摘要:為了實現(xiàn)變壓器油中溶解的乙炔氣體檢測,研發(fā)了一款基于Au修飾SnO2氣敏薄膜的乙炔氣體傳感器。通過射頻濺射制備SnO2薄膜,進而通過直流濺射制備Au并改變?yōu)R射時間,得到不同Au修飾量的氣敏薄膜,采用微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝開發(fā)了基于氣敏薄膜的乙炔氣體傳感芯片。對比純SnO2以及不同Au修飾量的SnO2氣敏薄膜的氣敏性能,結(jié)果顯示,基于20 s-Au修飾的SnO2薄膜MEMS乙炔傳感器性能最佳,最佳工作溫度為200℃,體積分數(shù)為1×10-6的乙炔氣體的響應(yīng)值高達14,響應(yīng)恢復(fù)時間分別為5s和87s,且具有良好的重復(fù)性,檢測限低至0.1×10-6(體積分數(shù))。對比測試體積分數(shù)為1×10-6下變壓器油中溶解的氫氣、甲烷等其他氣體,所研發(fā)的MEMS乙炔氣體傳感器仍具有優(yōu)越的選擇性,在長期測試下保持良好穩(wěn)定性,可為解決變壓器油中溶解乙炔氣體的檢測難題提供一種元件選擇。
關(guān)鍵詞:變壓器油;乙炔;Au修飾;氧化錫;氣體傳感器
中圖分類號:TM835;TP212 文獻標志碼:A
DOI:10.7652/xjtuxb202409013 文章編號:0253-987X(2024)09-0129-10
Development of Gas Sensor with High Response to Acetylene
Based on the Au Decorated SnO2 Thin Film
HU Zongxin1,2, TIAN Bing3, TAN Zejie3, XU Zhenheng3, WANG Hairong1,2
(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;
2. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;
3. Digital Grid Research Institute, China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510700, China)
Abstract:To detect acetylene gas dissolved in transformer oil, an acetylene gas sensor based on Au decorated SnO2 gas sensing thin film is developed. SnO2 thin films were prepared using radio frequency magnetron sputtering followed by the deposition of Au using direct current magnetron sputtering. The different amounts of Au decoration were realized by adjusting the deposition time.Then the acetylene gas sensing chips, based on gas sensing thin films, are fabricated using the process of micro electro mechanical systems (MEMS). The sensing properties of the pure SnO2 and Au decorated SnO2 films are compared. The results indicates that the sensor using the 20 s-Au decorated SnO2 film shows superior performance, operating optimally at 200 °C. It exhibits a response value of 14 to acetylene gas at a volume fraction of 1×10-6, with response and recovery times of 5 s and 87s, respectively. The sensor exhibits excellent repeatability, with a detection limit of 0.1×10-6 in volume fraction. In comparison testing against hydrogen, methane, and other gases dissolved in the transformer oil at a concentration of 1×10-6 volume fraction, the sensor has a good selective response to acetylene and maintains excellent performance stability over long-term testing. It can serve as a component selection for addressing the challenge of detecting dissolved acetylene gas in transformer oil.
