JP5115244B2 - Electrostatic vibrator and method of using the same - Google Patents
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本発明は静電振動子及びその使用方法に係り、特に、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）として構成される場合に好適な静電振動子の構造、並びに、当該静電振動子を用いる使用方法に関する。 The present invention relates to an electrostatic vibrator and a method for using the electrostatic vibrator, and more particularly to a structure of an electrostatic vibrator suitable when configured as a MEMS (microelectromechanical system) and a method for using the electrostatic vibrator. .
一般に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は微小構造体形成技術の一つで、ミクロンオーダーの微細な電子機械システムを作る技術やその製品のことを指す。半導体チップはシリコン基板上にシリコン薄膜を積み重ねて電子回路を作るため平面的であるが、同じ半導体技術を使いながらＭＥＭＳではシリコンを加工してミクロンサイズの板ばね、鏡、回転軸などが形成される。これらの構造は立体的であり、可動部分を備えている。 In general, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) is one of micro structure forming technologies, and refers to a technology for producing a micro electromechanical system on the order of microns or a product thereof. A semiconductor chip is planar because a silicon thin film is stacked on a silicon substrate to create an electronic circuit, but MEMS is processed to form micron-sized leaf springs, mirrors, rotating shafts, etc., while using the same semiconductor technology. The These structures are three-dimensional and have movable parts.
ＭＥＭＳが注目されている分野として通信、特に携帯電話機の通信回路がある。携帯電話機にはＬＳＩの他にフィルタ、アンテナスイッチ、送受信スイッチなど多くの部品が組み込まれている。近距離無線通信や無線ＬＡＮを利用するマルチバンド化が進むことにより、アンテナの切り替えスイッチやバンド切り替えスイッチなどの受動部品が増加する。携帯電話機のような製品の小型化、省電力化を図るためにはこうした部品を１チップに納めて部品点数を減らすことが最も効率のよい方法である。また、配線が短くなり、メカニカルに動作することから信号ノイズが入りにくく、個別部品より１０倍以上損失の少ないフィルタを実現することができるなどの性能向上も見込まれる。さらに、シリコンを使用することでＬＳＩとの一体化、パッケージ化、各部材に対する貼り合わせなどが可能になる（例えば、以下の特許文献１参照）。
A field in which MEMS is attracting attention is communication, particularly communication circuits for mobile phones. In addition to LSIs, cellular phones incorporate many components such as filters, antenna switches, and transmission / reception switches. With the progress of multiband using short-range wireless communication and wireless LAN, passive components such as an antenna changeover switch and a band changeover switch increase. In order to reduce the size and power consumption of products such as mobile phones, it is the most efficient method to reduce the number of components by putting these components in one chip. In addition, since the wiring is shortened and mechanically operated, signal noise is less likely to enter, and a performance improvement such as a filter that is 10 times less loss than an individual component can be realized. Furthermore, by using silicon, integration with LSI, packaging, bonding to each member, and the like are possible (for example, see
上記のように機械的に振動するＭＥＭＳ振動子は小型であるとともに半導体回路との一体化が可能なことから新しい振動子デバイスとして期待されているが、反面、ＭＥＭＳ振動子には一般的な圧電素子を用いた水晶振動子やセラミック振動子に比べて等価回路の抵抗成分が大きいという欠点がある。この抵抗成分を低くするためには、振動子のエネルギー損失を低減する必要がある。 The MEMS vibrator that vibrates mechanically as described above is expected to be a new vibrator device because it is small and can be integrated with a semiconductor circuit. There is a disadvantage that the resistance component of the equivalent circuit is larger than that of a crystal resonator or a ceramic resonator using the element. In order to reduce the resistance component, it is necessary to reduce the energy loss of the vibrator.
上記のＭＥＭＳ振動子のエネルギー損失の原因としては、固定部への振動漏れ（Anchor loss）が挙げられる。この振動漏れの大きさは振動部と固定部の形状によって定まる。当該振動漏れを低減する従来方法としては、以下の非特許文献１のＦｉｇ．１に記載されているように、平面視矩形状の振動体を４本の直線状の支持梁で両持ち梁状に支持してなる振動子構造において、振動体及び各支持梁は、各支持梁の両側の振動体に対する各接続部位及び基板に対する各固定部位がちょうど振動の節に相当する位置となる寸法に形成され、これにより固定部の振動変位が小さくなって上記振動漏れを抑制できるようになっている。
しかしながら、前述の非特許文献１に記載のＭＥＭＳ振動子においては、駆動周波数が高くなるに従って振動体及び支持梁の寸法を小さくする必要があるので、電極や支持梁を設けるスペースが小さくなるなど、寸法に関して設計上の制約が大きいという問題点がある。
However, in the MEMS vibrator described in
また、ＭＥＭＳ振動子の製造工程においては、通常、下層構造上に酸化シリコン等で犠牲層を形成し、この犠牲層上に当該振動子の可動部分を形成した後、フッ酸系のエッチャントを用いて上記犠牲層を除去し、上記可動部分を離間させるリリース工程を実施する必要がある。ところが、当該リリース工程では、エッチング処理後の洗浄乾燥時に上記可動部分が水位の低下とともに下方に引き寄せられ、下層構造に貼り付き、リリースに失敗するといった所謂スティッキング現象を招き、製造プロセスの歩留まりの低下を引き起こすという問題点がある。 In the manufacturing process of the MEMS vibrator, a sacrificial layer is usually formed on the lower layer structure with silicon oxide or the like, a movable part of the vibrator is formed on the sacrificial layer, and then a hydrofluoric acid based etchant is used. Thus, it is necessary to perform a release step of removing the sacrificial layer and separating the movable parts. However, in the release process, the movable part is attracted downward as the water level decreases during cleaning and drying after the etching process, sticks to the lower layer structure, and causes a so-called sticking phenomenon that causes the release to fail, thereby reducing the yield of the manufacturing process. There is a problem of causing.
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、振動漏れを低減しつつ、設計時の寸法上の制約を緩和することの可能で、しかも、スティッキング現象を回避するのに好適な振動子構造を実現することにある。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and the problem is that it is possible to alleviate the constraints on dimensions during design while reducing vibration leakage, and to avoid the sticking phenomenon. It is to realize a suitable vibrator structure.
