文獻(xiàn)綜述樣本

1、(文獻(xiàn)綜述樣本一)：無源SAW濾波器的插入損耗及常用的補(bǔ)償方法插入損耗（Insertion Loss，IL）是衡量SAW濾波器性能的重要技術(shù)指標(biāo)，所以，研究壓電材料及IDT的各個(gè)參數(shù)對(duì)器件插入損耗的影響就變得極為重要。我們知道，不管何種類型的濾波器，在理想情況下，都希望使有用信號(hào)無損耗地通過，并濾除不需要的信號(hào)。但由于受制作濾波器的材料性能、叉指結(jié)構(gòu)及制備工藝的影響，實(shí)際制作的濾波器都是有損耗和偏差的。為了表征這些損耗和偏差，常用通帶寬度、通帶插入損耗、中心頻率、群延遲、旁瓣抑制等參數(shù)來說明SAW濾波器的實(shí)際特性1相對(duì)于理想特性的偏離。此外，有些參數(shù)也顯示出相互制約的特性，如器件Q值高，窄帶濾

2、波特性好，器件Q值低，通帶內(nèi)插入損耗較大、旁瓣抑制較低。降低插入損耗的主要方法，一是改進(jìn)IDT的結(jié)構(gòu)特性，二是提高聲表面波在壓電介質(zhì)中的傳播速度，三是在具體應(yīng)用時(shí)，為了保證獲得足夠的增益，外接有源電路來對(duì)插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償。為此，對(duì)SAW濾波器的IDT結(jié)構(gòu)，高聲速的壓電材料及有源補(bǔ)償方法進(jìn)行研究，可以優(yōu)化聲表面波器件的設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于無源SAW器件插入損耗的補(bǔ)償方法，國內(nèi)外的科技人員做了大量的研究工作，這些工作主要集中在IDT結(jié)構(gòu)及制作工藝的改進(jìn)，SAW器件與外電路的匹配及壓電薄膜材料的選擇和制備等方面。A、通過改進(jìn)IDT結(jié)構(gòu)來降低SAW濾波器的插入損耗 SAW濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，而開發(fā)SA

3、W器件的關(guān)鍵技術(shù)是換能器的結(jié)構(gòu)及加工技術(shù)， 只有采取先進(jìn)而實(shí)用的IDT結(jié)構(gòu)，利用高精度的制版及光刻技術(shù)才能使其達(dá)到更高水平 2，上世紀(jì)八十年代初，K.Yamanouchi等人發(fā)明了降低SAW插入損耗的浮動(dòng)電極單向換能器3（Floating-Electrode-Type UDT，F(xiàn)EUDT），如圖1-1所示，這種結(jié)構(gòu)是在PUDT的結(jié)構(gòu)中，插入開路和短路金屬條帶（稱作浮動(dòng)電極）在每對(duì)分裂的叉指電極指中浮動(dòng)一根指條。浮動(dòng)電極的聲阻抗比自由表面的聲阻抗大，SAW被浮電極反射。反射位置與激勵(lì)位置不同，取適當(dāng)?shù)闹?，便可獲得最佳單相換能效果。當(dāng)把浮電極短路時(shí)，短路叉指電極（金屬）的聲阻抗比自由表面小，正向的

4、SAW幅度比反向的大。當(dāng)把浮電極開路和短路叉指條相結(jié)合時(shí)，它們的反射系數(shù)之間存在180的相差，可獲得更佳的單向性。 圖1-1 能降低插入損耗的浮動(dòng)電極（FEUDT）結(jié)構(gòu)Fig.1-1 The floating electrode (FEUDT) structure of reduce the insertion lossC.S.Hartmann 在1989年的IEEE超聲會(huì)議上，提出了控制電極寬度的單相單向IDT結(jié)構(gòu)（EWC/SPUDT）4，圖1-2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，三根指條組成一個(gè)叉指周期，其中，反射柵條的寬度為，也有人把反射柵條的寬度定為。通過控制反射柵條的寬度來獲得最佳的反射幅度。該結(jié)

