CN107077256B - 指纹辨识***及电子装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种指纹辨识***,包括多个第一像素电路;一第一感测电路,用来输出一第一输出信号;至少一第二像素电路;一第二感测电路,用来输出一第二输出信号,所述第二感测电路包括一第二积分电路,具有一第二积分输入端;一第二校正电路,耦接于所述第二积分输入端;以及一第三校正电路,耦接于所述第二积分输入端,其中所述第二校正电路及所述第三校正电路用来校正所述第二输出信号;以及一差分放大电路,耦接于所述第一感测电路及所述第二感测电路,用来产生一放大输出信号。
Description
技术领域
本申请涉及一种指纹辨识***及电子装置,尤其涉及一种可降低寄生电容影响的指纹辨识***及电子装置。
背景技术
随着科技日新月异,移动电话、数字相机、平板计算机、笔记本电脑等越来越多携带型电子装置已经成为了人们生活中必备的工具。由于携带型电子装置通常供个人使用,而具有一定的隐私性,因此其内部储存的数据,例如电话簿、相片、个人信息等等为私人所有。一旦电子装置丢失,则这些数据可能被他人所利用,而造成不必要的损失。虽然目前已有利用密码保护的方式来避免电子装置为他人所使用,但密码容易泄露或遭到破解,具有较低的安全性。并且,用户需记住密码才能使用电子装置,若忘记密码,则会带给使用者许多不便。因此,目前发展出利用个人指纹辨识***的方式来达到身份认证的目的,以提升数据安全性。
在习知技术中,电容式指纹辨识***是相当受欢迎的一种指纹辨识方法,其系利用接触层接受来自使用者的手指接触,并感测接触层的电容变化,以判断使用者指纹的纹蜂(Finger Ridge)或纹谷(Finger Valley)。为了避免接触层受到来自其他电路的干扰,习知技术通常会在电路布局时在接触层下方布局一屏蔽层,以产生屏蔽效应,避免屏蔽层以下的电路对接触层产生干扰。然而,接触层与屏蔽层的间会产生寄生电容,而寄生电容的电容值往往大于因接触而产生的接触电容的电容值,影响电容感测电路或电容式指纹辨识***判断接触电容的电容值,以致于降低了指纹辨识的精准度。
发明内容
因此,本发明部分实施例主要目的即在于提供一种既可降低寄生电容影响又可降低对温度及噪声敏感度的指纹辨识***及电子装置。
为了解决上述技术问题,本申请提供了一指纹辨识***,其包括复数个第一像素电路,所述复数个第一像素电路中一第一像素电路与一手指形成一接触电容;一第一感测电路,耦接于所述第一像素电路,用来感测所述接触电容并输出一第一输出信号,所述第一感测电路包括一第一积分电路,具有一第一积分输入端;以及一第一校正电路,耦接于所述第一积分输入端,用来校正所述第一输出信号;至少一第二像素电路;一第二感测电路,耦接于所述至少一第二像素电路中一第二像素电路,用来输出一第二输出信号,所述第二感测电路包括一第二积分电路,具有一第二积分输入端;一第二校正电路,耦接于所述第二积分输入端;以及一第三校正电路,耦接于所述第二积分输入端,其中所述第二校正电路及所述第三校正电路用来校正所述第二输出信号;以及一差分放大电路,耦接于所述第一感测电路及所述第二感测电路,用来将所述第一输出信号与所述第二输出信号的一相差值放大,以产生一放大输出信号。
例如,所述第一校正电路包括一第一校正电容,耦接于所述第一积分输入端;一第一校正开关,其一端耦接于所述第一校正电容,另一端耦接于一正电压;以及一第二校正开关,其一端耦接于所述第一校正电容,另一端接收一第一校正电压。
例如,所述第二校正电路包括一第二校正电容,耦接于所述第二积分输入端;一第三校正开关,其一端耦接于所述第二校正电容,另一端耦接于所述正电压;以及一第四校正开关,其一端耦接于所述第二校正电容,另一端接收所述第一校正电压。
例如,所述第三校正电路包括一第三校正电容,耦接于所述第二积分输入端;一第五校正开关,其一端耦接于所述第三校正电容,另一端耦接于所述正电压;以及一第六校正开关,其一端耦接于所述第三校正电容,另一端接收一第二校正电压。