斯かる実情に鑑み、本発明の静電振動子は、支持体と、該支持体に対して複数の第１の弾性部を介して接続された第１の剛性部、及び、該第１の剛性部に対して複数の第２の弾性部を介して接続された第２の剛性部を有する可動電極と、前記第１の剛性部に対向配置され、前記第１の剛性部に励振力を及ぼす駆動電極と、前記第２の剛性部に対向配置され、前記第２の剛性部の振動変位を検出する検出電極と、を具備し、前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部の前記駆動電極及び前記検出電極と対向する方向の撓み変形により前記第１の剛性部及び前記第２の剛性部がそれぞれ振動変位可能とされた２自由度の弾性振動系を構成することを特徴とする。 In view of such circumstances, the electrostatic vibrator according to the present invention includes a support, a first rigid portion connected to the support via a plurality of first elastic portions, and the first A movable electrode having a second rigid portion connected to the rigid portion via a plurality of second elastic portions, and disposed opposite to the first rigid portion, and applying an excitation force to the first rigid portion. And a detection electrode that is disposed opposite to the second rigid portion and detects a vibration displacement of the second rigid portion, and includes a first elastic portion and a second elastic portion. The elastic structure includes two degrees of freedom in which the first rigid part and the second rigid part are each capable of vibration displacement by bending deformation in a direction opposite to the drive electrode and the detection electrode. To do.
この発明によれば、駆動電極により第１の剛性部に励振力を与えると２自由度の弾性振動系が振動し、これによって生じた第２の剛性部の振動変位を検出電極により検出することで、電気的振動子を構成することができる。この場合、駆動電極により第１の剛性部に及ぼされる静電励振力の励振周波数を弾性振動系のうち第２の剛性部と第２の弾性部の固有振動数の近傍とすることにより、第１の剛性部の振幅を第２の剛性部の振幅より大幅に小さくすることができるので、支持体側への振動漏れを低減することができる。ここで、第１の弾性部及び第２の弾性部は、第１の剛性部及び第２の剛性部より弾性が高く剛性の低い部分として構成されていればよい。 According to the present invention, when an excitation force is applied to the first rigid portion by the drive electrode, the elastic vibration system having two degrees of freedom vibrates, and the vibration displacement of the second rigid portion caused thereby is detected by the detection electrode. Thus, an electric vibrator can be configured. In this case, by setting the excitation frequency of the electrostatic excitation force exerted on the first rigid portion by the drive electrode to be close to the natural frequency of the second rigid portion and the second elastic portion in the elastic vibration system, Since the amplitude of the first rigid portion can be significantly smaller than the amplitude of the second rigid portion, vibration leakage toward the support can be reduced. Here, the 1st elastic part and the 2nd elastic part should just be comprised as a part with a higher elasticity and a low rigidity than a 1st rigid part and a 2nd rigid part.
また、上記従来の振動子構造体のように振動体や弾性部の寸法を振動モードに合わせる必要がなく、寸法に関する制約が少なくなるので、より自由な構造設計が可能になる。 Further, unlike the above-described conventional vibrator structure, it is not necessary to match the dimensions of the vibrating body and the elastic portion to the vibration mode, and restrictions on the dimensions are reduced, so that a more flexible structure design is possible.
さらに、第１の剛性部は複数の第１の弾性部を介して支持体に接続され、第２の剛性部は複数の第２の弾性部を介して第１の剛性部に接続されて閉じた形状の第１の剛性部の内側に配置されるので、各剛性部が複数個所でそれぞれ安定して支持されるとともに、第１の剛性部の剛性も確保されることで、犠牲層を利用して振動子構造体を構成し、その後、リリース工程で犠牲層を除去する場合でも、各剛性部の下層構造に対する貼り付き、すなわちスティッキングを防止することができる。 Furthermore, the first rigid portion is connected to the support via the plurality of first elastic portions, and the second rigid portion is connected to the first rigid portion via the plurality of second elastic portions and closed. Since each rigid portion is stably supported at a plurality of locations and the rigidity of the first rigid portion is ensured, the sacrificial layer is used. Thus, even when the vibrator structure is configured and then the sacrificial layer is removed in the release process, sticking of the rigid portions to the lower layer structure, that is, sticking can be prevented.
本発明の一の態様においては、前記支持体は基板であり、前記第１の弾性部、前記第１の剛性部、前記第２の弾性部及び前記第２の剛性部を有する可動部分が前記基板との間に間隙を有した状態で前記基板に沿って平行に配置され、前記駆動電極が前記第１の剛性部と対向する位置で前記基板上に形成され、前記検出電極が前記第２の剛性部と対向する位置で前記基板上に形成される。これによれば、可動部分が基板に沿って平行に配置されることで当該可動部分を基板上の単一層で構成できる、上記駆動電極と検出電極を基板上に単一層で形成できるなど、振動子構造体を基板上にＭＥＭＳ技術等を用いて容易に形成することができる。 In one aspect of the present invention, the support is a substrate, and the movable part having the first elastic part, the first rigid part, the second elastic part, and the second rigid part is the The driving electrode is formed on the substrate at a position facing the first rigid portion, and is arranged in parallel along the substrate with a gap between the detection electrode and the second electrode. Is formed on the substrate at a position facing the rigid portion. According to this, since the movable part is arranged in parallel along the substrate, the movable part can be configured with a single layer on the substrate, and the drive electrode and the detection electrode can be formed with a single layer on the substrate. The child structure can be easily formed on the substrate using the MEMS technique or the like.
