CN101784343B - 流量传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在一种流量传感器(1)中，所述流量传感器(1)具有嵌入基体(1′)的流道(14)、邻接所述流道(14)的流量传感器元件(13)和设置在所述基体(1′)上且覆盖所述流道(14)的盖板(12)，所述流道(14)由弹性密封唇(15)形成，所述弹性密封唇(15)在所述基体(1′)的位于所述盖板(12)对面的上侧上以环绕的方式限定所述流道(14)并且以密封的方式被压紧在所述盖板(12)上。通过借助于所述密封唇(15)构成所述流道(14)将所述流道(14)与所述基体(1′)和所述盖板(12)之间的可能间隙密封并且相对于所述盖板(12)密封，使得通过所述密封唇(15)和所述盖板(12)形成具有平的通道床(141)的流道(14)，所述流道(14)具有光滑的限定面和恒定的横截面，并且所述流道(14)尽可能避免污物颗粒的沉积和积聚并且因此阻止所述流道(14)中的不期望的紊流以及保证层流通过所述流道(14)。

Description

流量传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种流量传感器和一种制造该流量传感器的方法，尤其是用于测量流体的流量的流量传感器，特别是用于测量空气和其它气体的流量。本发明尤其涉及一种流量传感器和一种制造该流量传感器的方法，该流量传感器包括具有流道的基体、邻接流道的流量传感器元件和设置在基体上的且覆盖流道的盖板。

背景技术

在EP 1182432中描述了一种由两个外壳部分组成的用于流体的流量测量的流量传感器，其包括设置在外壳部分之间的且具有传感器布置结构的半导体芯片。半导体芯片位于在其中一个外壳部分中构成为槽的测量通道处。此外，在外壳部分之间设置有密封环。带状导线薄膜从半导体芯片在密封环和另一个外壳部分之间被向外引导。通过密封环尽管测量通道在外壳部分之间的间隙的区域中相对于外部密封，然而测量通道相对于外壳部分之间的间隙没有密封。

Gruner AG公司，Bürglestrasse 15-17，in 78564 Wehingen，Deutschland(德国Gruner股份公司)描述了另一种流量传感器，其由两个部分和一个半导体传感器元件组成。同样在两个部分之间形成测量通道，在该测量通道中插入传感器元件。将两个部分彼此直接粘合在一起，使得测量通道最大程度上与两个部分之间的间隙密封。然而不可能实现测量通道与所述部分之间的间隙的完全密封并且同时不可能完全阻止粘合剂渗入测量通道中。

由于测量通道连接于外壳部分之间的间隙并且由于测量通道中的胶水沉淀能够产生污物颗粒的积聚，所述的污物颗粒的积聚造成紊流穿过测量通道并且因此损害流量测量的质量。

由US 2006/210445A1已知一种具有微流体通道的传感器，在该传感器中侧面的密封唇由弹性材料制成。通过并排着设置不同的微流体通道能够获得高纵横比。

发明内容

本发明的目的是建议一种流量传感器和一种制造该流量传感器的方法，其至少不具有现有技术的某些缺点。本发明的目的尤其是建议一种流量传感器和一种制造该流量传感器的方法，其允许借助于流道中的流量传感器元件测量流量，该流道具有对于在其中的污物颗粒沉积的更小易感性。

根据本发明，该目的尤其通过一种流量传感器实现。此外，其他的有利的实施形式由说明书中得知。

流量传感器包括带流道的基体、邻接流道的流量传感器元件和设置在基体上的且覆盖流道的盖板。

上述目的通过本发明尤其如此实现，流道由密封唇形成，该密封唇在基体的位于盖板对面的上侧上以环绕的方式限定将流道并且以密封的方式被压紧在盖板上。因此不同于现有技术基体和盖板之间的间隙没有与外界密封，而是通过借助于密封唇构成流道将流道自己与基体和盖板之间的可能间隙密封并且因此也与外界密封。密封唇最好在基体的上侧上形成具有反复迂回曲折的流道，由此在较小面积上能够获得流道的更大长度，这有助于层流。密封唇此外将流道相对于盖板密封，使得通过密封唇和盖板形成具有在基体上侧上的平的通道床的流道，该流道具有光滑的限定面和恒定的横截面，并且该流道尽可能避免了污物颗粒的沉积和积聚以及如有必要当将盖板粘合到基体上时阻止了粘合剂渗入流道中。由此能够阻止流道中不期望的紊流并且产生通过所述流道的层流。

