JP5118546B2 - 電気式微小機械スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、電気式微小機械装置（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）に関する。

従来の電気式微小機械装置（ＭＥＭＳ）におけるアクチュエータは、アクチュエータの駆動部となる駆動アームが基板上に支持され、基板と駆動アームに設けられた静電用電極の一方に正電圧を印加し、他方の静電用電極に負電圧を印加することで、これによって生じる静電気力を用いて駆動アームを基板側に引き寄せるようになっている。また、駆動アームに圧電体層及び圧電駆動電極を設けることにより、圧電力を用いて駆動アームを基板側に引き寄せる構成が知られている。

例えば、特開２００５−３０２７１１号公報には、低電圧で高速駆動が可能なアクチュエータ及びこれを用いた高周波スイッチが開示されている。具体的には、当該公報記載のアクチュエータは、少なくとも表面が絶縁化された基板と、この基板に少なくとも１カ所が支持された駆動アームと、基板および駆動アームにそれぞれ対向する位置に設けられた静電用電極と、この静電用電極に電圧を印加する第１の電圧印加手段とを備える。そして、駆動アームに対してさらに圧電体層の上下面に電極を有する圧電駆動電極を設け、この圧電駆動電極に電圧を印加する第２の電圧印加手段を設けた構成となっている。また、当該公報記載の高周波スイッチでは、駆動アームを上下に駆動させることで、駆動アームの先端に設けられた接続電極と、基板に設けられた端子電極との接続を制御するようになっている。
特開２００５−３０２７１１号公報

しかしながら、異種材料を組み合わせて駆動部を形成した場合、材料の持つ応力によって反りが生じてしまい、電気特性（例えば、駆動電圧、高周波特性など）のばらつきが大きくなる。例えば上記公報記載の高周波スイッチでは、駆動部に反りが生じることで、接続電極と端子電極との距離を一定に保つことができず、スイッチング電圧にばらつきが生じてしまう。

また、ＭＥＭＳには、穴（開口部）を設けた中空構造を有するものもあるが、穴の上に例えば信号線などを架橋させる場合には、その強度が問題となる。

従って、本発明の目的は、材料の応力による反りの影響を抑えることができる電気式微小機械スイッチを提供することである。

また、本発明の他の目的は、材料の応力による反りの影響を抑えつつ、信号線を補強可能な構造を有する電気式微小機械スイッチを提供することである。

本発明に係る電気式微小機械スイッチは、開口部を有する基板と、圧電体層と当該圧電体層の上下に電極層とを有する圧電駆動部が一方の面に形成され且つ少なくとも一端が基板に固定された駆動アームと、信号線と当該信号線の下部の一部に駆動アームと同じ層とを有し且つ少なくとも一端が基板に固定された固定アームとを有する。そして、駆動アーム及び固定アームが、基板の開口部の一部を覆っており、固定アームにおける信号線が、駆動アーム上に延伸しており、駆動アームと重なる部分において駆動アームと接することができるようになっているものである。

このように固定アームが駆動アームと同じ層を有するような構成となれば、駆動アームの反りと同程度の反りが固定アームにも生じるため、材料の応力による影響を抑えることができる。なお、例えば固定アームにおいて駆動アームと同じ層を有する部分を調整したり、両端支持構造又は片側支持構造を適宜選択することにより、反りの量を調整することができる。さらに、信号線の下部の一部に駆動アームと同じ層とを有するので、信号線を補強することができる。

また、駆動アームが、電極層に印加される電圧によって圧電体層に従って信号線に接するように駆動されるようにしてもよい。

また、固定アームが、駆動アームと重なる部分以外の部分に駆動アームと同じ層を有するようにしてもよい。信号線を架橋させる部分を最小限にすることができるので、より信号線を補強することができる。