この場合においては、前記複数の第１の弾性部と前記複数の第２の弾性部とが前記第２の剛性部を中心とする異なる方位に存在することが好ましい。本発明において、第１の弾性部と第２の弾性部の位置は特に限定されないが、第１の弾性部と第２の弾性部とを第２の剛性部を中心とする異なる方位に設けることで、第２の剛性部を中心とする支持部位の方位を分散させることが可能になるため、全体として可動部分の支持剛性の向上、不要な振動モードの抑制などを図ることができる。なお、上記複数の第１の弾性部及び上記複数の第２の弾性部を第１の剛性部及び第２の剛性部をそれぞれ中心として分散された方位に設け、好ましくは等角度間隔に設定された方位にそれぞれ設けることが効果的である。 In this case, it is preferable that the plurality of first elastic portions and the plurality of second elastic portions exist in different orientations centering on the second rigid portion. In the present invention, the positions of the first elastic portion and the second elastic portion are not particularly limited, but the first elastic portion and the second elastic portion are provided in different orientations around the second rigid portion. Thus, since it is possible to disperse the orientation of the support portion with the second rigid portion as the center, it is possible to improve the support rigidity of the movable portion as a whole, suppress unnecessary vibration modes, and the like. The plurality of first elastic portions and the plurality of second elastic portions are provided in orientations distributed around the first rigid portion and the second rigid portion, respectively, and preferably set at equiangular intervals. It is effective to provide them in different directions.
本発明の他の態様においては、前記第１の剛性部が環状に構成される。第１の剛性部を環状に構成することで、第１の剛性部の剛性を高めることができ、安定した振動状態を得ることが可能になる。この場合に、前記第１の剛性部と前記第２の剛性部は相互に同心状に形成され、前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部はそれぞれ前記第１の剛性部及び前記第２の剛性部と同心で半径方向外側に延びる放射状に形成されることが望ましい。これによれば、振動子構造体の剛性を向上させることができるとともに対称性も高まるので振動の安定性をさらに向上させることができる。 In another aspect of the invention, the first rigid portion is configured in an annular shape. By configuring the first rigid portion in an annular shape, the rigidity of the first rigid portion can be increased, and a stable vibration state can be obtained. In this case, the first rigid portion and the second rigid portion are formed concentrically with each other, and the first elastic portion and the second elastic portion are the first rigid portion and the second rigid portion, respectively. It is desirable that the two rigid portions be formed radially so as to extend radially outward. According to this, since the rigidity of the vibrator structure can be improved and the symmetry is also increased, the stability of vibration can be further improved.
次に、本発明の静電振動子の使用方法は、上記いずれか一項に記載の静電振動子の使用方法であって、前記弾性振動系の一次の固有周波数と二次の固有周波数との間であって、前記第１の剛性部の振幅ｕ１が前記第２の剛性部の振幅ｕ２より小さくなる条件を満たす周波数範囲内の励振周波数で前記第１の剛性部に前記励振力を与えて前記静電振動子を動作させることを特徴とする。 Next, a method of using the electrostatic vibrator according to the present invention is the method of using the electrostatic vibrator according to any one of the above, wherein a primary natural frequency and a secondary natural frequency of the elastic vibration system are used. The excitation force is applied to the first rigid portion at an excitation frequency within a frequency range that satisfies the condition that the amplitude u1 of the first rigid portion is smaller than the amplitude u2 of the second rigid portion. The electrostatic vibrator is operated.
この発明によれば、静電振動子により構成される弾性振動系の一次の固有周波数（一次の共振点）と二次の固有周波数（二次の共振点）の間においては、第１の剛性部の振幅が第２の剛体の振幅より小さくなる周波数範囲が存在するので、静電振動子の励振周波数を当該周波数範囲で周波数範囲内とすれば、第２の剛性部の振動を確保しつつ第１の剛性部の振動を抑制できるため、上記振動漏れを低減しつつ動作させることができる。上記周波数範囲内では、第２の剛性部と第２の弾性部からなる部分振動系の固有振動数の近傍において第１の剛性部の振幅が第２の剛性部の振幅より大幅に小さくなり、特に、当該部分振動系の固有振動数では０となる。 According to the present invention, the first rigidity is between the primary natural frequency (primary resonance point) and the secondary natural frequency (secondary resonance point) of the elastic vibration system constituted by the electrostatic vibrator. Since there is a frequency range in which the amplitude of the portion is smaller than the amplitude of the second rigid body, if the excitation frequency of the electrostatic vibrator is within the frequency range within the frequency range, the vibration of the second rigid portion is secured. Since the vibration of the first rigid portion can be suppressed, the operation can be performed while reducing the vibration leakage. Within the above frequency range, the amplitude of the first rigid portion is significantly smaller than the amplitude of the second rigid portion in the vicinity of the natural frequency of the partial vibration system composed of the second rigid portion and the second elastic portion, In particular, the natural frequency of the partial vibration system is zero.
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に、本発明の静電振動子の動作原理について図１乃至図３を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the operation principle of the electrostatic vibrator of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は本発明の原理を示す２自由度の弾性振動系の概念図（或いは、本実施形態の等価構成図）、図２は当該弾性振動系における第１の剛性部の振幅ｕ１の励振周波数ｆ＝ω／２πに対する依存性を示すグラフ、図３は２自由度の弾性振動系を構成する本実施形態の静電振動子の構造を模式的に示す概念図である。 FIG. 1 is a conceptual diagram of an elastic vibration system with two degrees of freedom showing the principle of the present invention (or an equivalent configuration diagram of this embodiment), and FIG. 2 is an excitation frequency of the amplitude u1 of the first rigid portion in the elastic vibration system. FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing the structure of the electrostatic vibrator of this embodiment constituting an elastic vibration system with two degrees of freedom. FIG. 3 is a graph showing the dependence on f = ω / 2π.
