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MEMS傳感器和智能傳感器的發(fā)展
發(fā)布者：沈陽(yáng)精測(cè)鴻圖儀器設(shè)備有限公司發(fā)表時(shí)間：2018-07-26
1．MEMS傳感器的發(fā)展?fàn)顩r
美國(guó)OakRidge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的PanosDatskos與NickolayLavrik使用MEMS傳感器檢測(cè)出5．5fs的物質(zhì)，創(chuàng)造了一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。其使用的只有2tun長(zhǎng)、50am厚的硅懸臂，由一種廉價(jià)的二極管激光器振動(dòng)。
Datskos計(jì)劃提高M(jìn)EMS傳感器的靈敏度，通過(guò)將諧振頻率從目前的2MHz提高到50MHz，并且相應(yīng)地使懸臂更小、更硬，最終完成檢測(cè)單個(gè)分子的目標(biāo)。
飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)推出3款具備高感應(yīng)度的傳感器，采用微機(jī)電制成的MMA6270Q(XY一軸)、MMA6280Q(一軸)和MMA7261Q(XYZ一軸)傳感器，為鎖定低成本消費(fèi)電子市場(chǎng)的低重力(1ow—g)傳感器，可以探測(cè)透過(guò)微小的力量變化就可導(dǎo)致的墜落、傾斜、移動(dòng)、定位和振動(dòng)。
模擬器件(日本)公司計(jì)劃同時(shí)推進(jìn)MEMS傳感器的集成化和多軸化，以實(shí)現(xiàn)可用1個(gè)傳感器來(lái)測(cè)定加速度3軸和角速度3軸的6軸傳感器。市場(chǎng)的大量需求，必將推進(jìn)MEMS傳感器和小型化、高性能化和低耗電化等方面的開(kāi)發(fā)。
2．智能傳感器的發(fā)展?fàn)顩r
2．1物理轉(zhuǎn)化機(jī)理
由于集成智能傳感器可以很容易對(duì)非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個(gè)線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞對(duì)傳感器應(yīng)用的制約。該機(jī)理具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的特點(diǎn)。
利用同一硅片上集成的智能檢測(cè)電路，可以迅速提取頻率信號(hào)，使得諧振式微機(jī)械傳感器成為國(guó)際上傳感器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
2．2數(shù)據(jù)融合理論
數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國(guó)研究的熱點(diǎn)，對(duì)于多個(gè)傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測(cè)量信息的精度和可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。
2．3CMO$工藝兼容
目前，國(guó)外在研究二次集成技術(shù)的同時(shí)，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點(diǎn)集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機(jī)械加工技術(shù)上有所突破。
2．4傳感器的微型化
集成智能傳感器的微型化決不僅是尺寸上的縮微與減少，而且是一種具有新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)，并在智能程度上與先進(jìn)科技融合。其微型化主要基于以下發(fā)展趨勢(shì)：尺寸上的縮微和性質(zhì)上的增強(qiáng)性；各要素的集成化和用途上的多樣化；功能上的系統(tǒng)化、智能化和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性。
2．5提高測(cè)溫精度和分辨力
目前，國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器。由美國(guó)DAIJAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0．03125℃，測(cè)溫精度為±0．2℃．為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27、9．
2．6增加測(cè)試功能
新型智能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開(kāi)發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡(jiǎn)便。對(duì)某些智能溫度傳感器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過(guò)相應(yīng)的寄存器來(lái)設(shè)定其A／D轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654)、分辨力及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間(典型產(chǎn)品為DS1624)。
3應(yīng)用實(shí)例
3．1MEMS傳感器的應(yīng)用
3．11仿生機(jī)器人
仿生機(jī)器人是借助MEMS技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的研究、模仿動(dòng)物或昆蟲(chóng)的生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、習(xí)性行為的電子裝置，可執(zhí)行拍照、目標(biāo)搜索、毒氣探測(cè)、地雷探測(cè)等人無(wú)法到達(dá)或相當(dāng)危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)的任務(wù)。