5、構(gòu)的單向性是在每一個(gè)聲波長中，設(shè)計(jì)的SAW器件的帶寬不受基片材料的機(jī)電耦合系數(shù)限制；輸入和輸出IDT可以單獨(dú)加權(quán)，以獲得高的帶外抑制。 圖1-2 SPUDT結(jié)構(gòu)Fig.1-2 SPUDT structure 另外，在IDT結(jié)構(gòu)上，相繼發(fā)展了交錯(cuò)對(duì)插組合型叉指換能器（IIDT）結(jié)構(gòu)和鏡像阻抗連接型IDT結(jié)構(gòu)。對(duì)于IIDT，它是將常規(guī)濾波器的輸入和輸出IDT交錯(cuò)級(jí)聯(lián)起來，利用多次重復(fù)來減少IDT的雙向損耗。其存在的問題是阻帶特性會(huì)受到雜波激勵(lì)的影響與阻抗失配時(shí)聲反射增大，導(dǎo)致通帶波動(dòng)增大。而鏡像阻抗連接IDT結(jié)構(gòu)是一種雙通道IDT結(jié)構(gòu)，由兩組相同的IDT和反射器組成。當(dāng)叉指寬度固定時(shí)（一般為），I

6、DT的輸入阻抗取決于IDT指對(duì)數(shù)，有三種類型，每種類型都有不同的頻率特性。指對(duì)數(shù)N滿足時(shí)，其頻帶寬度較寬。在這一頻帶范圍內(nèi)，由IDT的靜電容產(chǎn)生的電納與IDT的聲納相抵消，耦合IDT在通帶內(nèi)的阻抗呈電阻性，使聲波能量得到完全轉(zhuǎn)移，從而降低插入損耗。當(dāng)時(shí)，總電納呈容性；當(dāng)時(shí)，總電納呈感性。對(duì)于這兩種情況，在濾波器通帶內(nèi)可觀察較大的通帶波動(dòng)。在IDT的外側(cè)增加反射金屬指條，合理選擇反射器與輸入或輸出IDT第一根叉指中心的距離，使 ，這樣，就可以形成諧波腔體來限制聲波能量。通過IDT的鏡像阻抗連接，可獲得較陡的過渡帶、帶外抑制和通帶平頂特性。可以增加重復(fù)級(jí)數(shù)，消除雙向性，減少插入損耗，重復(fù)級(jí)數(shù)越多，

7、插入損耗越小。B、通過外接有源電路來補(bǔ)償SAW濾波器的插入損耗在電視播放設(shè)備中，為了補(bǔ)償射頻信號(hào)經(jīng)SAW濾波器濾波后產(chǎn)生的插入損耗，專門設(shè)置了前置中放。例如5，在單次變頻的數(shù)字電視調(diào)諧器中，混頻器輸出的信號(hào)經(jīng)過聲表面波濾波器后產(chǎn)生了很大的衰減，幅度無法滿足后級(jí)電路的要求，為此，在聲表面波濾波器的前面加上一級(jí)放大電路來補(bǔ)償聲表面波濾波器的插入損耗。而在GPS和微波系統(tǒng)6中使用微波有源濾波器，利用有源器件的負(fù)阻特性去抵消諧振電路的損耗來改善Q值，與無源濾波器相比，有源濾波器的性能價(jià)格比高，能有效地解決通帶寬度與插入損耗之間的矛盾，在確定的通帶帶寬內(nèi)能補(bǔ)償損耗，使選擇性得到提高7。上述所列的通過外接

