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工程科学与技术,国际期刊32(2022)101063完整文章非对称共面条形阶梯式介电常数传感器Remsha MoolatZhao,Manoj Mani,Mohanan Pezholil科钦科技大学电子系,印度科钦阿提奇莱因福奥文章历史记录:2021年2月27日收到2021年9月2日修订2021年9月16日接受2021年10月29日网上发售保留字:非对称共面带(ACS)复介电常数辐射效率反射系数反射相位差阶梯波A B S T R A C T材料的介电性质的研究在当前的情况下具有重要的应用。本文介绍了一种用于宽范围测量液体复介电常数的高灵敏度微波潜油式传感器。该传感器采用非对称共面带(ACS)馈电的阶梯型微带作为敏感元件,阶梯型微带的阻抗对比度使传感器传感器浸入液体样品中,利用其谐振频率确定介电常数的实部,利用反射相位或辐射效率确定介电常数的虚部。本文对传感器加载不同介电常数和损耗角正切的液体样品进行了分析。建议的传感器工作在5.3 GHz的空载条件下,具有13.7%的最大数值灵敏度。该传感器是用介电常数范围为2-78的液体制造和实验验证的。该传感器可用于测量葡萄糖水溶液中的葡萄糖浓度和汽油中乙醇的浓度。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍材料的复介电常数是决定其电学和电磁学性质的关键性质。介电性能研究的重要性超出了材料表征[1]。微波传感器在生物医学研究中有广泛的应用,例如癌症和肿瘤检测[2,3]、血糖监测[4]、表征生物组织[5]和其他可植入天线[6]。由于更高的精度,灵敏度和低成本,介电测量用于确定食品工业中的水分含量[7微波感测优于其他技术,因为它提供了实时的非破坏性特性。基于微波的介电常数测量技术大致分为谐振和非谐振方法[11]。谐振法是一种低成本的介电常数测量技术,具有更好的精度和灵敏度[12]。平面微带谐振器由于其设计简单和可访问性,在当前时代取得了重大进展[13]。此外,大多数平面谐振器在执行测量之前不需要校准传感器。科学界需要低成本、高灵敏度、*通讯作者。电子邮件地址:remsha398@gmail.com(R. Moolat)。用于各种介电常数测量应用的精确、紧凑型传感器报道了具有高Q因子谐振器的各种类型的传感器,其利用谐振频率进行液体介电常数测量[14基于开口环谐振器(SRR)[17,18]和超材料互补开口环谐振器(CSRR)[19,20]的高灵敏度潜水传感器利用透射和反射系数进行介电常数测量。设计并提出了使用开环和互补开口环谐振器测量葡萄糖水溶液浓度的传感器,该谐振器利用谐振频率和透射或反射系数的大小[21,22]。报道了基于叉指电容器的微流体传感器,其利用其等效电路的电容变化来确定复介电常数[23使用基片集成波导(SIW)的谐振扰动提高了测量的灵敏度[26,27]。文献[28,29]中介绍了使用开放CSRR传感器的反射系数测量介电常数的实部和虚部利用频域和时域分析,印刷微带天线已用于材料表征和医学成像[30,31]。已经提出了基于开放式传输线的传感器,其利用谐振频率进行介电常数测量,并利用相位斜率进行损耗角正切测量[32,33]。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.09.0092215-0986/©2021 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestchR. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)1010632××22fre0jE0j提出了一种基于非对称共面带(ACS)的高灵敏度阶梯式应变传感器。当浸入不同介电常数和损耗角正切的液体样品中时,改变传感器的谐振频率、反射相位和辐射效率。所提出的传感器利用这些传感器参数的液体样品的复介电常数的测定。本文件的结构如下。 传感器的设计在第2节中描述。第三节分析了传感器的介电常数和损耗角正切变化的各种参数。