この弾性振動系は、図１に示すように、支持体１に対し、ばね定数ｋ１の第１の弾性体２、質量ｍ１の第１の剛性体３、ばね定数ｋ２の第２の弾性体４、質量ｍ２の第２の剛性体５が順次に連結された可動部分を有する。この弾性振動系は、第１の剛性体３及び第２の剛性体５がそれぞれ図示上下方向に振動変位ｘ１、ｘ２で振動可能な２自由度の弾性振動系を構成している。
As shown in FIG. 1, the elastic vibration system has a first
ここで、上記第１の剛性体３に対して調和励振力Ｆ＝Ｆ０・ｓｉｎωｔが作用する場合、第１の剛性体３の振動変位をｘ１＝ｕ１・ｓｉｎωｔ、第２の剛性体５の振動変位をｘ２＝ｕ２・ｓｉｎωｔとすると、以下の式（１）及び（２）が成立する。
Here, when the harmonic excitation force F = F 0 · sin ωt acts on the first rigid body 3, the vibration displacement of the first rigid body 3 is x 1 =
ｕ１／Ｘｓｔ＝（ω０２ ２−ω２）／［（ω０２ ２―ω２）・｛１＋（ｋ２／ｋ１）−（ω／ω０１）２｝−（ω０２ ２ｋ２／ｋ１）］…（１） u1 / X st = (ω 02 2 −ω 2 ) / [(ω 02 2 −ω 2 ) · {1+ (k2 / k1) − (ω / ω 01 ) 2 } − (ω 02 2 k2 / k1)] ... (1)
ｕ２／Ｘｓｔ＝ω０２ ２／［（ω０２ ２−ω２）・｛１＋（ｋ２／ｋ１）−（ω／ω０１）２｝−（ω０２ ２ｋ２／ｋ１）］…（２） u2 / X st = ω 02 2 / [(ω 02 2 −ω 2 ) · {1+ (k2 / k1) − (ω / ω 01 ) 2 } − (ω 02 2 k2 / k1)] (2)
ここで、第１の剛性体３の静的変位Ｘｓｔ＝Ｆ０／ｋ１、第１の弾性部材２及び第１の剛性体３からなる支持体側（上部）振動系の固有角振動数ω０１＝（ｋ１／ｍ１）１／２、第２の弾性部材４及び第２の剛性体５からなる反支持体側（下部）振動系の固有角振動数ω０２＝（ｋ２／ｍ２）１／２である。
Here, the static displacement X st = F 0 /
上記の振幅ｕ１及びｕ２と励振周波数ｆ＝ω／２πとの関係を示すものが図２である。図２からわかるように、第１の剛性体３は、一次の固有角振動数ω１と二次の固有角振動数ω２でそれぞれ共振し、その振幅ｕ１は図示実線で示すように無限大になる。また、上記式（１）の分子によりω＝ω０２となるとき、すなわち、励振角振動数ω＝２πｆ（ｆは励振周波数）が反支持体側振動系の固有角振動数ω０２に一致するときには、第１の剛性体３の振幅ｕ１は０（***振）となるが、第２の剛性体５の振幅ｕ２は図示破線で示すようにｕ２＝−Ｆ０／ｋ２となる。
FIG. 2 shows the relationship between the amplitudes u1 and u2 and the excitation frequency f = ω / 2π. As can be seen from FIG. 2, the first rigid body 3 resonates at the primary natural angular frequency ω 1 and the secondary natural angular frequency ω 2 , and the
また、上記の一次の固有角振動数ω１、二次の固有角振動数ω２（系の特性方程式の解、すなわち、１次の共振点及び二次の共振点）は以下の式（３）及び（４）で与えられる。なお、一次の共振点未満の励振周波数ｆでは第１の剛性体３と第２の剛性体５が同相で振動し、二次の共振点を越える励振周波数ｆでは第１の剛性体３と第２の剛性体３が逆相で振動する。
The primary natural angular frequency ω 1 and the secondary natural angular frequency ω 2 (solution of the characteristic equation of the system, that is, the primary resonance point and the secondary resonance point) are expressed by the following equations (3 ) And (4). The first rigid body 3 and the second
ω１ ２＝１／２{（ｍ１・ｋ１＋ｍ２・ｋ１＋ｍ２・ｋ２）／ｍ１・ｍ２}−１／２［{（ｍ１・ｋ２＋ｍ２・ｋ１＋ｍ２・ｋ２）／ｍ１・ｍ２}２−４（ｋ１・ｋ２）／（ｍ１・ｍ２）］１／２…（３） ω 1 2 = 1/2 {(m1 · k1 + m2 · k1 + m2 · k2) / m1 · m2} −1/2 [{(m1 · k2 + m2 · k1 + m2 · k2) / m1 · m2} 2 -4 (k1 · k2) / (M1 · m2)] 1/2 (3)
ω２ ２＝１／２{（ｍ１・ｋ１＋ｍ２・ｋ１＋ｍ２・ｋ２）／ｍ１・ｍ２}＋１／２［{（ｍ１・ｋ２＋ｍ２・ｋ１＋ｍ２・ｋ２）／ｍ１・ｍ２}２−４（ｋ１・ｋ２）／（ｍ１・ｍ２）］１／２…（４） ω 2 2 = 1/2 {(m1 · k1 + m2 · k1 + m2 · k2) / m1 · m2} +1/2 [{(m1 · k2 + m2 · k1 + m2 · k2) / m1 · m2} 2 -4 (k1 · k2) / (M1 · m2)] 1/2 (4)
したがって、上記弾性振動系が一次の固有角振動数ω１と二次の固有角振動数ω２の間の周波数範囲ｆ１（＝ω１／２π）〜ｆ２（＝ω２／２π）の励振周波数で強制振動する場合、図示のようにほとんどの領域で第１の剛性体３の振幅ｕ１は第２の剛性体５の振幅ｕ２より小さくなる。そして、振幅ｕ１が振幅ｕ２より小さくなる周波数範囲Ｐ内では、第１の剛性体３及び第１の弾性体２を通して支持体１側へ漏出する振動エネルギーは抑制される。
Accordingly, the elastic vibration system has a frequency range f 1 (= ω 1 / 2π) to f 2 (= ω 2 / 2π) between the primary natural angular frequency ω 1 and the secondary natural angular frequency ω 2 . In the case of forced vibration at the excitation frequency, the amplitude u1 of the first rigid body 3 is smaller than the amplitude u2 of the second
図３には、上記の弾性振動系を撓み変形による振動子構造体で構成した場合の概略構成を示す。図示例では、上記の弾性振動系の可動部分を支持体である基板１上に沿って配置した場合の概略構成を示す。上記可動部分は基板１に固定された支持固定部１′によって支持されている。すなわち、この支持固定部１′に第１の弾性体２の基端が固定されている。そして、この第１の弾性体２、第１の剛性体３、第２の弾性体４及び第２の剛性体５は、基板１の表面との間に間隔を有する態様で、基板１に沿って延在している。したがって、当該弾性振動系の可動部分は、上記可動部分が基板１上において片持ち梁状に支持される。
FIG. 3 shows a schematic configuration in the case where the elastic vibration system is configured by a vibrator structure by bending deformation. In the illustrated example, a schematic configuration when the movable part of the elastic vibration system is arranged along the