在此，基体由第一和第二区域形成，其分别由不同的材料组成并且彼此相互连接，其中流道构成在第一区域内，该第一区域与第二区域相比由更加弹性材料组成。两个区域最好以双组分压铸法制成并且最好为材料连接。通过流道构成在弹性材料区域中，密封唇以弹性的方式并且与通道床一体化地形成。第二区域在此如此构造，使得存在相对于流道的通道床限定的表面平面，该表面平面位于通道床的平面和在其上向外突出的密封唇之间，使得在盖板和密封唇之间的密封面的所有地方存在预定的密封力，该密封力能够以简单的且明确限定的方式获得。

在一种实施方式变型方案中，基体包括在非弹性的第二区域中形成的用于流动介质的联接端，最好为空气或者其它气体。所述联接端分别通过孔与流道的其中一个平面相连接。

在另一个优选的实施方式变型方案中，流量传感器元件在流道上面嵌入盖板中并且用盖板形成流道的基本上平的顶部。通过流量传感器元件以齐平的方式嵌入盖板中并且用盖板形成流道的平顶，避免了紊流并且因此避免污物颗粒在盖板和流量传感器元件之间的通道处的沉积和积聚。

在又一种实施方式变型方案中，当拿走盖板时密封唇在远离基体的上侧的端部逐渐变细。这就是说，密封唇在端部逐渐变细，所述端部在盖板固定于基体上时以弹性的方式被压紧在盖板上。通过密封唇逐渐变细的方式能够如此平衡由盖板的压紧而产生的密封唇的弹性变形，使得当盖板被固定时形成基本上为矩形的流道的横截面，该流道在由密封唇形成的流道的侧壁上没有显著的变形。

在再一种实施方式变型方案中，流道构成在位于基体的上侧上的通道床上，使得流道在横截面上始终在侧面通过从流道床向上突出的密封唇与环绕流道的外通道隔开。换句话说，密封唇如此设置在通道床上，使得在横截面上观察，通道床通过密封唇在三个区域内被隔开：设置在通道床中央的流道以及两个外通道，其始终通过密封唇与流道隔开。外通道使得能够例如容纳如有必要用于将盖板固定在基体上使用的多余的粘接剂而不会损害流道或者容纳多余的密封唇材料。应当指出，弹性体在体积上不能变小，而是只能够被移动到其它的位置。

本发明此外涉及一种用于制造流量传感器的方法，在该方法中，提供具有流道的基体，流量传感器元件设置为邻接流道，通过将盖板固定在基体上来覆盖流道，以及基体借助于压力铸造如此制造，使得在基体的位于盖板对面的上侧上形成密封唇，该密封唇在基体的上侧上以环绕的方式限定流道并且当盖板固定在基体上时以密封的方式压紧在盖板上。因此具有上述的较小污染易感性和通过流道的层流的优点的流量传感器可以经济地且成本低地制造，通过以简单的方式将具有以齐平方式嵌入的流量传感器元件的盖板固定到压力铸造技术制造的基体上。基体在此最好以双组分压铸法形成且具有第一和第二区域，其中流道构成在第一区域内，该第一区域与第二区域相比由更加弹性的材料组成。