例如,所述第二校正电容大于所述第三校正电容。
例如,所述第二校正电容为所述第三校正电容的25倍。
例如,所述指纹辨识***另包含一校正电压产生电路,耦接于所述差分放大电路与所述第一感测电路及所述第二感测电路,用来根据所述放大输出信号,产生所述第一校正电压以及所述第二校正电压。
例如,所述第一积分电路包括一第一放大器,耦接于所述第一积分输入端;以及一第一积分电容,耦接于所述第一积分输入端与所述第一放大器的一第一输出端之间。
例如,所述第二积分电路包括一第二放大器,耦接于所述第二积分输入端;以及一第二积分电容,耦接于所述第二积分输入端与所述第二放大器的一第二输出端之间。
例如,所述第一校正电路导致所述第一输出信号具有一第一校正量,所述第二校正电路导致所述第二输出信号具有一第二校正量,所述第三校正电路导致所述第二输出信号具有一第三校正量,所述第二校正量大于所述第三校正量。
本申请另提供了一种电子装置,包括一运作电路;以及一指纹辨识***,所述指纹辨识***包括复数个第一像素电路,所述复数个第一像素电路中一第一像素电路与一手指形成一接触电容;一第一感测电路,耦接于所述第一像素电路,用来感测所述接触电容并输出一第一输出信号,所述第一感测电路包括一第一积分电路,具有一第一积分输入端;以及一第一校正电路,耦接于所述第一积分输入端,用来校正所述第一输出信号;至少一第二像素电路;一第二感测电路,耦接于所述至少一第二像素电路中一第二像素电路,用来输出一第二输出信号,所述第二感测电路包括一第二积分电路,具有一第二积分输入端;一第二校正电路,耦接于所述第二积分输入端;以及一第三校正电路,耦接于所述第二积分输入端,其中所述第二校正电路及所述第三校正电路用来校正所述第二输出信号;以及一差分放大电路,耦接于所述第一感测电路及所述第二感测电路,用来将所述第一输出信号与所述第二输出信号的一相差值放大,以产生一放大输出信号。
本申请另提供了一种本申请提供的指纹辨识***及电子装置,其利用虚设像素电路产生虚设输出信号,进而消除寄生电容的效应,以提升电容感测或指纹辨识的精准度及效能。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明,这些示例性说明并不构成对实施例的限定,附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件,除非有特别申明,附图中的图不构成比例限制。
图1为本申请实施例一指纹辨识***的示意图。
图2为本申请实施例一正常感测电路及一虚设感测电路的示意图。
图3为本申请实施例一指纹辨识***的俯视示意图。
图4为本申请实施例一电子装置的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
于传统指纹辨识***中,像素电路的输出信号受到像素电路及感测电路内部寄生电容的影响,使得像素电路的输出信号中相关于接触电容变化量的信号成份并不显着,像素电路的输出信号亦受到温度和噪声的影响,而使指纹辨识的精准度下降。因此,本申请除了正常的像素电路之外,另包含虚设像素电路,利用虚设像素电路产生虚设输出信号,来抵消复数个正常像素电路的输出信号中受到寄生电容、温度及噪声影响的信号成份,并针对复数个正常像素电路的输出信号中的指纹信号成份进行放大以及后续信号处理,以判断纹蜂(Finger Ridge)或纹谷(Finger Valley),增加指纹辨识精准度。
另外,由于正常像素电路中的驱动电路与虚设像素电路中的驱动电路在电路实作上很难完全一致,而导致虚设输出信号进入饱和(Saturation)状态,或是导致(耦接于正常像素电路以及虚设像素电路的)差分放大器进入饱和状态。因此,本申请利用包含于一虚设感测电路的二校正电路,来校正虚设输出信号,使得虚设输出信号位于一范围内,以避免虚设输出信号或差分放大器进入饱和状态。