8、放大器來補(bǔ)償SAW濾波器的插入損耗及利用有源器件的負(fù)阻特性去抵消諧振電路的損耗來改善Q值等方法雖然改善了濾波器的性能，但其明顯的不足是體積大，需要PCB板的支持，由于放大電路由PCB板承載，不但其抗電磁干擾能力降低，而且還會(huì)對(duì)周圍電路產(chǎn)生干擾，另外一個(gè)不足是外電路的調(diào)試受電路元件的寄生參數(shù)，分布參數(shù)及電路元件一次性特性和可重復(fù)性加工等因素的影響，調(diào)試難度增加、可重復(fù)性降低、生產(chǎn)工序增加、工藝變復(fù)雜，不利于設(shè)備可靠性的提高。為此，研究有源SAW濾波器的方法就是如何把用于補(bǔ)償和匹配的有源電路與無源SAW器件進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，在基本不增加器件封裝體積的情況下（因?yàn)橛性措娐沸酒拿娣e很?。⑵浞庋b在一起

9、。由于SAW器件和有源補(bǔ)償電路是采用標(biāo)準(zhǔn)化工藝生產(chǎn)的，可重復(fù)性高，性能穩(wěn)定，這樣，既可降低外接電路帶來的體積增大，調(diào)試?yán)щy，又解決高頻電路帶來的電磁干擾問題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)插入損耗的補(bǔ)償及外電路的匹配。為了實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償損耗這個(gè)目的，本文擬從壓電材料的制備（高擇優(yōu)取向的AlN薄膜）、IDT結(jié)構(gòu)及算法的改進(jìn)、有源放大電路的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面來進(jìn)行研究。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在2007年，貴州大學(xué)的劉橋等人使用AlN壓電薄膜作為聲表面波傳播載體，結(jié)合MOS 集成電路工藝，在制作SAW濾波器的IDT叉指結(jié)構(gòu)時(shí)集成MOS 單元電路,利用MOS管的高輸入阻抗及溝道電阻來提高有源 SAW 濾波器的增益和匹配有源SAW濾波器的外

10、電路損耗8，這就是研究思路的根據(jù)所在。參考文獻(xiàn)：1 XU Fang qianAstudy based up on variational principle of the properties of surface acoustic waves propagatin gun-derperiodic metal gratingDBeijing：Chinese Academy of Sciences，200431 2馬國勝, 嚴(yán)曉蘭, 關(guān)于SAW濾波器及其低損耗IDT結(jié)構(gòu)J , 電子元器件應(yīng)用，2001年第3卷，第5期，pp33-353 K.Yyamanouchi,H.Furuyashiki, n

11、ew low-Loss SAW Filter Using Internal Floating Electrode Reflection Types of Singal-Phase Unidirectional TransducerJ, Electron.lett,1984 20,pp 989-9904C.S.Hartmann and B.P.Abott, Overview of Design Challenges for Single Phase Unidirectional SAW FiltersJ, Proc.IEEEUltrason.Symp.1989 pp79-895 張根選, 數(shù)字電

12、視調(diào)諧器中SAW驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)D, 安徽大學(xué)，2007年學(xué)位論文，pp12-176 王勝坤，李艷萍，微波有源濾波器交調(diào)失真的研究J，太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001年第32卷第1期，pp66-687 王永忠 甘忡民, 微波有源濾波器J, 微波與衛(wèi)星通信1993第3期,pp47-528 劉橋，王代強(qiáng)等，AlN薄膜有源濾波器集成及性能研究J,電子元件與材料，2007年第26卷 第11期，pp35-37(文獻(xiàn)綜述樣本二)：壓電材料的種類及特性對(duì)單晶壓電材料而言，其優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性好、可靠性高、聲表面波傳播損耗小，但要求其（機(jī)電耦合系數(shù)）值大，而溫度系數(shù)又要小，這是相互矛盾的，通常難以同時(shí)滿足。單晶材料價(jià)格昂貴

13、，且是各向異性材料，需要有高精度的定向切割技術(shù)，這也是它的缺點(diǎn)。自1880年法國科學(xué)家居里兄弟在石英和電氣石等晶體上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)1以來，研究人員相繼開發(fā)了許多新型壓電晶體。如鈦礦結(jié)構(gòu)的, 等，鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰鋇(), 鈮酸鋇鈉(),鈮酸鋰鉀()等以及層狀結(jié)構(gòu)的鍺酸鉍()等。由于各種原因，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的壓電晶體還很少，主要還是石英、等幾種材料。壓電陶瓷是現(xiàn)有壓電材料中機(jī)電藕合系數(shù)2最大的一種，而且容易制成任意形狀。與單晶相比，其價(jià)格低廉。在垂直于極化軸平面內(nèi)的任意方向上傳播速度為常量，也不需要考慮加工及形成電極的方向。但是，用壓電陶瓷制作SAW器件要滿足前面所說的條件是很困難的。首先壓