また、固定アームが、駆動アームとねじれの関係になるように又は駆動アームと直列の関係になるように駆動アーム上に延伸する場合もある。

本発明によれば、材料の応力による反りの影響を抑えることができる電気式微小機械スイッチを実現できる。

また、本発明の他の側面によれば、材料の応力による反りの影響を抑えつつ、信号線を補強可能な構造を有する電気式微小機械スイッチを実現できる。

図１に、本発明の実施の形態の前提となるアクチュエータの構成を示す上面図を示す。具体的には、基板１１の上には圧電体層の下部電極層となるグランド１２が形成されており、グランド１２には接続のための電極１２ｆが形成されている。なお、同じハッチングは同じ層を示している。さらにグランド１２の上には、圧電体層の上部電極層１８が形成されている。なお、上部電極層１８には、接続のための電極１８ｆが設けられている。駆動アーム１４は、第１のカンチレバー１４ａと、第２のカンチレバー１４ｂと、接点１４ｃと、ヒンジ部１４ｄ及び１４ｅとを有する。

信号線１３ａは、一端が基板１に支持され、駆動アーム１４と穴１５との一部を覆うように延伸している。同様に、信号線１３ｂは、一端が基板１に支持され、駆動アーム１４と穴１５との一部を覆うように延伸している。信号線１３ａと信号線１３ｂとは、接点１４ｃ上で切断されており、上下対称となっている。そして、信号線１３ａ及び１３ｂの左右には、それらと平行に、駆動アーム１４と穴１５とを架橋するようにグランド線１７ａ及び１７ｂが形成されている。なお、図２は、信号線１３ａ及び１３ｂを取り除き、上面図における点線枠２０内を拡大したものである。

図３（ａ）に、上面図（図１）のＡ−Ａ’線での概略断面図を示す。駆動アーム１４の接点１４ｃは、基板１１の一部の層１１ｃと、グランド層１２ｃと、ＰＺＴ（Pb(ZrTi)O₃）等の圧電体層１６ｃと、上部電極層１８ｃとで構成される。なお、図３（ａ）の断面図では示されていないが、第１のカンチレバー１４ａは、基板１１の一部の層１１ａと、グランド層１２ａと、ＰＺＴ（Pb(ZrTi)O₃）等の圧電体層１６ａと、上部電極層１８ａとで構成される。同様に、第２のカンチレバー１４ｂは、基板１１の一部の層１１ｂと、グランド層１２ｂと、ＰＺＴ（Pb(ZrTi)O₃）等の圧電体層１６ｂと、上部電極層１８ｂとで構成される。信号線１３ａは、一端が基板１１に支持され、接点１４ｃの一部と穴１５とを覆うように延伸している。同様に、信号線１３ｂも、一端が基板１１に支持され、接点１４ｃの一部と穴１５とを覆うように延伸している。

そして、第１及び第２のカンチレバー１４ａ及び１４ｂに電圧を印加することにより、駆動アーム１４を駆動させ、接点１４ｃと信号線１３ａ及び１３ｂとを接触させる。具体的には、グランド層１２ａ及び１２ｂに負電圧を印加し、上部電極層１８ａ及び１８ｂに正電圧を印加することにより、駆動アームを引き上げる。アクチュエータをスイッチトとすると、接点１４ｃと信号線１３ａ及び１３ｂとが接触することで導通する。なお、ヒンジ部１４ｄ及び１４ｅによって、適切な形で接点１４ｃが信号線１３ａ及び１３ｂに接触するようになる。

しかし、第１のカンチレバー１４ａ及び第２のカンチレバー１４ｂには反りが生じるため、駆動アーム１４全体が反ることになる。例えば長さ５００μｍのカンチレバーでは、数十〜百μｍ程度の反りが生じる。すなわち、接点１４ｃの位置は、実際には、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）で示した位置よりも下がった位置になる。なお、図３（ｂ）における長さＭは、反りの量を示す。

例えば図１乃至図３（ｂ）に示したようなアクチュエータを用いた電気式微小機械スイッチ（以下、ＭＥＭＳスイッチと呼ぶ場合もある）では、一般的に信号線１３ａ及び１３ｂと接点１４ｃとの距離（長さＬ）を１０μｍ以下に制御しなければならないが、第１のカンチレバー１４ａ及び第２のカンチレバー１４ｂに反りが生じるため、信号線１３ａ及び１３ｂと接点１４ｃとの距離を一定に保つことができず、スイッチング電圧にばらつきが生じる。