上記第１の剛性体３の下方には駆動電極６が基板１上に形成されている。そして、第１の剛性体３と駆動電極６は上下方向に間隔を有して対向している。また、上記第２の剛性体５の下方には検出電極７が基板１上に形成されている。そして、第２の剛性体５と検出電極７は上下方向に間隔を有して対向している。
A
そして、第１の剛性体３と駆動電極６との間に交代的な励振信号を印加すると、第１の剛性体３との間に変動する静電力が働き、これによって第１の剛性体３に図示上下方向の交代的な励振力が及ぼされる。ここで、第１の剛性体３の上下方向の変位をｘ１、第２の剛性体５の上下方向の変位をｘ２とすると、図１に示される等価構成図と同様の２自由度の弾性振動系が構成されることがわかる。一方、上記の励振力に基づいて第２の剛性体５が上下に振動すると、第２の剛性体５と検出電極７の間隔の変動により両者間の静電容量が変動するので、検出電極７を介して当該変動を検出することが可能である。
When an alternating excitation signal is applied between the first rigid body 3 and the
図４は本実施形態の静電振動子の上部構造の平面図、図５は同静電振動子の下部構造の平面図、図６は同静電振動子の縦断面図である。ここで、図４において、上層構造の可動電極は図示実線で、下層構造の検査電極及び駆動電極は図示一点鎖線でそれぞれ示す。また、図５において、下層構造の検査電極及び駆動電極は図示実線で、上層構造の可動電極は図示二点鎖線でそれぞれ示す。 4 is a plan view of the upper structure of the electrostatic vibrator of the present embodiment, FIG. 5 is a plan view of the lower structure of the electrostatic vibrator, and FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the electrostatic vibrator. Here, in FIG. 4, the movable electrode having the upper layer structure is indicated by a solid line in the figure, and the inspection electrode and the drive electrode having a lower layer structure are indicated by a dashed line in the figure. Further, in FIG. 5, the inspection electrode and the drive electrode of the lower layer structure are indicated by a solid line in the drawing, and the movable electrode of the upper layer structure is indicated by a two-dot chain line in the drawing.
本実施形態では、シリコン単結晶等よりなる半導体基板（ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体でもよい。）１０の表面に窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等の絶縁体よりなる絶縁膜１１（第１の絶縁膜１１Ｓ及び第２の絶縁膜１１Ｎ）が形成され、この絶縁膜１１上に、アルミニウム、銅などの金属、或いは、導電性ポリシリコン等の低抵抗半導体よりなる検出電極１２Ａ、駆動電極１２Ｂが形成されている。検出電極１２Ａの平面形状は図示円形とされ、検出電極１２Ａの外周縁からは検出配線部１２ａが延出している。一方、駆動電極１２Ｂの平面形状は図示環状とされ、一部に切り欠き部１２ｃを備えて全体としてＣ字状に構成されている。また、駆動電極１２Ｂの外周縁からは駆動配線部１２ｂが延出している。上記検出配線部１２ａは駆動電極１２Ｂに設けられた切り欠き部１２ｃ内を通過して外部に導出される。
In the present embodiment, an insulating film 11 (first insulation) made of an insulator such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is formed on the surface of a semiconductor substrate 10 (may be a compound semiconductor such as GaAs or InP) made of silicon single crystal or the like. A
また、基板１０若しくは上記絶縁膜１１上には、外周部が絶縁膜１１上に固定された支持固定部１３Ａとされ、当該支持固定部１３Ａから複数の第１の弾性部１３Ｂ、第１の剛性部１３Ｃ、複数の第２の弾性部１３Ｄ及び第２の剛性部１３Ｅよりなる可動部分１３Ｓが基板１０の表面に沿って延在されてなる可動電極１３が設けられている。可動電極１３は基板１０と平行に配置されている。支持固定部１３Ａには内外に貫通する貫通部１３ａ、１３ａが形成され、上記検出配線部１２ａ及び上記駆動配線部１２ｂは貫通部１３ａ，１３ａ内を通過して外部に導出される。
Further, on the
上記可動電極１３では、支持固定部１３Ａが平面的に閉じた形状、図示例では環状（リング状）に構成され、この支持固定部１３Ａの内周縁は、複数のそれぞれ帯状に構成された第１の弾性部１３Ｂの外周端に接続され、当該第１の弾性部が内側に延在している。複数の第１の弾性部１３Ｂの内周端は、平面的に閉じた形状、図示例では環状に構成された第１の剛性部１３Ｃの外周縁に接続されている。第１の剛性部１３Ｃの内周縁は、複数の帯状に構成された第２の弾性部１３Ｄの外周端に接続され、当該第２の弾性部１３Ｄは内側に延在している。複数の第２の弾性部１３Ｄの内周端は、図示円形に形成された第２の剛性部１３Ｅの外終縁に接続されている。複数の第１の弾性部１３Ｂ及び複数の第２の弾性部１３Ｄは、幅が限定した状態で形成されることにより、第１の弾性部１３Ｂ及び第２の弾性部１３Ｄの図示上下方向の撓み変形に対する弾性が第１の剛性部１３Ｃ及び第２の剛性部１３Ｅのいずれの図示上下方向の撓み変形に対する弾性よりも大きく、同撓み変形に対する剛性が第１の剛性部及び第２の剛性部のいずれの同撓み変形よりも低くなっている。
In the
図示例の場合、環状の第１の剛性部１３Ｃは、上記環状の駆動電極１２Ｂとほぼ対応する形状を有し、半径方向の幅は駆動電極１２Ｂと同幅か若しくはやや小さな幅を有するように構成され、その結果、第１の剛性部１３Ｃは駆動電極１２Ｂの全面に対向するようになっている。また、円形の第２の剛性部１３Ｅは、上記円形の検査電極１２Ａとほぼ対応する形状を有し、半径は検査電極１２Ａと同様か若しくはやや小さな幅を有するように構成され、その結果、第２の剛性部１３Ｅは検査電極１２Ｂの前面に対向するようになっている。
In the case of the illustrated example, the annular first
上記の第１の剛性部１３Ｃと第２の剛性部１３Ｅは同心状に形成され、第２の剛性部１３Ｅを中心に、複数（図示例では４つ）の第１の弾性部１３Ｂ及び複数（図示例では４つ）の第２の弾性部１３Ｄがそれぞれ放射状に伸びるように形成される。ここで、第２の剛性部１３Ｅの中心点から見た第１の弾性部１３Ｂの形成方位と、第２の弾性部１３Ｄの形成方位とが相互に異なるように構成される。具体的には、複数の第１の弾性部１３Ｂは等角度間隔（図示例では９０度間隔）で形成され、複数の第２の弾性部１３Ｄも等角度間隔（図示例では９０度間隔）で構成されているが、第１の弾性部１３Ｂと第２の弾性部１３Ｄとが相互に４５度ずれた方位に存在するように構成される。これによって、第１の弾性部１３Ｂ及び第２の弾性部１３Ｄの支持方位が分散され、全体として安定した支持状態を得ることができる。特に、図示例ではそれぞれの弾性部が等角度間隔に配置されるので、バランスの取れた振動状態を得ることができる。また、バランス不良等に起因する不要な振動モード（例えば、第１の剛性部１３Ｃが周回方向に撓む振動態様を有するものなど）の発生を抑制できる。さらに、後述するように、製造過程におけるスティッキングの発生をより低減することができる。