附图说明

接下来根据示例描述本发明的实施方式。该实施方式的示例通过以下附图示出：

图1示出流量传感器的横截面示意图，该流量传感器包括带联接端和流道的基体以及带流量传感器元件的盖板；

图2示出没有固定的盖板的基体的俯视图，该基体包括联接端和与其相连接的且由密封唇形成的流道；

图3a、3b、3c和3d示出带不同布置结构的联接端的流量传感器的不同实施方式变型方案；

图4a示出当盖板还没有固定在基体上时流道的横向于流动方向的区域的横截面示意图；

图4b示出当盖板安装在基体上时流道的横向于流动方向的区域的横截面示意图；

图4c示出当盖板还没有固定在基体上时根据另一种实施方式变型方案的流道的横向于流动方向的区域的横截面示意图；

图4d示出当盖板安装在基体上时根据另一种实施方式变型方案的流道的横向于流动方向的区域的横截面示意图；

图5示出没有固定的盖板的基体的俯视图，该基体包括联接端和与其相连接的且由密封唇形成的流道；

图6示出流道的沿着流动方向的区域的横截面示意图，在该区域中设置有流量传感器元件；

图7a示出当盖板还没有固定在基体上时根据又一种实施方式变型方案的流道的横向于流动方向的区域的横截面示意图；

图7b示出当盖板安装在基体上时根据又一种实施方式变型方案的流道的横向于流动方向的区域的横截面示意图；

图8示出通过带嵌入的流量传感器元件的盖板的区域的横截面示意图，该传感器元件具有穿过盖板的信号引出线；

图9示出在流道的区域内从下面看盖板的仰视图，该流道具有在横截面中示出的密封唇并且具有嵌入的流量传感器元件，该流量传感器元件具有从侧面通向盖板的另一区域的信号引出线；

图10示出在流道的区域内从下面看盖板的仰视图，该流道具有在横截面中示出的密封唇并且具有嵌入的流量传感器元件，该流量传感器元件具有有效传感器表面并且具有从侧面通向盖板的另一区域的信号引出线；

图11示出带嵌入的流体传感器元件的盖板的区域的横截面示意图，该传感器元件具有根据图10的穿过盖板的信号引出线。

具体实施方式

在图1、3a、3b、3c和3d中，附图标记1指代用于测量流体的流量的流量传感器，尤其用于空气或者其他气体的测量。如在图1中示意性地示出，流量传感器1包括盖板12和基体1′，该基体1′以不同的实施方式变型方案还在图2、5、7a和7b中示出。盖板12安装在基体1′上并且与基体1′固定，例如借助于铆钉103、螺栓、粘合剂或者通过焊接。盖板12例如为由环氧化物制成的构造为平的电子电路板(电子-印刷电路板)。

基体1′包括非弹性区域10和与其相连接的弹性区域11。弹性区域11设置在位于非弹性区域10上面。非弹性的，或者至少相比于弹性区域11明显较少弹性的和较硬的区域10例如由诸如尼龙聚酰胺的塑料组成。弹性(较软)区域11例如由热塑性材料组成，例如基于聚乙烯的材料。基体1′最好以双组分压铸法制成。在双组分压铸法中，弹性的和非弹性的区域10、11例如通过材料连接或者至少形状接合的方式彼此相互连接。在次优选的实施方式变型方案中，弹性区域11和非弹性区域10制成为独立的部分，例如制成为底座和通道板，其相互连接，例如通过粘合。

如在图1、2和5中示出，非弹性区域10(底座)包括用于输入和输出流动介质的两个联接端100。联接端100最好构造用于安装软管，该软管例如具有6mm的内径。联接端100为圆锥形构造并且例如设有径向肋。联接端100具有直径约为0.5mm的内孔102。

在图3a、3b、3c和3d中示出具有联接端100的不同布置结构的示例。在根据图3a的优选实施方式中，流量传感器1为方形构造并且联接端100并排着设置在长方体的同一侧(例如端侧)。在根据图3b的实施方式中，流量传感器1为方形构造并且联接端100设置在长方体的不同侧，例如在沿着共同轴的对面侧。在根据图3c的实施方式中，流量传感器1为圆柱形构造并且联接端100设置在沿着共同轴的对面。在根据图3d的实施方式中，流量传感器1为U形构造并且联接端100分别设置在U形(马蹄形)的两个端部的其中一个上。

如在图1、2、5、7a和7b中示出，弹性区域11(通道板)具有流道14。流道14具有带光滑表面的平的通道床141并且通过平行于通道床141设置的盖板12覆盖。如在图2和5中所示，流道14在其两端之间具有反复迂回曲折的形状。流道在其两端上分别通过孔101与其中一个联接端100的内孔102相连接。孔101从通道床141经过弹性区域11和非弹性区域10延伸到联接端100的内孔102，并且孔101例如设置为垂直于通道床141和内孔102。