第4节使用所提出的传感器和介电探针对具有不同介电常数值的液体的测量结果来验证模拟结果。第5节提出结论。2. 传感器设计本节讨论了所提出的传感器的设计及其基本结构的比较研究。本文提出了一种开放式非对称共面带馈步进式磁阻传感器。传感器的更高灵敏度是通过在传感器中包括一个台阶阶跃不连续性的引入将谐振器转换为阶跃阻抗谐振器。该谐振器可以看作是一个四分之一波长阶梯阻抗谐振器(SIR),其阻抗Z1= 80×,Z2= 180×,对应的宽度分别为Wt= 3mm和Ws= 0.8mm两个阻抗Z1和Z2,其对应的长度L1和L2是重要的参数。图二.基于ACS的MEMS传感器:(a)几何形状,(b)电场分布。尺寸为L= 20mm,W= 17.5 mm,Lt= 14.5 mm,Lg= 5 mm,Wt= 3 mm,Wg=9.1 mm,g = 0.4mm。介电常数4.4和损耗角正切0.02。该传感器被设计为在卸载条件下在5.3 GHz下工作,并具有20 17.5 1.6 mm3的占地面积。在谐振器中,根据微扰理论[35],当不同介电常数的样品与电场相互作用时,其谐振频率发生变化[36]。谐振频率的变化与其介电常数和渗透率之间的关系由下式给出:其目的在于限定阶梯阻抗谐振器。的示意图阶梯阻抗谐振器在图1c中示出。两个宽度之间的阻抗不匹配,DfrRRvDeElE0DlHlH0dvð1Þ在提高传感器的灵敏度方面起着至关重要的作用。当两条线之间的阻抗对比度较高时,反射相位这里,特性阻抗Z1和Z2之间的比率使得Z2>Z1并且长度L2>L1。通过设计SIR使Z2>Z1和L2>L1来优化传感器以提高频率灵敏度。阶梯型和基本型的几何形状和电场分布如图1A和1B所示. 1和2.如图1b所示,阶梯式磁阻传感器在传感器的开口端处具有更大的电场强度。使用CST微波工作室在FR4基板上对两种传感器进行了模拟和优化,Fig. 1.基于ACS的阶梯式阻抗传感器:(a)几何形状,(b)电场分布,(c)阶梯式阻抗谐振器的示意图。尺寸为L= 20 mm,W = 17.5 mm,L1= 4.5 mm,L2= 10 mm,Lg = 5 mm,g = 0.4 mm,Wt =3 mm,Ws= 0.8 mm,Wg= 6.5 mm。其中Dfr是谐振频率的变化,fr是无负载谐振频率,E0和H0是无负载谐振时的电场和磁场强度,并且E1和H1是无负载谐振时的电场和磁场强度。负载条件下的磁场强度。当样品被放置在最大电场强度的点时,获得谐振频率的更高的偏移。从图1b中可以看出,阶梯式磁阻传感器在传感器的开口端处具有更大的电场强度,因此与图1b中所示的基本磁阻传感器相比产生更多的频移。 二、图图3示出了传感器在未加载条件下以及当加载有介电常数为25的液体样品时的模拟反射系数。该图显示,基本型和阶梯型MEMS传感器的空载谐振频率为5.3 GHz。当样品加载时,谐振频率图3.第三章。传感器在空载条件下和加载介电常数为25的样品时的模拟反射系数vR. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)1010633--2--的频率变化为2.27 GHz,而阶梯式磁阻传感器的频率变化为2.03GHz具有高Q响应、高电场强度和频移的阶跃式MEMS传感器被考虑用于进一步的研究。3. 传感器分析阶跃型波长的长度为工作频率下的四分之一波长。谐振器的长度决定了谐振频率,接地的宽度和长度决定了传感器的阻抗匹配。阶梯式电阻器的宽度和长度经过优化,可实现更好的阻抗匹配。该传感器用于测量液体的复介电常数。模拟研究进行了不同的液体已知的复介电常数。图4a示出了当传感器浸入不同液体样品中时共振频率的变化。曲线图显示,当介电常数从25变化到75时,传感器的谐振频率从2.03 GHz变化到1.17 GHz。谐振频率与液体介电常数之间的关系如图所示. 4 b.见图4。(a)。由于与不同介电常数的(b)介电常数与频率的关系使用曲线拟合技术的介电常数和谐振频率的三次多项式关系由下式给出:erk0k1ωfk2ωf2k3ωf3 2其中er是介电常数,f是谐振频率,单位为GHz,k0;k1;k2;k3是由k0=349.26,k1=349.26给出的常数。