14、電陶瓷是多晶多相材料，內(nèi)部有氣孔存在。經(jīng)表面研磨后氣孔就會(huì)顯露出來，使其難以滿足亞微米級(jí)電極所需的表面均勻度。其次，因其為多晶材料，在高頻下?lián)p耗較大(一般認(rèn)為損耗正比于粒子直徑與波長之比)。另外壓電陶瓷的性能重復(fù)性較差，很難達(dá)到聲表面波器件所需的產(chǎn)品合格率。目前PZT系壓電陶瓷只在低頻SAW器件領(lǐng)域有應(yīng)用報(bào)道3。在聲表面波器件中，聲表面波的能量集中在壓電基片的表層內(nèi)。該表面層的厚度為一至兩個(gè)表面波的波長。因此，可以不用壓電單晶或壓電陶瓷作基片，而采用無壓電特性的襯底，在上面沉積厚度約一個(gè)至兩個(gè)波長的壓電薄膜就可制作聲表面波器件。在這種薄膜材料中，壓電薄膜和非壓電襯底形成了多層結(jié)構(gòu)，而聲表面波傳

15、播特性則由壓電薄膜和襯底的特性共同決定。常用的壓電薄膜材料有ZnO, CdS, ZnS, AlN等。其中，適合于制作高頻濾波器的壓電薄膜材料有AlN壓電薄膜和ZnO薄膜。要制作高頻（如射頻）SAW濾波器，就必須要選擇聲表面波波速快，穩(wěn)定性好的壓電材料，本研究要制作的是有源SAW濾波器，因此，在壓電材料的選擇上，首先要具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，高的聲表面波傳播速度，合適的機(jī)電耦合系數(shù)，由于要與有源電路集成，為了將其相互影響降到最低，材料的電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)要高。擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜屬于-V族化合物，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有多種突出的物理化學(xué)性能，其性質(zhì)包括:與硅相近的低熱膨脹系數(shù)（4.510-6K-

16、1）、擊穿場(chǎng)強(qiáng)大（達(dá)1.4107V/cm）、帶隙寬（300K時(shí)為6.28eV ）、熱傳導(dǎo)率（3.0W/（cm）高、化學(xué)穩(wěn)定性好，是優(yōu)異的介電材料。可用于電子器件和集成電路的封裝、介電隔離和絕緣，尤其適用于高溫大功率器件。A1N薄膜的另一優(yōu)越性能是其優(yōu)異的壓電和表聲波特性4。A1N薄膜的聲表面波速度是所有無機(jī)非鐵電性壓電材料中最高的，幾乎是表聲波器件常用壓電薄膜ZnO和CdS的2倍。這樣，采用A1N薄膜來制作SAW器件，在不減小叉指電極寬度的情況下，就可將SAW的中心頻率提高一倍，達(dá)到當(dāng)前通訊業(yè)發(fā)展所需要的GHz級(jí)，可見，A1N薄膜有著重要和獨(dú)特的應(yīng)用前景。根據(jù)AlN的這些特性，本研究選用目前已

17、知聲表面波傳播速度最快的AlN壓電薄膜來作為SAW的傳播載體，通過集成有源電路來對(duì)SAW的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。因此，本文只對(duì)應(yīng)用在SAW中的AlN壓電薄膜的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。表1-1所示列出幾種壓電薄膜的特性參數(shù)。早在1818年，Cady研究了羅息鹽壓電晶體在機(jī)械諧振頻率附近的電性能，導(dǎo)致羅息鹽電聲器件問世。1880年，J. Curie和R. curie就在石英晶體上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。1916年，Langevin用壓電石英晶體成功研制了在水下發(fā)射和接收超聲波的換能器。1921年，石英諧振器和濾波器相繼研制成功，開創(chuàng)了壓電效應(yīng)在穩(wěn)頻、計(jì)時(shí)和電子技術(shù)方面的應(yīng)用。1947年，出現(xiàn)了鈦酸鋇壓電陶瓷拾音器。19