The first
上記構成により、複数の第１の弾性部１３Ｂ、第１の剛性部１３Ｃ、複数の第２の弾性部１３Ｄ及び第２の剛性部１３Ｅを有する可動部分１３Ｓは、図３に示すものと同様の２自由度の弾性振動系を構成する。ここで、当該弾性振動系においても、上記式（１）、（２）、（３）及び（４）に示す式が成立し、図２に示す特性を有する。ただし、この場合のばね定数ｋ１、ｋ２、質量ｍ１、ｍ２は、上記複数の第１の弾性部１３Ｂ及び複数の第２の弾性部１３Ｄのばね定数、並びに、上記第１の剛性部１３Ｃ及び第２の剛性部１３Ｅの質量と正確に一致するわけではなく、あくまでも、可動部分１３Ｓにおける等価ばね定数、並びに、等価質量である。これは、可動部分１３Ｓの各部１３Ｂ〜１３Ｅがそれぞれ独立に弾性変形し、独立の質量として存在するわけではなく、上記等価ばね定数及び等価質量は、可動部分１３Ｓの全体の形状や他の部分の形状及び弾性に影響を受けるとともに、支持固定部１３Ａの形状や弾性の影響をも受けるからである。
With the above configuration, the
したがって、本実施形態によれば、駆動電極１２Ｂにより第１の剛性部１３Ｃに静電励振力を与えると２自由度の弾性振動系が振動し、これによって生じた第２の剛性部１３Ｅの振動変位を検出電極１２Ａにより静電的に検出することで、電気的振動子を構成することができる。この場合、駆動電極１２Ｂにより第１の剛性部１３Ｃに及ぼされる静電励振力の励振周波数ｆ＝ω／（２π）を弾性振動系のうち第２の剛性部１３Ｅと第２の弾性部１３Ｄの固有振動数の近傍とすることにより、第１の剛性部１３Ｃの振幅ｕ１を第２の剛性部１３Ｅの振幅ｕ２より大幅に小さくすることができる。通常、図２に示す周波数範囲Ｐ内であれば振幅ｕ１が振幅ｕ２より小さくなり、第１の剛性部１３Ｃの振動が抑制されるので、支持体１３Ａ側への振動漏れを低減することができる。この場合、第１の剛性部は励振力を吸収する吸収部として機能し、第２の剛性部は上記励振力に起因して振動する振動部として機能する。なお、上記弾性振動系の特性上、等価質量ｍ１をｍ２より大きくすると振動漏れの防止効果を高めることができる。
Therefore, according to the present embodiment, when an electrostatic excitation force is applied to the first
次に、図９を参照して、上記実施形態の製造方法について説明する。この実施形態では、図９（ａ）に示すように、半導体基板１０の表面上に酸化シリコン等よりなる第１の絶縁膜１１Ｓを熱酸化法等で形成し、その上に、窒化シリコン等よりなる第２の絶縁膜１１ＮをプラズマＣＶＤ法等で形成する。当該第２の絶縁膜１１Ｎは製造上の都合により形成するもので、本製造方法における後述するリリース工程のエッチング処理に耐性を有する素材で構成される。第２の絶縁膜１１Ｎは、基板１０の表面上において後述する静電振動子の振動子構造体を形成する領域にのみ島状に形成される。
Next, with reference to FIG. 9, the manufacturing method of the said embodiment is demonstrated. In this embodiment, as shown in FIG. 9A, a first
次に、図９（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜１１Ｎ上に導電性シリコン等の導電層１２をＣＶＤ法等で成膜し、レジスト塗布・露光・現像によるパターニングマスクの形成工程、及び、当該パターニングマスクを用いたエッチング工程を含むパターニング処理でパターニングすることで、上記検出電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂを形成する。また、この工程では、上記支持固定部１３Ａの下層部分となるべき環状の支持層１２Ｃが同時に形成される。
Next, as shown in FIG. 9B, a
その後、図９（ｃ）に示すように、ＰＳＧ（リンドープガラス）等よりなる犠牲層１４をＣＶＤ法等で成膜し、上記と同様のパターニング処理を施して、検出電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂを覆い、特に上記検出配線部１２ａ及び駆動配線部１２ｂを覆う被覆部１４ａを備えた所定のパターン形状とする。なお、この工程において、犠牲層１４の表面（上面）を化学機械研摩（ＣＭＰ；Chemical and Mechanical Polishing）等で平坦化してもよい。この表面平坦化工程で犠牲層１４の表面を平坦化することで、後に形成する可動電極１３の下面を平坦化することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 9C, a
さらに、図９（ｄ）に示すように、上記犠牲層１４上から第２の絶縁膜１１Ｎ上にかけて導電性ポリシリコン等の導電体を成膜し、上記と同様のパターニング処理を施すことにより可動電極１３を形成する。このとき、可動電極１３の支持固定部１３Ａは、上記支持層１２Ｃ上に上記導電体が積層されることにより形成される。また、当該支持固定部１３Ａには、上記犠牲層１４の被覆部１４ａを反映した貫通部１３ａが形成される。
Further, as shown in FIG. 9 (d), a conductive material such as conductive polysilicon is formed over the
その後、上記犠牲層１４をフッ酸系のエッチャントを用いたエッチング処理（例えば、緩衝フッ酸を用いたウエットエッチング）等でエッチングすることで、可動電極１３の可動部分１３Ｓを基板１０上から分離するリリース工程を実施する。これにより、可動部分１３Ｓと検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂとが離間され、図６に示す上述の静電振動子の振動子構造体が形成される。
Thereafter, the
上記リリース工程では、上記のエッチング処理の終了後に、水洗、乾燥の各処理を行うが、乾燥時においては、犠牲層１４が除去された空間を満たしている水の表面が乾燥の進行に伴って低下していく過程で、表面張力によって上層の可動電極１３の可動部分１３Ｓが下方へ引き寄せられ、最終的に当該下同部分１３Ｓが検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂの表面に貼り付いてしまうといったスティッキングが発生する虞がある。しかしながら、本実施形態では、第１の剛性部１３Ｃ及び第２の剛性部１３Ｅが複数の第１の弾性部１３Ｂ及び複数の第２の弾性部１３Ｄによって支持され、しかも、これらの各弾性部が分散して設けられているので、スティッキングの発生を抑制し、防止することができる。
In the release step, each of the water washing and drying is performed after the etching process is finished. At the time of drying, the surface of the water filling the space from which the