391.94,k2= 163.25,k3= 24.07,R= 0.999。利用这个关系式,可以从未知液体样品的谐振频率求出其介电常数。表1显示了使用(2)提取的未知液体的介电常数。传感器浸入不同介电常数的液体中的反射相位如图所示。 5点从图中可以看出,在谐振频率下,观察到相位的突然变化,并且对于所有样品,相位差都是恒定的 图图5b示出了传感器对于不同电介质样品的辐射效率。每个样品在其谐振频率下的效率是恒定的。从这两个图中可以理解,相位差和辐射效率与介电常数变化无关。以介电常数恒定的液体样品为例,分析了 图图6示出了对于介电常数为30并且损耗角正切从0.02变化到0.1的样品的传感器的反射系数、反射相位和辐射效率。图图6a描绘了谐振频率是恒定的,并且只有反射系数的大小随着损耗角正切的变化而变化。因此,可以得出结论,传感器的谐振频率与损耗角正切变化无关。图6b示出了损耗角正切对反射相位的影响。当损耗角正切增加时,发现相位差利用曲线拟合技术,建立了介质损耗角正切与反射相位差的三次多项式关系,如图所示。早上7所获得的关系由下式给出:tand<$k0k1ω xk2ωx 2k3ωx33其中tand是损耗角正切,x是相位差,单位为度,k0;k1;k2;k3是常数,由k0= 0.12,k1=-0.0025,k2=2.5705E005,k3= 9.9736E008,R2= 0.999。图6c显示了损耗角正切对辐射效率的影响。对于损耗角正切的增加,观察到传感器的辐射效率的降低。从图6c可以看出,在谐振频率下,当损耗角正切从0.02变为0.1时,观察到辐射效率从61.9%变为21.75%。由模拟结果得到了辐射效率与损耗角正切的三次多项式辐射效率和损耗角正切的模拟关系和曲线拟合关系如图7b所示。所获得的三次多项式关系由下式给出:tand<$k0εk1ωErεk2ωEr2εk3ωEr3ε4ε k其中Er是以百分比表示的辐射效率,k0、k1、k2和k3是由k0= 0.2543、k1=-0.0104、k2= 0.0002和k3= -1.0533E-006给出的常数,其中R2= 1。表1实际介电常数和提取的介电常数的比较实际介电常数提取介电常数准确度(%)3030.0399.94040.1199.735049.9399.866059.4899.137070.7898.89R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)1010634图五.具有恒定损耗角正切和变化介电常数的传感器参数:(a)反射相位,(b)辐射效率。Q因子已被用于先前报道的工作中的损耗角正切测量[37,38]。品质因数和损耗角正切之间的关系由下式给出:tand¼ 1=QL- 1=Q05其中QL是有样本的质量因子,Q0是无样本的质量因子。损耗角正切计算从Q因子测量,并得到的结果与使用方程提取的损耗角正切进行比较。(3)和(4)。使用相位差提取的损耗角正切、辐射效率和品质因数列于表2中。从表中可以看出,使用相位差和辐射效率可以更准确地找到损耗从图在图4a和6a中,可以观察到Q因子随着介电常数以及损耗角正切的增加而减小。因此,在所提出的工作中,Q因子不能用于损耗角正切测量。上面清楚地解释了与传感器的不同参数和复介电常数的关系这些关系可用于确定未知液体样品的复介电常数。见图6。具有不同损耗角正切和恒定介电常数的传感器参数:(a)反射系数(b)反射相位,(c)辐射效率。R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)10106352100120323¼ þωþω þω图7.第一次会议。(a)相位差和损耗角正切之间的关系,(b)辐射效率和损耗角正切之间的关系传感器的灵敏度由下式给出:公司简介F0-ferω1006见图8。该传感器对不同介电常数的液体样品的灵敏度。- 是的表3中给出了所提出的传感器与其他已报道的电介质传感器的比较。从表中可以得出结论,所提出的传感器具有优异的频率灵敏度。的介电常数的微小变化所提出的传感器的频率灵敏度进行了分析。