そこで、本発明の実施の形態では、図４及び図５に示すような構成を採用する。以下、本発明の実施の形態について説明する。

図４に、本発明の実施の形態におけるアクチュエータを用いた電気式微小機械スイッチの上面図を示す。例えば、Ｓｉの基板１の表面には、ＳｉＯ₂の絶縁層が形成され、その上には、下部電極層となるグランド２が形成されている。また、基板１及びグランド２の上には上部電極層８が形成されている。なお、同じハッチングは同じ層を示している。駆動アーム４は、信号線３ｃ及び３ｄと接する接触部４ｃと、接触部４ｃとヒンジ部４ｄを介して接続される第１のカンチレバー４ａと、接触部４ｃとヒンジ部４ｅを介して接続される第２のカンチレバー４ｂとを有しており、穴５を架橋するように設けられている。なお、層の構成としては、駆動アーム４は、基板１の一部の層（図４ではグランド２によって隠れている）と、グランド２の層と、ＰＺＴ等の圧電体層６（図４では上部電極層８によって隠れている）と、上部電極層８とを有する。また、ヒンジ部４ｄ及び４ｅにおいては、ヒンジの機能を有効に果たすために穴が形成されている。

第１の固定アーム３ａは、一端が基板１に支持され、駆動アーム４の接触部４ｃの一部と穴５の一部とを覆うように延伸している。そして、第１の固定アーム３ａの先端（支持部と反対側）の部分は、幅が除々に狭くなるように形成されている。同様に、第２の固定アーム３ｂは、一端が基板１に支持され、駆動アーム４の接触部４ｃの一部と穴５の一部とを覆うように延伸している。そして、第２の固定アーム３ｂの先端（支持部と反対側）の部分は、幅が除々に狭くなるように形成されている。信号線３ｃと信号線３ｄとは、駆動アーム４の接触部４ｃ上において切断されており、第１の固定アーム３ａと第２の固定アーム３ｂとは上下対称になっている。なお、詳細は後で説明するが、第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂにおいては、信号線３ｃ及び３ｄの下部の一部に駆動アーム４と同じ層を有する。また、第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂの左右には、それらと平行に、駆動アーム４と穴５とを架橋するようにグランド線７ａ及び７ｂが形成されている。

図５（ａ）に、上面図（図４）のＣ−Ｃ’線での概略断面図を示す。図５（ａ）では、駆動アーム４は、基板１の一部の層１ｃと、グランド層２ｃと、ＰＺＴ（Pb(ZrTi)O₃）等の圧電体層６ｃと、上部電極層８ｃとで構成される。なお、駆動アーム４の構成は、基本的には、前提となるアクチュエータの構成と同じである。また、図５（ａ）の断面図では示されていないが、第１のカンチレバー４ａは、基板１の一部の層１ａと、グランド層２ａと、ＰＺＴ（Pb(ZrTi)O₃）等の圧電体層６ａと、上部電極層８ａとで構成される。同様に、第２のカンチレバー４ｂは、基板１の一部の層１ｂと、グランド層２ｂと、ＰＺＴ（Pb(ZrTi)O₃）等の圧電体層６ｂと、上部電極層８ｂとで構成される。

第１の固定アーム３ａは、基板１の一部の層１ｄと、グランド層２ｄと、圧電体層６ｄと、上部電極層８ｄと、信号線３ｃとで構成される。そして、一端が基板１に支持され、第１の固定アーム３ａの先端の部分は、信号線３ｃのみが突起するように形成されている。同様に、第２の固定アーム３ｂは、基板１の一部の層１ｅと、グランド層２ｅと、圧電体層６ｅと、上部電極層８ｅと、信号線３ｄとで構成される。そして、一端が基板１に支持され、第２の固定アーム３ｂの先端の部分は、信号線３ｄのみが突起するように形成されている。