3．1．2微飛行器
微飛行器MAV集MEMS、航空電子、飛行力學(xué)、推進(jìn)器技術(shù)于一體，用于偵察、電子干擾、搜尋、救援、生化探測(cè)等用途。國(guó)際上很多科研機(jī)構(gòu)積極從事這一開(kāi)發(fā)，研制出多種MAV的雛形，按其飛行原理分為固定翼、旋翼、撲翼3大類(lèi)型，同時(shí)加速研制的還有微渦輪機(jī)、微轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、微燃?xì)廨啓C(jī)、控制部件的微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)。研制目標(biāo)是MAV的長(zhǎng)寬高不超過(guò)150mlyl，重10—120g，續(xù)航時(shí)間20～60min，巡航速度3060km／h，有效載荷1—20g，最大飛行距離10l(m，實(shí)現(xiàn)傳輸圖像，可自主飛行。
3．1．3微納衛(wèi)星
國(guó)外正研制質(zhì)量低于10k的超微衛(wèi)星以及質(zhì)量小于0．1kg的納米衛(wèi)星。采用MEMS技術(shù)，可將常規(guī)衛(wèi)星上的許多部件微型化，例如氣相分析儀、環(huán)形激光光纖陀螺、圖像傳感器、微波收發(fā)射機(jī)、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行器等，制作成專(zhuān)用集成微型部件或儀器，甚至在同一芯片上構(gòu)成芯片級(jí)衛(wèi)星，提高衛(wèi)星信息獲取和防御能力，降低衛(wèi)星制作和發(fā)射成本。一枚高推力質(zhì)量比的小型火箭可發(fā)射數(shù)百顆超微衛(wèi)星，或采用機(jī)動(dòng)應(yīng)急發(fā)射方式，既單顆廉價(jià)快速完成專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)，也能組成分布式星座或局部星團(tuán)，完成以往大型衛(wèi)星的任務(wù)。越來(lái)越多的理論與實(shí)踐表明：微納衛(wèi)星組成的星座在遙感、通信、軍事等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
3．2智能傳感器的應(yīng)用
3．2．1愛(ài)立信眼球
由愛(ài)立信微波技術(shù)公司研制的E眥Ⅶ(愛(ài)立信眼球)采用了智能傳感器技術(shù)和一個(gè)用戶界面友好的指揮和控制系統(tǒng)，可以快速獲取準(zhǔn)確和綜合的信息。它是一種出色的雷達(dá)系統(tǒng)，可以在陸地和水面上分辨和跟蹤海上及空中目標(biāo)，通過(guò)儀器觀測(cè)到的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地平線之外。
3．2．2計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)
在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，智能傳感器不僅直接確定數(shù)據(jù)集的范圍，還通過(guò)測(cè)量確保系統(tǒng)的安全。獲得需要到達(dá)的地點(diǎn)信息，安置系統(tǒng)以得到高質(zhì)量的信息。適應(yīng)實(shí)踐和環(huán)境的變化，甚至獲得特殊的指令，控制器件的動(dòng)作。
4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)
4．1向高精度發(fā)展
隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的提高，對(duì)傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。
42向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展
傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發(fā)展新興材料(如陶瓷)傳感器將很有前途。
4．3向微型化發(fā)展
各種控制儀器設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)，要求各個(gè)部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細(xì)加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。
4．4向微功耗及無(wú)源化發(fā)展
傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時(shí)離不開(kāi)電源，在野外現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽(yáng)能等供電，開(kāi)發(fā)微功耗的傳感器及無(wú)源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如T12702運(yùn)算放大器，靜態(tài)功耗只有1．5，而工作電壓只需2～5v。
4．5向智能化數(shù)字化發(fā)展
隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是單一的模擬信號(hào)(如0～10mV)，而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控制功能，這就是所說(shuō)的數(shù)字傳感器。
4．6向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
網(wǎng)絡(luò)化是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢(shì)正逐步顯現(xiàn)出來(lái)。網(wǎng)絡(luò)傳感器必將促進(jìn)電子科技的發(fā)展。