具体来说,请参考图1及图2,图1为本申请实施例一指纹辨识***10的示意图,图2为本申请实施例一正常感测电路115、一虚设感测电路125的示意图。为了方便说明,图1绘示指纹辨识***10中复数个正常像素电路的一正常像素电路以及一虚设像素电路的示意图,如图1所示,指纹辨识***10包含一正常像素电路11、一虚设像素电路12、正常感测电路115、虚设感测电路125以及一差分放大电路DAmp。正常感测电路115耦接于正常像素电路11,用来输出一正常输出信号Vo1至差分放大电路DAmp,另外,虚设感测电路125耦接于虚设像素电路12,用来输出一虚设输出信号Vo2至差分放大电路DAmp。差分放大电路DAmp用来将正常输出信号Vo1与虚设输出信号Vo2的一相差值(Vo1-Vo2)放大,以产生一放大输出信号Vo。
另外,正常像素电路11及虚设像素电路12皆可接受一手指FG的接触,并与手指FG分别形成一接触电容Cf_1及一接触电容Cf_2。正常感测电路115可感测接触电容Cf_1并输出正常输出信号Vo1,另外,第二感测电路125耦接于虚设像素电路12,用来输出虚设输出信号Vo2。其中,正常输出信号Vo1包含一大信号分量以及一小信号分量ΔVo1(即正常输出信号Vo1可表示为),其中大信号分量可为正常输出信号Vo1的一平均值,而小信号分量ΔVo1相关于接触电容Cf_1的一变化量ΔCf_1,其为用来进行指纹辨识的指纹信号。需注意的是,虚设像素电路12可经适当设计,使得虚设输出信号Vo2与正常输出信号Vo1的大信号分量相等(即虚设输出信号Vo2可表示为)。于一实施例中,差分放大电路DAmp可为一程控增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)。差分放大电路DAmp可耦接至一模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)以及一后端电路(未绘示于图1),以对放大输出信号Vo进行后续信号处理,并判断正常像素电路11对应于手指FG的一纹蜂或一纹谷。
换句话说,对应于正常像素电路11的正常输出信号Vo1相关于正常像素电路11所对应的接触电容Cf_1,即正常输出信号Vo1包含指纹信号(即小信号分量ΔVo1)。另一方面,对应于虚设像素电路12的虚设输出信号Vo2用来抵消正常输出信号Vo1中受到寄生电容、温度及噪声影响的信号成份,而虚设输出信号Vo2并未包含指纹信号(即虚设像素电路12所对应的接触电容Cf_2并不会对虚设输出信号Vo2造成影响)。指纹辨识***10利用差分放大电路DAmp将正常输出信号Vo1与虚设输出信号Vo2之间的相差值(Vo1-Vo2)放大,即将指纹信号放大,以进行后续信号处理。
另外,如图2所示,正常感测电路115包含一积分电路1150以及一校正电路1152,积分电路1150包含一放大器Amp1以及一积分电容CI1,积分电容CI1耦接于放大器Amp1的一负输入端(标示有「-」号)与一输出端之间(其中放大器Amp1的负输入端即为积分电路1150的积分输入端),而放大器Amp1的一正输入端(标示有「+」号)接收一电压Vref。校正电路1152包括一校正电容C1以及校正开关S1、S2,校正开关S1、S2的一第一端耦接于校正电容C1,校正开关S1的一第二端接收一正电压VDD,校正开关S2的一第二端接收一第一校正电压VDAC。
虚设感测电路125包含一积分电路1250以及校正电路1252、1254。同样地,积分电路1250包含一放大器Amp2以及一积分电容CI2,积分电容CI2耦接于放大器Amp2的一负输入端(标示有「-」号)与一输出端之间(其中放大器Amp2的负输入端即为积分电路1250的积分输入端),而放大器Amp2的一正输入端(标示有「+」号)接收电压Vref。校正电路1252、1254与校正电路1152类似,校正电路1252包括一校正电容C2以及校正开关S3、S4,校正电路1254包括一校正电容C3以及校正开关S5、S6,校正开关S3、S4的第一端耦接于校正电容C2,校正开关S5、S6的第一端耦接于校正电容C3,校正开关S3、S5的第二端接收正电压VDD,校正开关S4的一第二端接收第一校正电压VDAC,校正开关S6的一第二端接收一第二校正电压VDAC’。其中,校正开关S1、S3、S5可受控一信号CK1,而校正开关S2、S4、S6可受控一信号CK2。