如在图2、4a、4b、4c、4d、5、7a和7b中所示，弹性区域11包括密封唇15，该密封唇15设置在通道床141上并且从通道床141延伸到盖板12。流道14由密封唇15形成，该密封唇15环绕着流道14的通道床141并且在通道床141上沿着流动方向限定出流道14。如图4a和4c示出的横向于流道14的流动方向的横截面，当盖板12还没有安装在基体1′上时，密封唇15在远离通道床141的端部逐渐变细。当盖板12安装在基体1′上时，密封唇15被压紧，如在图4b、4d中示意性地示出，并且密封唇15相对于盖板12密封流道14。盖板12、通道床141和密封唇15分别具有光滑的表面并且形成限定面，该限定面形成流道14并且限定出恒定的、最好为矩形的横截面。流道14的横截面具有例如0.3mm的深度和0.8mm的宽度。流道14的长度例如为100mm。因此，流道14具有相对于其横截面较大的长度，例如流道的长度与宽度的比例或者长度与深度的比例在从约100∶1至400∶1的范围内。流道14的雷诺数约为50，这产生无紊流或者无涡流的层流。

在根据图4a、4b、4c、4d和5的实施方式变型方案中，由密封唇15形成的流道14被外通道18环绕，该外通道18由弹性区域11的边缘17和密封唇15限定。

在根据图1、5、7a和7b的实施方式变型方案中，由密封唇15形成的流道14被外通道18环绕，该外通道18在整个传感器基体1′上看起来由非弹性区域10的边缘117和密封唇15限定。非弹性区域10的边缘117也可以称为隔离件117或者参考平面隔板117。在图1中，这些间隔物117为这里在非弹性体10的两个彼此相对的端部处突入到弹性区域11的区域内也就是基体1′的区域内隔板。这些间隔物117通过其环绕的外壳表面形成参考平面217。在图2中，这些间隔物117示出为环绕的外壳边缘隔板117。间隔物117不是必须以环绕的方式设置。该间隔物如此构造是足够的，使得产生相对于通道床141限定的表面平面217，该表面平面217比在通道床上向外突出的密封唇更低。

在图5中示例性地示出在联接端101的附近位于两个彼此相对的位置处的弹性区域11的弹性隔板和非弹性外壳部分10的非弹性隔板，该弹性隔板在其它图中标为附图标记17，该非弹性隔板在其它图中标为附图标记117。

尤其在图7a和7b中可以看出，参考平面217通过非弹性隔离件117限定，该参考平面，相对于通道床141，比在通道床上向外突出的密封唇15更低。因此可以完全清楚，在盖板落下来时，极其简单地以限定的方式压缩密封唇15，使得获得限定的密封表面，该密封表面在四周限定通道14。对此，保留空腔18对于密封唇15是有利的，以使得密封唇15具有必需的用于容纳其顶端的位置。通过使用在表面217的区域中以限定的方式相接触的两个非弹性板材10和12，能够以较简单的方式通过迂回曲折的形状实现非常长的通道路径14，即较高的纵横比。通道的通过术语“迂回曲折”表示的曲线形状改善了层流。还可能多个通道14设置为彼此并排着并且在一侧的转向始终构造为通过差不多U形的180°转向。

如在图1和6中示意性地示出，流量传感器1包括嵌入在盖板12中且与流道14邻接的流量传感器元件13。流量传感器元件13以齐平的方式嵌入在盖板12中，使得盖板12和流量传感器元件13形成基本上平的表面以覆盖流道14，以避免形成涡流和紊流。流量传感器元件13最好与盖板12粘合，然而还有其它可能的固定方式，例如螺钉固定或者卡锁。图6示出通过流道14的沿着流动方向的一部分的横截面，该横截面示出将流量传感器元件13以齐平的方式设置在盖板12中的示例。流量传感器元件13具有变薄的区域，该区域在流量传感器元件13和盖板12之间形成空腔16。流量传感器元件13为以薄膜技术或者厚膜技术制成的元件，其具有多个传感器元件，例如至少一个或者两个温度传感器131、133，或者一个温差传感器和一个加热元件133。温度传感器131、133的中一个也可以作为加热元件使用。在这里应当补充，不仅在流道14中而且在盖板12的电子电路板上可以检测到介质温度，因为由于流道14中的流量很小，介质采用流量传感器1的外壳温度，这就是说，在一种实施方式变型方案中用于确定介质温度的温度传感器设置在流道14外在盖板12上。流量传感器元件13的传感器元件131、132、133通过条形导线与在盖板12上安装的电子电路相连接。为了计值由传感器元件131、132、133提供的传感器信号，电子电路最好包括可编程处理器，尤其是带集成可编程模拟部件(放大器、A/D转换器等)的PSoC(芯片上的可编程系统)。通过流过的介质测量从加热元件132到其中一个温度传感器133的热量传递或者加热元件132的冷却，以便于以此为基础确定流速并且由此确定流道14的流量。