美國(guó)OakRidge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的PanosDatskos與NickolayLavrik使用MEMS傳感器檢測(cè)出5．5fs的物質(zhì)，創(chuàng)造了一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。其使用的只有2tun長(zhǎng)、50am厚的硅懸臂，由一種廉價(jià)的二極管激光器振動(dòng)。
Datskos計(jì)劃提高M(jìn)EMS傳感器的靈敏度，通過(guò)將諧振頻率從目前的2MHz提高到50MHz，并且相應(yīng)地使懸臂更小、更硬，最終完成檢測(cè)單個(gè)分子的目標(biāo)。
飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)推出3款具備高感應(yīng)度的傳感器，采用微機(jī)電制成的MMA6270Q(XY一軸)、MMA6280Q(一軸)和MMA7261Q(XYZ一軸)傳感器，為鎖定低成本消費(fèi)電子市場(chǎng)的低重力(1ow—g)傳感器，可以探測(cè)透過(guò)微小的力量變化就可導(dǎo)致的墜落、傾斜、移動(dòng)、定位和振動(dòng)。
模擬器件(日本)公司計(jì)劃同時(shí)推進(jìn)MEMS傳感器的集成化和多軸化，以實(shí)現(xiàn)可用1個(gè)傳感器來(lái)測(cè)定加速度3軸和角速度3軸的6軸傳感器。市場(chǎng)的大量需求，必將推進(jìn)MEMS傳感器和小型化、高性能化和低耗電化等方面的開(kāi)發(fā)。
2．智能傳感器的發(fā)展?fàn)顩r
2．1物理轉(zhuǎn)化機(jī)理
由于集成智能傳感器可以很容易對(duì)非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個(gè)線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞對(duì)傳感器應(yīng)用的制約。該機(jī)理具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的特點(diǎn)。
利用同一硅片上集成的智能檢測(cè)電路，可以迅速提取頻率信號(hào)，使得諧振式微機(jī)械傳感器成為國(guó)際上傳感器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
2．2數(shù)據(jù)融合理論
數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國(guó)研究的熱點(diǎn)，對(duì)于多個(gè)傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測(cè)量信息的精度和可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。
2．3CMO$工藝兼容
目前，國(guó)外在研究二次集成技術(shù)的同時(shí)，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點(diǎn)集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機(jī)械加工技術(shù)上有所突破。
2．4傳感器的微型化
集成智能傳感器的微型化決不僅是尺寸上的縮微與減少，而且是一種具有新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)，并在智能程度上與先進(jìn)科技融合。其微型化主要基于以下發(fā)展趨勢(shì)：尺寸上的縮微和性質(zhì)上的增強(qiáng)性；各要素的集成化和用途上的多樣化；功能上的系統(tǒng)化、智能化和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性。
2．5提高測(cè)溫精度和分辨力
目前，國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器。由美國(guó)DAIJAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0．03125℃，測(cè)溫精度為±0．2℃．為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27、9．
2．6增加測(cè)試功能
新型智能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開(kāi)發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡(jiǎn)便。對(duì)某些智能溫度傳感器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過(guò)相應(yīng)的寄存器來(lái)設(shè)定其A／D轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654)、分辨力及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間(典型產(chǎn)品為DS1624)。
3應(yīng)用實(shí)例
3．1MEMS傳感器的應(yīng)用
3．11仿生機(jī)器人
仿生機(jī)器人是借助MEMS技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的研究、模仿動(dòng)物或昆蟲(chóng)的生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、習(xí)性行為的電子裝置，可執(zhí)行拍照、目標(biāo)搜索、毒氣探測(cè)、地雷探測(cè)等人無(wú)法到達(dá)或相當(dāng)危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)的任務(wù)。