18、69年，發(fā)現(xiàn)了有機(jī)薄膜材料聚偏氟乙烯薄膜制成的駐極體具有優(yōu)良的壓電性。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)生物體本身是個(gè)復(fù)雜的壓電體。壓電薄膜的應(yīng)用歷史是從CdS開始的，1963年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Foster報(bào)道了利用CdS薄膜實(shí)現(xiàn)VHF及UHF頻帶的體超聲波換能器研究成果5。此后，以貝爾實(shí)驗(yàn)室的Foster等和西屋公司的Klerk等為首的許多研究者進(jìn)行了CdS薄膜的制作和應(yīng)用研究6。1965年，通過反應(yīng)磁控濺射金屬Zn，制備了Zn0壓電薄膜7。表1-1 幾種壓電薄膜材料的特性參數(shù)對(duì)比Table1-1 Several piezoelectric thin film materials properties param

19、eters compare隨著國防、通訊以及微電子行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高溫高頻壓電器件的需求越來越大，1968年，Wauk和Winslow8首次采用真空蒸發(fā)的方法，在N2和NH3氣氛中蒸鍍金屬Al，成功制作了AlN壓電薄膜。其基板為蒸鍍有金屬的藍(lán)寶石條，基板溫度為300-1200。1979年，日本的Shiosaki等人9采用射頻磁控濺射方法，成功地在玻璃和金屬基板上制備了性能較好的AlN壓電薄膜，其表聲波機(jī)電偶合系數(shù)K2可達(dá)0.09-0.12%。上世紀(jì)70年代起，CdS和ZnO薄膜已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化的階段，而AlN薄膜還處在研究初期。1989年，Ya.manouchi等人研究了SAW在ZnO/Di

20、a-mond和AlN/Diamond結(jié)構(gòu)上的傳播特性，其聲速高達(dá)10000m/s,這個(gè)速度約為等傳統(tǒng)基片的3倍10。1992年，Nakahata等在硅基上沉積了多晶Diamond，并成功制成了中心頻率1.5GHz的SAW濾波器。2000年，日本科技人員利用SiO2-IDT-ZnO-Diamond-Si試制了中心頻率為5GHz到10GHz的高頻器件?，F(xiàn)在，美國、日本、法國等發(fā)達(dá)國家對(duì)高頻器件的研究主要集中在多層結(jié)構(gòu)的薄膜上，如ZnO/Diamond，LiNbO3/Diamond、AlN/Diamond等。其中，日本是研究ZnO/Diamond多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件的領(lǐng)先國家；而美國是研究高頻LiN

21、bO3-Diamond多層薄膜結(jié)構(gòu)SAW器件的領(lǐng)頭羊，美國的Rice大學(xué)的Wang-Shuxi,RobsonThomas.A等人研究了在Diamond襯底上沉積LiNbO3薄膜，但未見到用該薄膜制成的SAW器件的報(bào)道11,12；在研究AlN-Diamond多層膜結(jié)構(gòu)高頻SAW方面，法國處于領(lǐng)先地位。2003年，V.Mortet等報(bào)道了AlN/Diamond多層結(jié)構(gòu)薄膜SAW器件的研究13，2004年，巴黎大學(xué)的F.Benedic, O.Elmazria等人報(bào)道了在納米級(jí)金剛石薄膜上制備AlN薄膜并制成了SAW器件的樣件，其聲相速高達(dá)9472m/s14。 AlN薄膜的聲表面波波速是所有無機(jī)非鐵電