本実施の形態においても、上で述べたように駆動アーム４には反りが生じるため、実際の駆動アーム４の位置は、図５（ｂ）に示す位置になる。一方で、本実施の形態では、第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂが、駆動アーム４と同じ層を有する構造となっているため、図５（ｂ）に示すように、第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂにも駆動アーム４と同程度の反りが生じることになる。すなわち、駆動アーム４と第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂの先端部分との距離は変わらないため、材料の応力による影響を抑えられる。なお、反りの量は、片側支持構造を両端支持構造に変更したり、穴５の大きさを変更したりすることにより、調整可能である。

また、図４に示したＭＥＭＳスイッチは、駆動アーム４を駆動させることにより、駆動アーム４の接触部４ｃと信号線３ｃ及び３ｄとが接触するようになっている。なお、駆動アーム４は、基本的には、前提となるアクチュエータと同じものであり、駆動アーム４を駆動させる仕組みについても、上で説明した仕組みと同じである。すなわち、上で説明したように、第１及び第２のカンチレバー４ａ及び４ｂに電圧を印加することにより、駆動アーム４を駆動させ、信号線３ｃ及び３ｄと接触部４ｃとを接触させる。

次に、図６乃至図９を用いて、図４及び図５に示したようなアクチュエータの製造方法を説明する。なお、図６乃至図９において、左側に示す断面図Ｂは図４のＢ−Ｂ’線での断面図を示し、右側に示す断面図Ｃは図４のＣ−Ｃ’線での断面図を示す。

図６（ａ）に示すように、表面にＳｉ層１０１、当該表面のＳｉ層１０１より下にＳｉＯ₂層１０２、そしてＳｉＯ₂層１０２の下にＳｉ層１０３が形成されているＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用いる。そして、図６（ｂ）に示すように、水又は酸素雰囲気中で、ＳＯＩウェハの上下面の表面を熱酸化させてＳｉＯ₂層１０４及び１０５を形成する。このＳｉＯ₂層１０４は、図４に示した、基板１の表面の絶縁層である。その後、図６（ｃ）に示すように、スパッタによって圧電体層の下部電極層となるＰｔ／Ｔｉ層１０６をＳｉＯ₂層１０４の上に形成する。

そして、図６（ｄ）に示すように、ＳＯＩウェハを回転させ、ＰＺＴゾルゲルの成膜を１μｍ程度行って、ＰＺＴ圧電体層１０７をＰｔ／Ｔｉ層１０６の上に形成する。次に、図６（ｅ）に示すように、再度スパッタによって圧電体層の上部電極となるＰｔ／Ｔｉ層１０８をＰＺＴ圧電体層１０７の上に形成する。ここまでは、断面図Ｂ及び断面図Ｃ共に変わりない。

次に、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、ポジ型のレジストの場合は感光した部分、ネガ型のレジストの場合は感光しなかった部分のレジストを除去して、図７（ａ）に示すように、Ｐｔ／Ｔｉ層１０８及びＰＺＴ圧電体層１０７をエッチングするためのレジスト層１０９を形成する。断面図Ｂでは、第１及び第２のカンチレバー４ａ及び４ｂと、接触部４ｃとを切断するため、２つの溝１１０ａ及び１１０ｂが形成される。一方、断面図Ｃでは、第１及び第２の固定アーム３ａ及び３ｂと、接触部４ｃとを切断するため、２つの溝１１２ａ及び１１２ｂが形成される。

そして、図７（ｂ）に示すように、エッチングでレジスト層１０９が形成されていない部分のＰｔ／Ｔｉ層１０８及びＰＺＴ圧電体層１０７が削られ、その後レジスト層１０９が除去される。次に、下部電極層であるＰｔ／Ｔｉ層１０６と、ＳｉＯ₂層１０４と、Ｓｉ層１０１と、ＳｉＯ₂層１０２とを加工するために、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、感光した部分又は感光しなかった部分のレジストを除去して、図７（ｃ）に示すように、レジスト層１１１を形成する。なお、断面図Ｂでは、上部全面にレジスト層１１１が形成されるが、断面図Ｃでは、第１及び第２の固定アーム３ａ及び３ｂと、接触部４ｃとを切断するために、２つの溝１１２ａ及び１１２ｂが形成される。