介电常数的范围从25到25.05与0.01的阶跃变化。从图如图9所示,对于介电常数的0.01变化,观察到400 kHz的频移。所提出的传感器的等效电路如图所示。10个。L1、L2、C2分别对应于阶梯形三极管的电感和电容,C1对应于三极管与地之间的间隙电容。L3、C3和R代表液体样品.由于传感器浸没在液体中,介电常数的变化影响电容,损耗角正切的变化影响电路的电阻R。图11a绘制了使用是德科技先进设计系统(ADS)对介电常数变化的模拟电路响应。图11b示出了当损耗角正切从0.02改变到0.1时传感器的相位响应。不同介电常数和损耗角正切的电路参数值见表4。从结果可以清楚地看出,样品的介电常数的变化影响电路的电容,损耗角正切的变化影响电路的电阻。从谐振频率(f0)推导出电容值(C1;C2;C3介电常数可以从电容值计算。f0er-e空气流量C ¼kkωfkωfð7Þ其中f0是无负载谐振频率,fer是液体样品的谐振频率,er是相应的介电常数[39]。所提出的传感器的灵敏度性能是其中k0、k1、k2和k3是由k0= 166,k1=-194.6,k2= 84.7,k3= -12.9,R2= 1。计算并绘制在图中。8.第八条。 图中显示灵敏度为C2k0k1f0k2f0k3f0而不是作为介电常数的函数的常数。 它关系到ð8Þ介电常数的逆多项式关系,因为其中,k0= 105.6,k1=-135.04,k2= 63.6,k3=-10.5,R2= 1。谐振器的谐振频率与其等效电路的电感和电容的平方根C3<$k0k1ωf0k2ωf2ð9Þ表2使用不同技术提取损耗角正切的比较实际损耗角正切从相位差中准确度(%)摘自辐射效率准确度(%)从品质因数中准确度(%)0.030.0321930.0309970.01240300R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)10106360.050.049398.60.049699.20.036720.070.070199.850.07001000.05882.8R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)101063表77比较所提出的传感器与以前报道的作品。参考工作频率和尺寸感测元件用于介电常数测量的用于损耗角正切测量的灵敏度(%)介电常数范围[17个]6.12千兆赫SRR加载耦合S11中的频移--11.032–10[18个国家]0.55k0 x0.51k0 x0.016k01.84 GHz-微带线双SRRS21中的频移S21的大小3.041.05- 22.52[28日]0.35千兆赫曲流公开赛S11中的频移S11的大小0.5041–800.05k0 x0.03k0 x0.0009k0互补开口环谐振器[29日]2.54千兆赫微带线加载S21中的频移S21的大小3.582.93-3.64[三十六]0.08k0 x0.08k0 x0.01k015.17千兆赫-关于CSRR互补S21中的频移S21的大小6.72.1-3对称S形谐振器[第四十届]0.9 GHz-基于差分传感器交叉模式传输交叉模式传输1.8625–80一对OCSRR非对称系数非对称系数加载加载该传感器5.3 GHz 0.35k0 x0.3k0x0.02k0基于非对称共面带的阶梯式MEMSS11中的频移反射相位差/辐射效率13.72–78图9.第九条。所提出的传感器的灵敏度为0.01的介电常数的小变化图10个。传感器的等效电路其中k0= 27.9,k1=-24,k2= 5.4,R2= 0.999。根据计算的C1、C2和C3,可以使用下式计算介电常数(er):erk0k1ωC1k2ωC2k3ωC310其中k0= 4.421,k1= 0.779,k2= 1.406,k3= 2.838,R2= 0.999。图十一岁ADS模拟器获得的S参数结果(a)幅度,(b)相位。