另外,指纹辨识***10还包含一校正电压产生电路14,耦接于差分放大电路DAmp与正常感测电路115及虚设感测电路125之间,用来根据放大输出信号Vo产生第一校正电压VDAC以及第二校正电压VDAC’。为了避免放大器Amp1、Amp2或差分放大电路DAmp进如饱和状态,校正电路1152、1252、1254可用来校正正常输出信号Vo1及虚设输出信号Vo2,使得正常输出信号Vo1维持于一特定范围RG1中且虚设输出信号Vo2维持于一特定范围RG2。
于一实施例中,校正电压产生电路14可先决定第一校正电压VDAC,以确保正常输出信号Vo1的电压位于特定范围RG1中,再视情况决定第二校正电压VDAC’,使得虚设输出信号Vo2的电压位于特定范围RG2中。换句话说,当校正电压产生电路14产生第一校正电压VDAC后,校正电路1152的一输出信号施加于积分电路1150的积分输入端,使得正常输出信号Vo1的电压向上抬升一校正值ΔV1,使得正常输出信号Vo1的电压位于特定范围RG1中,同时,校正电路1252的一输出信号施加于积分电路1250的积分输入端,使得虚设输出信号Vo2的电压亦向上抬升一校正值ΔV2,若虚设输出信号Vo2的电压仍于特定范围RG2之外,校正电压产生电路14还可产生第二校正电压VDAC’,而校正电路1254根据正电压VDD及第二校正电压VDAC’所产生的一输出信号施加于积分电路1250的积分输入端,使得虚设输出信号Vo2的电压再次向上抬升一校正值ΔV3,以至于虚设输出信号Vo2的电压为特定范围RG2之内。换句话说,指纹辨识***10利用校正电路1252对虚设输出信号Vo2进行一粗校正(Coarse TuneCalibration),而利用校正电路1254对虚设输出信号Vo2进行一细校正(Fine TuneCalibration),也就是说,校正值ΔV2大于校正值ΔV3。为了使校正值ΔV2大于校正值ΔV3,于一实施例中,可选定校正电容C2的电容值大于校正电容C3的电容值,举例来说,校正电容C2可大于校正电容C3的8倍,例如,校正电容C2可为校正电容C3的25倍。
除此之外,正常像素电路11及虚设像素电路12的电路结构并未有所限,举例来说,如图1所示,正常像素电路11可包含一接触层110、一屏蔽层112以及一驱动电路113,接触层110及屏蔽层112皆为集成电路布局中的金属层,接触层110为一顶层金属层(Top Metal),用来接受手指FG的接触,接触层110与手指FG形成接触电容Cf_1,而屏蔽层112可为顶层金属层的下一层金属层,即屏蔽层112布局于接触层100的正下方,用来对屏蔽层112以下的电路产生屏蔽效应,以避免屏蔽层112以下的电路对接触层110产生干扰,屏蔽层112与接触层110形成寄生电容Cp_1。另外,接触层110耦接于正常感测电路115正常输出信号Vo1与接触电容Cf_1及寄生电容Cp_1相关,正常输出信号Vo1可表示为其中A、B、D为相关于正电压VDD或是驱动电路及其所产生电压的参数,可代表复数个像素电路所形成的复数个接触电容的一平均值。另外,参数A、B、D会受到温度或噪声的影响而随之变化。
另一方面,虚设像素电路12可包含一接触层120、一屏蔽层122、金属层124、126、一驱动电路121以及一驱动电路123,接触层120、屏蔽层122及金属层124、126皆为集成电路布局中的金属层,其中接触层120为一顶层金属层,用来接受手指FG的接触,接触层120与手指FG形成接触电容Cf_2,而屏蔽层122可为顶层金属层的下一层金属层,即屏蔽层122布局于接触层120的正下方,用来对屏蔽层122以下的电路产生屏蔽效应,以避免屏蔽层122以下的电路对接触层120产生干扰,屏蔽层122与接触层120形成一寄生电容Cp_2。另外,金属层124可为屏蔽层122的下一层金属层(即金属层124可布局/设置于屏蔽层122下方),而金属层126可为金属层124的下一层金属层(即金属层126可布局/设置于金属层124下方),金属层124与金属层126之间形成有一寄生电容Cp_3。接触层120耦接于驱动电路121;金属层124耦接于驱动电路123;屏蔽层122及金属层126耦接于驱动电路123。另外,虚设感测电路125耦接于金属层124。