その後、図７（ｄ）に示すように、エッチングで、レジスト層１１１が形成されていない部分のＰｔ／Ｔｉ層１０６と、ＳｉＯ₂層１０４と、Ｓｉ層１０１と、ＳｉＯ₂層１０２とが削られ、その後レジスト層１１１が除去される。なお、ヒンジ部４ｄ及び４ｅについてはここでは説明を省略している。このヒンジ部４ｄ及び４ｅを形成するためには、図７（ｃ）の段階で断面図Ｂにもレジストが形成されない部分が適切に形成される必要がある。

次に、Ａｕの信号線３ｃ及び３ｄを形成する前段階として、図７（ｅ）に示すように、溝１１０ａ及び１１０ｂと、溝１１２ａ及び１１２ｂとに埋め込み用レジスト１１３を塗布する。そして、信号線３ｃ及び３ｄを形成するために、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、感光した部分又は感光しなかった部分のレジストを除去して、図８（ａ）に示すように、犠牲層１１４を形成する。犠牲層１１４は、図５（ａ）に示した長さＬを実現するための厚みを有する。その後、図８（ｂ）に示すように、犠牲層１１４の上に、スパッタで、Ａｕ層１１５を形成する。

そして、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、感光した部分又は感光しなかった部分のレジストを除去して、図８（ｃ）に示すように、レジスト層１１６を形成する。断面図Ｂでは、Ａｕ層１１５のうちＡｕ層１１５ａのみが信号線として用いられるため、Ａｕ層１１５ａの上部にのみレジスト層１１６を形成する。一方、断面図Ｃでは、信号線３ｃと信号線３ｄとに分離するために、溝１１７が形成される。その後、図８（ｄ）に示すように、エッチングで、レジスト層１１６が形成されていない部分のＡｕ層１１５を削り取る。

次に、裏面のＳｉＯ₂層１０５の下に、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、感光した部分又は感光しなかった部分のレジストを除去して、図９（ａ）に示すように、レジスト層１１８を形成する。そして、下部からエッチングを行って、図９（ｂ）に示すように、レジスト層１１８が形成されていない部分における、ＳｉＯ₂層１０５、Ｓｉ層１０３と、ＳｉＯ₂層１０２とを削り取る。

その後、埋め込み用レジスト１１３と、犠牲層１１４と、レジスト層１１６と、レジスト層１１８とを除去し、超臨界乾燥を実施すると、図９（ｃ）に示すように、完成する。断面図Ｃでは、第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂは、信号線３ｃ及び３ｄの下部に駆動アーム４と同じ層を有し、先端部分は、信号線３ｃ及び３ｄのみがそれぞれ突起するようになっている。すなわち、駆動アーム４と、第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂとに同程度の反りが生じ、駆動アーム４と第１の固定アーム３ａ及び第２の固定アーム３ｂの先端部分との距離は変わらないため、材料の応力による影響を抑えられる。また、信号線３ｃ及び３ｄの下部に駆動アーム４と同じ層を有するので、信号線３ｃ及び３ｄを補強できている。

以上述べたような製造プロセスを実施することによって、図４及び図５で示したようなアクチュエータを製造することができる。なお、レジスト層を形成する部分が異なるが、基本的には、前提となるアクチュエータの製造プロセスをそのまま応用して製造することができる。また、上で述べた各層は、特に触れなかった場合にはｎｍレベルの厚さとなる。

以上本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば細かい構造は、全て同じでなければならないわけではない。ヒンジ部の構造は、他のヒンジ構造を採用することも可能である。