R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)1010638-表4对应于不同介电常数和损耗角正切的电路参数变介电常数变损耗角正切介电常数C1(pF)C2(pF)C3(pF)损耗角正切电阻2511.9455.8461.2020.020.19623516.0058.0462.4050.040.26784520.110.2813.6660.060.31485524.2312.5284.7190.080.35286528.795155.9020.10.38087533.3617.7797.111类似地,电路的电阻Rs由S11的相位差计算,损耗角正切由电阻值获得。Rs¼k 0k1ω xk2ωx 2k3ωx311其中Rs是电阻,x是S11的相位差,单位为度,k0=1.016,k1=0.0187,K2=0.0002和k3=2-4.6781E-007,带R = 1。根据Rs的值,可以使用以下公式计算损耗角正切(tand):tand<$k0k1ωRsk2ωRs212其中k0= 0.0417,k1=-0.386,k2= 1.413,R2= 0.999。4. 实验验证所设计的传感器制作在一个FR4基板上使用的光刻技术。制造的原型的照片如图12 a所示,测量装置如图12 b所示。 12 b. 室温设定为25°C。使用Keysight PNA N5277A网络分析仪进行测量。将分析仪的端口1连接到Keysight介电探针N1501A,用于确定制备的测试溶液的实际复介电常数。将分析仪的端口2连接至申报传感器。传感器在空载条件下的模拟和实测反射系数如图所示。 13岁将高互溶溶剂丙酮混合,制备了不同介电常数和损耗角正切的液体样品图十三.在空载条件下,模拟和测量所提出的传感器的反射系数。水以不同的比例。将30 ml体积的制备样品放入容器中,并通过将传感器的固定高度浸入样品中进行测量。 在丙酮中不同水浓度下测得的反射系数如图14a所示。 介电常数和损耗角正切测量使用介电探针也显示在图。14和15。见图12。 (a)制造基于ACS的步进式传感器的原型。(b)测量设置。R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)1010639图14. (a)测量了传感器在不同含水量丙酮中的反射系数。(b)传感器的谐振频率和不同样品浓度下样品的介电常数。图图14 a示出了对于介电常数从21.67到78.29的变化,谐振频率从2.13 GHz到1.11 GHz的变化。使用Keysight介电探针测量所制备样品的介电常数的实际值在不同的样品浓度下传感器的谐振频率和使用介电探针测量的样品的介电常数绘制在图中。 14 b.实验验证了反射相位差与损耗角正切的关系。图15a示出了具有不同液体样品的传感器的测量的反射相位当丙酮中水的浓度增加到50%时,传感器在其谐振处的相位差减小,并且之后,传感器的相位差增加。这意味着损耗角正切首先增加,在50%之后减小图15b示出了传感器在不同液体样品的谐振频率下的相位差和使用介电探针技术测量的实际损耗该图推断,损耗角正切随着丙酮中的水浓度增加而增加当丙酮中的水浓度超过50%时,样品之间的反比关系描述了传感器的损耗角正切和相位差有损耗的液体将从传感器吸收更多的功率并在液体中消散,因此辐射效率将降低图15. (a)在丙酮中改变水浓度的情况下测量传感器的反射相位(b)对于不同的样品浓度,传感器的相位差和样品的损耗角正切随着损耗角正切的增加。利用现有技术,对不同液体样品的传感器辐射效率进行测量是一项繁琐的工作。因此,在本文中,我们省略了使用辐射效率测量损耗角正切。根据测量的谐振频率和相位差,使用从CST模拟获得的关系提取介电常数和损耗角正切(等式10)。(2)和(3))和ADS模拟(方程。将提取的介电常数和损耗角正切与使用介电探针测量的介电常数和损耗角正切进行可以观察到,使用传感器参数提取的介电常数和损耗角正切与使用介电探针的测量值该差异是由于传感器的制造公差和由于其不同的结合性质而导致的液体混合物高度的传感器的反射相位对浸入液体的高度敏感高度的微小变化可能会对提取的损耗角正切产生很大影响。该传感器可用于葡萄糖水溶液中葡萄糖浓度的实验室级无水D-葡萄糖和去离子(DI)水用于样品制备。