需注意的是,第二感测电路125并未连接于接触层120,因此,接触电容Cf_2(及寄生电容Cp_2)并不会对虚设输出信号Vo2造成影响。虚设输出信号Vo2可表示为Vo2=E*Cp_3+F,其中E、F为相关于正电压VDD或驱动电路的参数,参数E、F也会受到温度或噪声的影响而随之变化。
另外,虚设像素电路12可经适当设计,使得 即虚设输出信号Vo2与正常输出信号Vo1的大信号分量相等如此一来,差分放大电路Amp可仅针对指纹信号(即小信号分量ΔVo1,其中ΔVo1=Vo1-Vo2=A*ΔCf_1)放大,也就是说,放大输出信号VO可表示为VO=Av*(Vo1-Vo2)=Av*ΔVo1,其中Av代表差分放大电路Amp的一增益。如此一来,指纹辨识***10的后端电路即可根据放大输出信号VO,判断正常像素电路11对应于手指FG的纹蜂或纹谷。
需注意的是,于正常输出信号Vo1中,参数A、B、D会受到温度或噪声的影响而随之变化,然而于虚设输出信号Vo2中,参数E、F也会受到温度或噪声的影响而随之变化。也就是说,利用差分放大电路Amp,正常输出信号Vo1中受到温度或噪声的影响的信号成份可被消除(正常输出信号Vo1减去虚设输出信号Vo2),而差分放大电路Amp仅针对相关于接触电容变化量ΔCf_1的指纹信号进行放大,以增加指纹辨识***10的指纹辨识精准度。
由上述可知,指纹辨识***10除了正常像素电路11之外,另包含虚设像素电路12,利用虚设像素电路12产生虚设输出信号Vo2,来抵消复数个正常像素电路的输出信号中受到寄生电容、温度及噪声影响的信号成份,并针对复数个正常像素电路的输出信号中的指纹信号成份(小信号分量ΔVo1,ΔVo1=A*ΔCf_1)进行放大以及后续信号处理,以判断手指FG的纹蜂或纹谷。另外,指纹辨识***10利用校正电路1252及校正电路1254分别对虚设输出信号Vo2进行粗校正及细校正,使得虚设输出信号Vo2的电压位于特定范围RG2之内。
另外,本申请的指纹辨识***中于正常像素电路及虚设像素电路并未有所限,请参考图3,图3为本申请实施例一指纹辨识***30的俯视示意图,指纹辨识***30包含排列成一阵列的复数个正常像素电路31以及复数个虚设像素电路32,如图3所示,而复数个虚设像素电路32可以随机的方式排列于所述数组。需注意的是,图3所绘示复数个正常像素电路31以及复数个虚设像素电路32的排列方式仅为一实施方式,复数个虚设像素电路可排列于所述阵列的周围,或排列于所述阵列的一行或一列,而不在此限。
另外,本申请的指纹辨识***可应用于一电子装置中。请参考图4,图4为本申请实施例一电子装置40的示意图,电子装置40可为一平板电脑或一智能手机,如图4所示,电子装置40包含一运作电路42以及一指纹辨识***44,指纹辨识***44耦接于运作电路42,其可由指纹辨识***10来实现,另外,运作电路42可包含一处理器(Processor)及一储存装置,储存装置可为只读内存(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储(Random-AccessMemory,RAM)、非挥发性内存(Non-Volatile Memory,例如,一电子抹除式可复写只读内存器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM)或一快闪存储(Flash Memory))。