また、上では、固定アームと駆動アームとがねじれの関係になるようなＭＥＭＳスイッチを例に説明したが、図１０に示すような構造に変形することも可能である。なお、図１０は上面図である。図１０では、駆動アーム２４ｂは、一端が基板２１に支持され、穴２５を覆うように延伸している。そして、固定アーム２４ａは、一端が基板２１に支持され、固定アーム２４ａの先端（信号線２３ａ）が駆動アーム２４ｂの先端を覆うように形成されている。すなわち、固定アーム２４ａと駆動アーム２４ｂとが直列に形成されている。より具体的には、基板２１の表面には、ＳｉＯ₂の絶縁層が形成され、その上には、下部電極層となるグランド２２ａ及び２２ｂが形成されている。グランド２２ａの上には圧電体層（図１０では上部電極層２８ａによって隠れている）と上部電極層２８ａとが形成されており、さらに上部電極層２８ａの上には信号線２３ａが形成されている。また、グランド２２ｂの上には圧電体層（図１０では上部電極層２８ｂによって隠れている）と上部電極層２８ｂとが形成されており、さらに上部電極層２８ｂの上には信号線２３ｂが形成されている。

図１１に、図１０のＤ−Ｄ’線での断面図を示す。図１１では、固定アーム２４ａは、一端が基板２１に支持され、基板２１の一部の層と、グランド２２ａと、圧電体層２６ａと、上部電極層２８ａと信号線２３ａとを有する。そして、固定アーム２４ａの先端の部分は、信号線２３ａのみが突起するように形成されている。また、駆動アーム２４ｂは、一端が基板２１に支持され、基板２１の一部の層と、グランド２２ｂと、圧電体層２６ｂと、上部電極層２８ｂと信号線２３ｂとを有する。そして、駆動アーム２４ｂに電圧を印加することにより、駆動アーム２４ｂを引き上げ、信号線２３ｂを信号線２３ａに接触させる。この場合においても、固定アーム２４ａ及び駆動アーム２４ｂには同程度の反りが生じることになるので、信号線２３ａと信号線２３ｂとの距離は変わらず、材料の応力による影響を抑えられる。このように、固定アームと駆動アームとの位置関係は、固定アームの信号線の先端が駆動アームと重なるようになっていればよい。

前提となるアクチュエータの上面図である。 前提となるアクチュエータの一部の拡大図である。 （ａ）乃至（ｂ）は、前提となるアクチュエータの概略断面図である。 本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの上面図である。 本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチ概略断面図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、アクチュエータの製造方法を示す図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、アクチュエータの製造方法を示す図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、アクチュエータの製造方法を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、アクチュエータの製造方法を示す図である。 ＭＥＭＳスイッチ（変形例）の上面図である。 ＭＥＭＳスイッチ（変形例）の断面図である。

符号の説明

１ 基板 ２ グランド
３ａ 第１の固定アーム
３ｂ 第２の固定アーム
３ｃ，３ｄ 信号線
４ 駆動アーム
４ａ 第１のカンチレバー
４ｂ 第２のカンチレバー
４ｃ 接触部
４ｄ，４ｅ ヒンジ部
５ 穴
７ａ，７ｂ グランド線
８ 上部電極層

Claims (4)

1. 開口部を有する基板と、
   圧電体層と当該圧電体層の上下に電極層とを有する圧電駆動部が一方の面に形成され且つ少なくとも一端が前記基板に固定された駆動アームと、
   信号線と当該信号線の下部の一部に前記駆動アームと同じ層とを有し且つ少なくとも一端が前記基板に固定された固定アームと、
   を有し、
   前記駆動アーム及び前記固定アームが、前記基板の開口部の一部を覆っており、
   前記固定アームにおける前記信号線が、前記駆動アーム上に延伸しており、前記駆動アームと重なる部分において前記駆動アームと接することができるようになっている
   電気式微小機械スイッチ。
2. 前記駆動アームが、前記電極層に印加される電圧によって前記圧電体層に従って前記信号線に接するように駆動される
   請求項１記載の電気式微小機械スイッチ。
3. 前記固定アームが、前記駆動アームと重なる部分以外の部分に前記駆動アームと同じ層を有する
   請求項１記載の電気式微小機械スイッチ。
4. 前記固定アームが、前記駆動アームとねじれの関係になるように又は前記駆動アームと直列の関係になるように前記駆動アーム上に延伸する
   ことを特徴とする請求項１記載の電気式微小機械スイッチ。

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