信号引出线可以例如按照图8所示的方式和方法实现。盖板12具有空腔130，带有一个或者多个传感器的流量传感器元件13如图6所示被嵌入在该空腔130中。在相应的通道131中示出穿过盖板12的信号引出线132。因为流量传感器元件13最好在密封的填充材料的辅助下被包围在空腔130内，所以流道14被很好地密封，该流道14如示意性地示出在侧面通过密封唇15和(未示出)通过通道床141限定，以使得例如还能够很好地测量较小的压力差。

图9示出信号引出线的另一种实现方式的仰视图，其尤其在单面的印刷电路板12中是有利的。将流量传感器元件13嵌入在印刷电路板12的空腔中。在该印刷电路板中设有至少一个，但是有利的是两个分离的信号引出槽231，在该信号引出槽231中将作为电缆或者薄膜的信号导线引导于印刷电路板12的区域230中以用于进一步处理在那里设置的电子部件。在此，用密封材料填充空腔130和231，使得在密封唇15下面的引出不会损害传感器的功能。

因此清楚的是，通过带有间隔物117和插入或者喷入的弹性区域11的非弹性基体10可以建立多个用于流量传感器的流道14，因为流道始终由三个面(附图标记15、141和15)限定并且密封能够以极其简单的方式通过在其上放置的非弹性盖板12保证。尤其有利的是使用印刷电路板作为盖板12，因为该盖板具有非弹性的特性并且此外可以直接装有用于计值的电子部件，使得获得非常紧凑的部件。使用光滑的印刷电路板12作为与弹性密封唇15的配对物的方式允许流道的任意限定的弯曲形状和迂回曲折的形状，使得能够在最小的空间上取得较高的纵横比而没有损害层流。

原则上也可以通过盖板12和隔板117的相应表面构造来保证，实现盖板12和基体1/1′的限定的空间位置，使得传感器元件13和电联接端到达预定的位置。

尽管在图7a和7b中分别示出两个密封唇15，然而图6示出，当弹性区域11相应地构造有贯穿底部的流体联接端时，事实上仅存在唯一的环形密封唇15，该密封唇15完全限定了流道14的侧面。

图10示出信号引出线的又一个实施例。信号引出线的又一个实现方式的仰视图，其尤其在单面的印刷电路板12中是有利的。将流量传感器元件13嵌入在印刷电路板12的空腔中。附图标记134指代有效传感器表面，以便于相似于如在图6中指出各个传感器。流量传感器元件13也具有其自己的印刷电路板，在该印刷电路板上设有两个，这里四个分离的信号线路331，该信号线路331终止于传感器元件13的接触面332中。传感器元件13的接触面332位于盖板12的接触面333的对面，从该接触面333未示出的信号线路以传统的方式延伸。

接触面332和333之间的连接通过接合线334提供，该接合线334在图11的侧视图中由浇铸材料335保护。在图10和11的实施例中传感器元件13也大于通道14的通道宽度，然而用作传感的有效表面134仅为传感器元件的一部分。在传感器元件13的其他部分中信号线路穿过其中一个密封唇15的下面。

还可以将有效表面134设置为更中心并且传感器元件13的其他在电路方面不活跃的部分穿过另一个密封唇的下面。更大的对称性位于填料130的另外的密封通道的对面。

到盖板或者电路板12的通道这里借助于粘合技术实现。接合线334最后也由浇铸材料335保护。

Claims (11)

1.流量传感器(1)，包括：

具有流道(14)的基体(1′)，

邻接所述流道(14)的流量传感器元件(13、134)，和

设置在所述基体(1′)上且覆盖所述流道(14)的盖板(12)，

其中所述流道(14)由密封唇(15)形成，所述密封唇(15)在所述基体(1′)的位于所述盖板(12)对面的上侧上以环绕的方式限定所述流道(14)并且以密封的方式被压紧在所述盖板(12)上，