次に、図７及び図８を参照して第２実施形態の静電振動子について説明する。図７は第２実施形態の下層構造を示す平面図、図８は第２実施形態の縦断面図である。ここで、図７は第１実施形態を示す図５に相当する図であり、図８は第１実施形態の図６に相当する図である。ここで、図７において、下層構造の検査電極及び駆動電極は図示実線で、上層構造の可動電極は図示二点鎖線でそれぞれ示す。 Next, the electrostatic vibrator of the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a plan view showing a lower layer structure of the second embodiment, and FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the second embodiment. Here, FIG. 7 is a diagram corresponding to FIG. 5 showing the first embodiment, and FIG. 8 is a diagram corresponding to FIG. 6 of the first embodiment. Here, in FIG. 7, the inspection electrode and the drive electrode of the lower layer structure are indicated by a solid line in the drawing, and the movable electrode of the upper layer structure is indicated by a two-dot chain line in the drawing.
本実施形態の静電振動子は、上記第１実施形態とは異なり、基板１０上に形成された検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂが独立した島状に構成され、当該電極層と同じ平面高さにおいて検査配線部及び駆動配線部が形成されていない。そして、その代わりに、上記検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂの下層に絶縁膜を介して検査配線部１２ａ′及び駆動配線部１２ｂ′が形成されている。これによって、第１実施形態のように、検査配線部１２ａを通過させるために駆動電極１２Ｂに切り欠き部１２ｃを形成したり、検査配線部１２ａや駆動配線部１２ｂを通過させるために支持固定部１３Ａに貫通部１３ａを形成したりする必要がなくなる。
Unlike the first embodiment, the electrostatic vibrator of the present embodiment is configured in an island shape in which the
図示例では、絶縁膜１１（第１の絶縁膜１１Ｓ又は第２の絶縁膜１１Ｎ）の下に上記検査配線部１２ａ′及び駆動配線部１２ｂ′が形成されている。具体的には、基板１０の表層部に不純物領域を形成することで、上記検査配線部１２ａ′及び駆動配線部１２ｂ′を構成することができる。
In the illustrated example, the
図１０には第２実施形態の製造方法を示す工程断面図を示す。この第２実施形態では、図１０（ａ）に示すように、基板１０の表層部にイオン注入法、不純物拡散法などにより不純物領域を形成して導電性を付与し、検査配線部１２ａ′及び駆動配線部１２ｂ′を形成する。その後、第１実施形態と同様の第１の絶縁膜１１Ｓ及び第２の絶縁膜１１Ｎを形成し、さらにその後、絶縁膜１１の一部に、上記検査配線部１２ａ′及び駆動配線部１２ｂ′の一部を露出させる開口部１１ａ、１１ｂを形成する。
FIG. 10 is a process sectional view showing the manufacturing method of the second embodiment. In the second embodiment, as shown in FIG. 10A, an impurity region is formed in the surface layer portion of the
次に、図１０（ｂ）に示すように導電層１２を成膜し、パターニングにより島状の検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂを形成する。このとき、検査電極１２Ａは上記開口部１１ａを通して検査配線部１２ａ′と導電接続され、駆動電極１２Ｂは上記開口部１１ｂを通して駆動配線部１２ｂ′と導電接続される。また、第１実施形態と同様の支持層１２Ｃも形成される。次に、図１０（ｃ）に示すように検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂを覆う犠牲層１４を形成する。その後、当該犠牲層１４の表面を化学機械研摩等により一旦平坦化する。ただし、この犠牲層１４の表面平坦化工程は上記と同様に必ずしも実施しなくても構わない。
Next, as shown in FIG. 10B, a
次に、図１０（ｄ）に示すように、上記の犠牲層１４上に前述と同様の可動電極１３を形成する。この可動電極１３の支持固定部１３Ａは第１実施形態と同様に支持層１２Ｃに導電体が積層されることによって形成されるが、上述のように検査配線層１２ａ′及び駆動配線層１２ｂ′は絶縁膜１１の下層を通過するので、第１実施形態の貫通部１３ａを必要としない。
Next, as shown in FIG. 10D, the
最後に、第１実施形態と同様にリリース工程を実施し、図８に示すように、上記犠牲層１４を除去して可動電極１３の可動部分１３Ｓを検査電極１２Ａ及び駆動電極１２Ｂと離間させる。このリリース工程でも、第１実施形態と同様に、スティッキングの抑制、防止を図ることができる。
Finally, a release process is performed in the same manner as in the first embodiment, and as shown in FIG. 8, the
本実施形態では、第１実施形態とは異なり、検査配線部１２ａ′及び駆動配線部１２ｂ′が絶縁膜１１の下層を通過するので、駆動電極１２Ｂに切り欠き部１２ｂを形成したり、支持固定部１３Ａに貫通部１３ａを形成する必要がないので、第１の剛性部１３Ｃと駆動電極１２Ｂとを全面的に対向配置させることができ、第２の剛性部１３Ｅと検査電極１２Ａとを全面的に対向配置させることができるので、駆動効率及び検出効率を高めることができるとともに、第１の剛性部１３Ｃ及び第２の剛性部１３Ｅをより安定的に振動させることが可能となる。
In the present embodiment, unlike the first embodiment, since the
尚、本発明の静電振動子は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、一体の可動電極１３の可動部分１３Ｓを局所的に細幅に構成して弾性を高める方法で第１の弾性部１３Ｂ及び第２の弾性部１３Ｄを形成しているが、当該可動部分に開口領域を形成したり薄く構成したりすることで弾性部の弾性を高めてもよい。また、当然のことではあるが、剛性部１３Ｃ、１３Ｅと弾性部１３Ｂ、１３Ｄを別の素材で構成することにより、相互の弾性を異ならせるようにしてもよい。
The electrostatic vibrator according to the present invention is not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, the first