综上所述,本申请利用虚设像素电路产生虚设输出信号,来抵消正常像素电路的输出信号中受到寄生电容、温度及噪声影响的信号成份,并针对正常像素电路的输出信号中的指纹信号进行放大以及后续信号处理,以增加指纹辨识精准度。另外,本申请利用二个校正电路,分别对虚设输出信号进行粗校正及细校正,使得虚设输出信号的电压位于特定范围之内。
以上所述仅为本申请的部分实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种指纹辨识***,所述指纹辨识***包括:
复数个第一像素电路,所述复数个第一像素电路中一第一像素电路与一手指形成一接触电容,所述第一像素电路包括一第一接触层及一第一屏蔽层;
一第一感测电路,耦接于所述第一像素电路的所述第一接触层,用来感测所述接触电容并输出一第一输出信号,所述第一感测电路包括:
一第一积分电路,具有一第一积分输入端;以及
一第一校正电路,耦接于所述第一积分输入端,用来校正所述第一输出信号;
至少一第二像素电路,所述至少一第二像素电路中一第二像素电路包括一第二接触层、一第二屏蔽层、一第一金属层及一第二金属层,所述第一金属层及所述第二金属层设置于所述第二屏蔽层之下,所述第二金属层耦接于所述第一屏蔽层;
一第二感测电路,耦接于所述第二像素电路的所述第一金属层,用来输出一第二输出信号,所述第二感测电路包括:
一第二积分电路,具有一第二积分输入端;
一第二校正电路,耦接于所述第二积分输入端;以及
一第三校正电路,耦接于所述第二积分输入端,其中所述第二校正电路及所述第三校正电路用来校正所述第二输出信号;以及
一差分放大电路,耦接于所述第一感测电路及所述第二感测电路,用来将所述第一输出信号与所述第二输出信号的一相差值放大,以产生一放大输出信号。
2.如权利要求1所述的指纹辨识***,其中,所述第一校正电路包括:
一第一校正电容,耦接于所述第一积分输入端;
一第一校正开关,其一端耦接于所述第一校正电容,另一端耦接于一正电压;以及
一第二校正开关,其一端耦接于所述第一校正电容,另一端接收一第一校正电压。
3.如权利要求2所述的指纹辨识***,其中,所述第二校正电路包括:
一第二校正电容,耦接于所述第二积分输入端;
一第三校正开关,其一端耦接于所述第二校正电容,另一端耦接于所述正电压;以及
一第四校正开关,其一端耦接于所述第二校正电容,另一端接收所述第一校正电压。
4.如权利要求2所述的指纹辨识***,其中,所述第三校正电路包括:
一第三校正电容,耦接于所述第二积分输入端;
一第五校正开关,其一端耦接于所述第三校正电容,另一端耦接于所述正电压;以及
一第六校正开关,其一端耦接于所述第三校正电容,另一端接收一第二校正电压。
5.如权利要求4所述的指纹辨识***,其中,所述第二校正电容大于所述第三校正电容。
6.如权利要求4所述的指纹辨识***,其中,所述第二校正电容为所述第三校正电容的25倍。
7.如权利要求4所述的指纹辨识***,其中,另包含一校正电压产生电路,耦接于所述差分放大电路与所述第一感测电路及所述第二感测电路,用来根据所述放大输出信号,产生所述第一校正电压以及所述第二校正电压。
8.如权利要求1所述的指纹辨识***,其中,所述第一积分电路包括:
一第一放大器,耦接于所述第一积分输入端;以及
一第一积分电容,耦接于所述第一积分输入端与所述第一放大器的一第一输出端之间。
9.如权利要求1所述的指纹辨识***,其中,所述第二积分电路包括:
一第二放大器,耦接于所述第二积分输入端;以及
一第二积分电容,耦接于所述第二积分输入端与所述第二放大器的一第二输出端之间。
10.如权利要求1所述的指纹辨识***,其中,所述第一校正电路导致所述第一输出信号具有一第一校正量,所述第二校正电路导致所述第二输出信号具有一第二校正量,所述第三校正电路导致所述第二输出信号具有一第三校正量,所述第二校正量大于所述第三校正量。
11.一种电子装置,所述电子装置包括:
一运作电路;以及
一指纹辨识***,所述指纹辨识***为权利要求1-10中任意一项所述的指纹辨识***。
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