其特征在于，

所述基体(1′)由第一和第二区域(10、11)形成，所述第一和第二区域(10、11)分别由不同材料组成并且彼此相互连接，其中所述流道(14)构成在所述第一区域(11)内，所述第一区域(11)与所述第二区域(10)相比由更加弹性的材料组成，并且所述第二区域(10)如此构造，使得存在相对于所述流道(14)的通道床(141)限定的表面平面(217)，所述表面平面(217)位于所述通道床(141)的平面和在其上向外突出的所述密封唇(15)之间。

2.根据权利要求1所述的流量传感器(1)，其特征在于，所述基体(1′)包括在所述第二区域(10)内形成的用于流动介质的联接端(100)，所述联接端(100)分别通过孔(101、102)与所述流道(14)的端部中的一个相连接。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的流量传感器(1)，其特征在于，所述流量传感器元件(13)在所述流道(14)上面嵌入所述盖板(12)的凹槽(130)中，并且通过所述盖板(12)形成流道(14)的基本上平的顶部，其中绝缘的填充材料以与所述盖板齐平的方式填充所述余下的凹槽(130)。

4.根据权利要求3所述的流量传感器(1)，其特征在于，在所述盖板(12)中设有至少一个基本上横向于流道方向的槽(231)，当所述流量传感器(1)封闭时所述槽经过所述密封唇(15)下面从所述流道向外延伸。

5.根据权利要求4所述的流量传感器(1)，其特征在于，所述槽(231)容纳信号导线。

6.根据权利要求3所述的流量传感器(1)，其特征在于，所述盖板(12)中的凹槽(130)如此构造，使得当所述流量传感器(1)封闭时所述凹槽(130)经过所述密封唇(15)的至少一个的下面在侧面从所述流道向外延伸，具有至少一个有效传感器表面(134)的传感器元件(13)容纳在所述凹槽中，所述传感器元件(13)具有信号导线(331)，所述信号导线在所述至少一个有效传感器表面(134)和所述密封唇(15)旁边的空间之间延伸以用于引出所述信号。

7.根据权利要求1或2所述的流量传感器(1)，其特征在于，当拿走所述盖板(12)时所述密封唇(15)在远离所述基体(1′)的上侧的端部逐渐变细。

8.根据权利要求1或2所述的流量传感器(1)，其特征在于，所述流道(14)构成在所述基体(1′)的上侧的通道床(141)上，使得所述流道(14)在横截面上始终在侧面通过从所述通道床(141)向上突出的密封唇(15)与环绕所述流道(14)的外通道(18)隔开。

9.根据权利要求1或2所述的流量传感器(1)，其特征在于，所述流道(14)在所述基体(1′)的上侧上构成为具有反复迂回曲折的形状、光滑的限定面和恒定的横截面并且产生通过所述流道(14)的层流。

10.用于制造流量传感器(1)的方法，包括：

提供具有流道(14)的基体(1′)，

将流量传感器元件(13)邻接所述流道(14)设置，以及

通过将盖板(12)固定在所述基体(1′)上来覆盖所述流道(14)，

其特征在于，

所述基体(1′)借助于压力铸造制造，使得在所述基体(1′)的位于所述盖板(12)对面的上侧上形成密封唇(15)，所述密封唇(15)在所述基体(1′)的上侧上以环绕的方式限定所述流道(14)并且当所述盖板(12)固定在所述基体(1′)上时以密封的方式压紧在所述盖板(12)上，其中所述基体(1′)以双组分压力铸造法形成且具有第一和第二区域(10、11)，其分别由不同的材料组成并且彼此相互连接，其中所述流道(14)构成在所述第一区域(11)内，所述第一区域(11)与所述第二区域(10)相比由更加弹性的材料组成并且所述第二区域(10)如此构造，使得存在相对于所述流道(14)的通道床(141)限定的表面平面(217)，所述表面平面(217)位于所述通道床(141)的平面和在其上向外突出的所述密封唇(15)之间。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述流量传感器元件(13)如此嵌入到所述盖板(12)中，使得当固定所述盖板(12)时所述流量传感器元件(13)位于所述流道(14)的上面并且通过所述盖板(12)形成所述流道(14)的基本上平的顶部。

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