22、壓電材料中最高的，是GHz級(jí)聲表面波(SAW)和體聲波器件(BAW)的首選材料。因而AlN薄膜在SAW和BAW器件的應(yīng)用又掀起了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)15。自上世紀(jì)末以來,國內(nèi)外對(duì)AlN 薄膜的研究主要集中在壓電材料領(lǐng)域。作為GHz級(jí)聲表面波器件壓電薄膜的優(yōu)選材料, AlN壓電薄膜特別適合于制作聲波傳感器、GHz級(jí)頻率的SAW 器件和BAW器件。當(dāng)AlN壓電薄膜應(yīng)用于聲表面波器件時(shí),它的晶體結(jié)構(gòu)和晶格取向顯著影響其聲學(xué)及其他物理性能,因而,國內(nèi)外許多科研小組都把研究重心放在控制AlN 薄膜的擇優(yōu)生長過程上16。許小紅,武海順等17采用直流磁控反應(yīng)濺射方法,在Si(111)片上成功地制備了(100)面

23、擇優(yōu)取向的AlN 薄膜。用X射線衍射的方法研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜晶面取向的影響。結(jié)果表明,工作氣體總壓、氮?dú)夥謮?、靶功率以及靶、基距等?shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜晶面取向、結(jié)晶狀況、沉積速率和晶粒尺寸有較大的影響。他們還發(fā)現(xiàn)不同種類的基片對(duì)薄膜的擇優(yōu)取向也有較大影響18 ,在金屬表面和Si(111)片上沉積的AlN 薄膜的結(jié)晶性、取向性、衍射強(qiáng)度均優(yōu)于在蓋玻片上沉積的AlN 薄膜。這為進(jìn)一步利用直流磁控反應(yīng)濺射方法，制備高質(zhì)量擇優(yōu)取向的AlN 薄膜奠定了基礎(chǔ)。王忠良,劉橋等34研究發(fā)現(xiàn),采用直流磁控反應(yīng)濺射法在Si(111) 襯底上沉積AlN 薄膜,在五種不同的襯底溫度下,AlN均以(100)面取向,襯底溫度

24、的升高有利于薄膜結(jié)晶性的改善,在600以上時(shí)，薄膜中AlN的B2鍵斷裂,僅出現(xiàn)(100) 衍射峰,在600時(shí)，平均晶粒尺寸為90nm,z軸最高凸起僅為23nm。研究結(jié)果表明，襯底溫度對(duì)AlN 薄膜的擇優(yōu)取向有較大的影響。王代強(qiáng)，陳雨青等研究了N2-Ar流量比對(duì)磁控濺射硅基AlN薄膜元素種類與含量的關(guān)系19，結(jié)果表明，N2，Ar質(zhì)量比在1.07左右時(shí)，AlN中元素含量接近AlN中Al和N的理論計(jì)算值。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選擇流量比為N2/Ar=1.526左右時(shí)，可制備出擇優(yōu)取向（100向）的AlN薄膜。楊保和，徐娜等研究了射頻功率，N2/Ar比率，襯底負(fù)偏壓，工作總壓等參數(shù)對(duì)AlN薄膜C軸擇優(yōu)取向生長

25、的關(guān)系，研究結(jié)果表明，N2/Ar較小，襯底負(fù)偏壓較大，工作總壓較小時(shí)，薄膜以（002）擇優(yōu)取向生長，反之，薄膜以（100）擇優(yōu)取向生長20。另外,瑞士、意大利等的科研團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了類似的研究,其中意大利的M. Benetti 等21用磁控濺射法在鉆石襯底上淀積AlN 薄膜,得到了表面十分光滑的樣品,并發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)襯底溫度高于300才能得到沿c 軸的擇優(yōu)取向薄膜,而且隨溫度的升高出現(xiàn)了(002) 面取向。參考文獻(xiàn)1 李月明 程亮 顧幸勇 張玉平 廖潤華, 高居里溫度壓電材料的研究進(jìn)展J ，陶瓷學(xué)報(bào), 2006年,第27卷第3期, pp309-314 2 張志德，何新華, MBi4Ti4O15基無鉛壓電

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