a thin layer of a moisture-sensitive polymer arranged between two electrodes configured to form an intermediate space on this substrate. In a static humidity sensor, one structured electrode is formed on the substrate as the bottom electrode, a thin moisture sensitive layer made of polyimide is placed on the structured bottom electrode, and a second electrode is formed as the top electrode. Capacitive humidity sensor, characterized in that it is arranged on a polyimide layer as an electrode and is configured essentially complementary to the bottom electrode. 2. The capacitive humidity sensor according to claim 1, wherein a moisture-sensitive electrical insulating layer is disposed between the configured lower electrode and the moisture-sensitive polyimide layer. 3. The capacitive humidity sensor according to claim 2, wherein the electrical insulating layer is an oxide layer formed by surface oxidizing the lower electrode. 4. Claim 6, wherein the lower electrode is made of tantalum and is coated with a tantalum oxide layer by surface oxidation.
Capacitive humidity sensor 05 according to any one of Claims 1 to 4, wherein both electrodes are comb-shaped. 6. The capacitive humidity sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein both electrodes slightly overlap along the edge of the intermediate space. Z. Any one of claims 1 to 6, wherein the thin polyimide layer is configured to correspond to the shape of the lower electrode such that it does not cover the substrate in the intermediate space of the lower electrode. Capacitive humidity sensor described in . 8. The thickness of the polyimide layer is 0.5 to 1.0μ.
A capacitive humidity sensor according to any one of claims 1 to 7. 9. The capacitive humidity sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the substrate is a glass plate of high purity and high surface quality. 10. Method for manufacturing a capacitive humidity sensor having a moisture-sensitive insulating substrate and a thin layer of moisture-sensitive polymer disposed between two electrodes configured to form an intermediate space on the substrate , a thin layer of metallic material of the lower electrode is provided on the moisture-sensitive insulating substrate and configured to correspond to the desired shape of the lower electrode;
Provide a thin layer of polyimide precursor on the surface of the substrate, covered by a configured bottom electrode, configured corresponding to the desired shape of the moisture sensitive layer, and make the polyimide precursor of the configured layer moisture sensitive. A thin layer of the metal of the upper electrode is provided on the surface of the substrate, imidized for conversion to polyimide and covered by a lower electrode and a layer of moisture-sensitive polyimide, configured corresponding to the desired shape of the upper electrode. A method for manufacturing a capacitive humidity sensor, characterized by: 11. The method of claim 10, wherein the constructed bottom electrode is coated with a moisture-sensitive electrically insulating layer before applying the polyimide precursor layer. 12. The method as claimed in claim 11, wherein the lower electrode, which has a 12.M structure, is coated with an insulating oxide layer by surface oxidation. 1. The construction of the polyimide precursor layer is carried out by exposing and developing a layer of photolacquer using a photolithographic method, as claimed in claims 1o to 12.
The method described in any one of the preceding paragraphs. 14. The method according to any one of claims 1o to 16, wherein an acid-modified polyamide is used as the polyimide precursor. 15. Imidization of polyimide precursors at about 600°C ~
15. A method according to claim 14, carried out by heating to a temperature of 400<0>C. 16. After providing the upper electrode, the heat treatment is carried out at a temperature of about 300 oo.
The method described in any one of the preceding paragraphs.
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