さらに、上記実施形態では半導体基板を用いることで、半導体回路と一体的に静電振動子を構成する場合に好適な構成となっているが、支持体である基板を、ガラス、石英、セラミックス、合成樹脂などの他の素材で構成しても構わない。また、絶縁膜１１は、基板が半導体や導体である場合、或いは、基板は絶縁体であるが表面上に導体パターンなどの導電体が存在している場合には必要となるが、基板が絶縁体で導体パターンなども存在しない場合には不要である。 Furthermore, in the above-described embodiment, a semiconductor substrate is used, so that the structure is suitable when an electrostatic vibrator is configured integrally with a semiconductor circuit, but the substrate as a support is made of glass, quartz, ceramics, You may comprise with other raw materials, such as a synthetic resin. The insulating film 11 is necessary when the substrate is a semiconductor or a conductor, or when the substrate is an insulator but a conductor such as a conductor pattern is present on the surface. This is not necessary when there is no conductor pattern in the body.
また、上記実施形態では第１の剛性部が環状、第２の剛性部が円形の平面形状を備えているが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、たとえば、第１の剛性部が矩形枠状、楕円リング状、長円リング状であってもよく、第２の剛性部が矩形状、楕円状、長円状であってもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the 1st rigid part is cyclic | annular and the 2nd rigid part is provided with circular planar shape, this invention is not limited to such an aspect, For example, 1st The rigid portion may be a rectangular frame shape, an elliptical ring shape, or an oval ring shape, and the second rigid portion may be a rectangular shape, an elliptical shape, or an oval shape.
１…支持体（基板）、２…第１の弾性体、３…第１の剛性体、４…第２の弾性体、５…第２の剛性体、６…駆動電極、７…検出電極、１０…半導体基板、１１…絶縁膜、１１Ｓ…第１の絶縁膜、１１Ｎ…第２の絶縁膜、１２…導体層、１２Ａ…検査電極、１２ａ、１２ａ′…検査配線部、１２Ｂ…駆動電極、１２ｂ、１２ｂ′…駆動配線部、１２ｃ…切り欠き部、１３…可動電極、１′、１３Ａ…支持固定部、１３ａ…貫通部、１３Ｂ…第１の弾性部、１３Ｃ…第１の剛性部、１３Ｄ…第２の弾性部、１３Ｅ…第２の剛性部、１４…犠牲層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該支持体に対して外周側から複数の第１の弾性部を介して接続され、平面的に閉じた形状を有する第１の剛性部、及び、該第１の剛性部に対して外周側から複数の第２の弾性部を介して接続され、前記第１の剛性部の内側に配置された第２の剛性部を有する可動電極と、
前記第１の剛性部に対向配置され、前記第１の剛性部に励振力を及ぼす駆動電極と、
前記第２の剛性部に対向配置され、前記第２の剛性部の振動変位を検出する検出電極と、
を具備し、
複数の前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部の前記駆動電極及び前記検出電極と対向する方向の撓み変形により前記第１の剛性部及び前記第２の剛性部がそれぞれ振動変位可能とされた２自由度の弾性振動系を構成することを特徴とする静電振動子。 A support;
A first rigid portion connected to the support body from the outer peripheral side through a plurality of first elastic portions and having a planarly closed shape, and from the outer peripheral side to the first rigid portion A movable electrode connected via a plurality of second elastic portions and having a second rigid portion disposed inside the first rigid portion;
A drive electrode disposed opposite to the first rigid portion and exerting an excitation force on the first rigid portion;
A detection electrode disposed opposite to the second rigid portion and detecting a vibration displacement of the second rigid portion;
Comprising
The first rigid portion and the second rigid portion can be displaced by vibration by bending deformation of the plurality of first elastic portions and the second elastic portions in the direction facing the drive electrodes and the detection electrodes, respectively. An electrostatic vibrator comprising the elastic vibration system having two degrees of freedom.
前記弾性振動系の一次の固有周波数と二次の固有周波数との間であって、前記第１の剛性部の振幅ｕ１が前記第２の剛性部の振幅ｕ２より小さくなる条件を満たす周波数範囲内の励振周波数で前記第１の剛性部に前記励振力を与えて前記静電振動子を動作させることを特徴とする静電振動子の使用方法。 A method for using the electrostatic vibrator according to any one of claims 1 to 5,
A frequency range between a primary natural frequency and a secondary natural frequency of the elastic vibration system and satisfying a condition in which an amplitude u1 of the first rigid portion is smaller than an amplitude u2 of the second rigid portion. A method of using an electrostatic vibrator, wherein the electrostatic vibrator is operated by applying the excitation force to the first rigid portion at an excitation frequency of.
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