通过向30 ml DI水中逐步加入200 mg葡萄糖直至1000 mg来制备样品随着葡萄糖的加入,溶液的介电常数从78.2变为77.33,损耗角正切从0.054变为0.062。测量了该传感器对不同含水胶的反射系数R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)10106310~~表5提取和测量的复介电常数的比较。使用介电探针测量丙酮中的水浓度摘自CST模拟摘自ADS模拟介电常数损耗角正切介电常数损耗因数介电常数损耗角正切3040.90.13539.8 0.06739.60.2145053.360.13253.56 0.07453.560.2827065.40.09566.4 0.06267.10.1719073.90.06574.8 0.04875.20.137离子检测、食品质量监测等,其中介电常数的变化最小。该传感器用于汽油中乙醇的检测,同轴探头测量结果表明,乙醇和汽油在4 ~ 5GHz频率范围内的介电常数分别为6.3和2.2。当浸入汽油中时,传感器在汽油中加入15%乙醇时,观察到262 MHz的频移。图17b显示了所测汽油-乙醇混合物的灵敏度曲线。该图描绘了对于介电常数2.18的最大测量灵敏度为11.88%,图16.在DI水中具有不同葡萄糖浓度的情况下测量的传感器参数(a)反射系数(b)反射相位。糖浓度如图所示。 16章随着DI水中葡萄糖传感器的谐振频率从1.12GHz移动到1.12 GHz。1.16千兆赫损耗角正切变化时传感器反射相位的变化如图所示。 16 b.从图中可以观察到,随着葡萄糖浓度的增加,相位差从62°变为57°从图16中可以观察到,所提出的传感器对介电常数和损耗角正切的轻微变化高度敏感。该传感器可用于诸如掺假、图17. (a)汽油中不同浓度乙醇的谐振频率偏移。(b)所提出的传感器的测量灵敏度。R. Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)10106311当介电常数增加时。该传感器是低成本,紧凑,刚性,并可用于任何材料表征应用。5. 结论提出了一种新型的非对称共面带式阶梯式潜油传感器,用于在较宽的介电常数范围内测量液体的介电特性。传感器能够利用反射相位差或辐射效率从谐振频率的偏移和损耗角正切测量介电常数。这种刚性、紧凑且低成本的传感器具有13.7%的最大数值频率灵敏度。测量和模拟之间取得了良好的一致性。建议的平面传感器可用于几个appli-阳离子介电特性起着重要的作用。竞争利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作。引用[1] M.T. 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Moolat,M.Mani和M.佩若利尔工程科学与技术,国际期刊32(2022)10106312Remsha Moolat目前正在攻读博士学位。科钦科技大学微波工程学位。她于2013年在印度科钦科技大学获得电子科学硕士学位,主要研究方向包括用于材料表征的微波传感器、微波测量技术、阶跃阻抗谐振器和Antenas、衬底集成波导。Manoj Mani目前正在攻读博士学位。科钦科技大学电磁学和电磁学研究中心。他于2015年获得印度喀拉拉邦他于2014年被大学资助委员会授予初级研究奖学金。他目前的研究兴趣包括电小型天线,RFID标签和天线的生物医学应用。Mohanan Pezholil是科钦科技大学高级大气雷达研究中心(ACARR)的联合研究员。他获得了博士学位。1985年获得印度科钦科钦科技大学微波天线学位。在此之前,他曾在印度Ghaziabad的Bharat Electronics的天线研究和开发实验室担任工程师,并在印度Ghaziabad的电子系担任教授。他发表了100多篇期刊论文和许多会议文章。他还拥有天线和材料科学领域的多项专利他的研究领域包括微带天线,介质谐振器天线,超导微波天线,减少雷达截面和极化捷变天线。
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