3．1．2微飛行器
微飛行器MAV集MEMS、航空電子、飛行力學(xué)、推進(jìn)器技術(shù)于一體，用于偵察、電子干擾、搜尋、救援、生化探測(cè)等用途。國(guó)際上很多科研機(jī)構(gòu)積極從事這一開(kāi)發(fā)，研制出多種MAV的雛形，按其飛行原理分為固定翼、旋翼、撲翼3大類(lèi)型，同時(shí)加速研制的還有微渦輪機(jī)、微轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、微燃?xì)廨啓C(jī)、控制部件的微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)。研制目標(biāo)是MAV的長(zhǎng)寬高不超過(guò)150mlyl，重10—120g，續(xù)航時(shí)間20～60min，巡航速度3060km／h，有效載荷1—20g，最大飛行距離10l(m，實(shí)現(xiàn)傳輸圖像，可自主飛行。
3．1．3微納衛(wèi)星
國(guó)外正研制質(zhì)量低于10k的超微衛(wèi)星以及質(zhì)量小于0．1kg的納米衛(wèi)星。采用MEMS技術(shù)，可將常規(guī)衛(wèi)星上的許多部件微型化，例如氣相分析儀、環(huán)形激光光纖陀螺、圖像傳感器、微波收發(fā)射機(jī)、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行器等，制作成專(zhuān)用集成微型部件或儀器，甚至在同一芯片上構(gòu)成芯片級(jí)衛(wèi)星，提高衛(wèi)星信息獲取和防御能力，降低衛(wèi)星制作和發(fā)射成本。一枚高推力質(zhì)量比的小型火箭可發(fā)射數(shù)百顆超微衛(wèi)星，或采用機(jī)動(dòng)應(yīng)急發(fā)射方式，既單顆廉價(jià)快速完成專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)，也能組成分布式星座或局部星團(tuán)，完成以往大型衛(wèi)星的任務(wù)。越來(lái)越多的理論與實(shí)踐表明：微納衛(wèi)星組成的星座在遙感、通信、軍事等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
3．2智能傳感器的應(yīng)用
3．2．1愛(ài)立信眼球
由愛(ài)立信微波技術(shù)公司研制的E眥Ⅶ(愛(ài)立信眼球)采用了智能傳感器技術(shù)和一個(gè)用戶界面友好的指揮和控制系統(tǒng)，可以快速獲取準(zhǔn)確和綜合的信息。它是一種出色的雷達(dá)系統(tǒng)，可以在陸地和水面上分辨和跟蹤海上及空中目標(biāo)，通過(guò)儀器觀測(cè)到的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地平線之外。
3．2．2計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)
在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，智能傳感器不僅直接確定數(shù)據(jù)集的范圍，還通過(guò)測(cè)量確保系統(tǒng)的安全。獲得需要到達(dá)的地點(diǎn)信息，安置系統(tǒng)以得到高質(zhì)量的信息。適應(yīng)實(shí)踐和環(huán)境的變化，甚至獲得特殊的指令，控制器件的動(dòng)作。
4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)
4．1向高精度發(fā)展
隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的提高，對(duì)傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。
42向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展
傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發(fā)展新興材料(如陶瓷)傳感器將很有前途。
4．3向微型化發(fā)展
各種控制儀器設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)，要求各個(gè)部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細(xì)加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。
4．4向微功耗及無(wú)源化發(fā)展
傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時(shí)離不開(kāi)電源，在野外現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽(yáng)能等供電，開(kāi)發(fā)微功耗的傳感器及無(wú)源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如T12702運(yùn)算放大器，靜態(tài)功耗只有1．5，而工作電壓只需2～5v。
4．5向智能化數(shù)字化發(fā)展
隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是單一的模擬信號(hào)(如0～10mV)，而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控制功能，這就是所說(shuō)的數(shù)字傳感器。
4．6向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
網(wǎng)絡(luò)化是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢(shì)正逐步顯現(xiàn)出來(lái)。網(wǎng)絡(luò)傳感器必將促進(jìn)電子科技的發(fā)展。
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