Keywords:transformer oil; acetylene; au decoration; tin dioxide; gas sensor
在電力行業(yè)中,電力變壓器的正常運行能確保電能的傳輸和順利分配,推進工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的穩(wěn)定進行,變壓器油作為一種絕緣和冷卻介質(zhì),在變壓器的正常運行中起著重要作用[1]。常見的變壓器油是由多種碳氫化合物組成的一種混合物,變壓器油中的部分C—H鍵和C—C鍵會在變壓器發(fā)生電故障和熱故障的影響下斷裂,在斷裂過程中會產(chǎn)生少許活潑氫原子和自由基,經(jīng)過繁雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及乙炔、甲烷等一些低分子的烴類氣體[2]。
在變壓器故障過程產(chǎn)生的氣體中,產(chǎn)生乙炔通常與油中的絕緣材料的老化和退化有關(guān),是變壓器油中相對較早產(chǎn)生的氣體之一,被視為變壓器發(fā)生潛在故障的早期指標[3-5]。通過定期檢測乙炔氣體濃度,可以實現(xiàn)變壓器的早期故障診斷,提前發(fā)現(xiàn)潛在問題,避免嚴重故障。因此,變壓器油中乙炔氣體檢測是維持電力變壓器安全、可靠運行的關(guān)鍵步驟[6]。根據(jù)我國現(xiàn)行行業(yè)標準DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》,變壓器油中的乙炔氣體體積分數(shù)極限值為5×10-6(5ppm)[7]。目前,針對變壓器油中溶解的低濃度乙炔氣體的檢測方法包括使用氣相色譜檢測[8]、紅外光譜檢測[9]等,這類方法雖然分辨率高、靈敏度高、檢測限低,但是基于該類原理開發(fā)的專業(yè)儀器存在價格昂貴、檢測流程復(fù)雜而且對于操作人員的專業(yè)要求程度高等缺點。除了電力行業(yè)外,乙炔氣體在化工生產(chǎn)、實驗室安全、礦業(yè)和采石業(yè)以及焊接切割作業(yè)中均存在著大量的檢測需求[10],因此需要開發(fā)能夠?qū)Φ蜐舛纫胰簿_檢測的氣體傳感器,保護人員的生命和設(shè)備安全。
目前,國內(nèi)外不斷進行低濃度乙炔氣體傳感器的研究。Lee等利用水熱法研制Pd(鈀)修飾SnO2(氧化錫)的乙炔氣體傳感器,與微色譜系統(tǒng)進行結(jié)合后檢測限低至體積分數(shù)為1×10-8,但是檢測時間要2min以上[11]。于思怡等利用水熱法制備Cr(鉻)摻雜SnO2納米墻,對體積分數(shù)為1×10-6的乙炔的最佳工作溫度僅為125℃,但其響應(yīng)時間較長為165s[12]。李艷瓊等利用水熱法制備SnO2納米花,對體積分數(shù)為1×10-4乙炔氣體的響應(yīng)值為38,響應(yīng)時間為15s,但是其最佳工作溫度較高為360℃[13]。Zhou等利用水熱法合成了摻雜Sm2O3的SnO2納米棒,在260℃的最佳工作溫度下對體積分數(shù)為1×10-4乙炔氣體的響應(yīng)值為50.5,響應(yīng)時間為9 s[14]。綜上所述,當前乙炔傳感器還存在著檢測限高、工作溫度高和響應(yīng)時間長的問題。
上述通過水熱法、靜電紡絲法等所研發(fā)的乙炔氣體傳感器,由于點涂或滴涂氣敏材料的儀器設(shè)備和人為因素,導(dǎo)致同批次加工傳感器件之間的氣敏性能差異較大,表現(xiàn)出制作周期長、一致性和穩(wěn)定性差等問題。采用先進而成熟的半導(dǎo)體工藝如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、電霧化等方法[15],可制備均勻且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定可靠的微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝兼容型氣敏薄膜。為此,本文研究磁控濺射工藝制備的Au(金)修飾SnO2氣敏薄膜,并采用MEMS工藝實現(xiàn)氣敏薄膜與微加熱器的集成,研發(fā)一款低檢測限、高一致性和穩(wěn)定性的MEMS乙炔氣體傳感器,為變壓器油中乙炔氣體的快速精確檢測提供新的選擇。
1 傳感器制備以及氣敏材料表征
1.1 傳感器制備
選用4英寸(10.16cm)、厚度為500μm硅片(P型),雙面SiO2層(1μm,熱氧化)和Si3N4層(200nm,低壓力化學(xué)氣相沉積)。射頻磁控濺射(explorer 14,丹頓真空設(shè)備(北京)有限公司)制備SnO2薄膜,功率為80W,時間為360s,壓力為4×10-5mTorr(5.33×10-6Pa),氧氣、氬氣設(shè)定為4mL/min(4sccm)和16mL/min。直流磁控濺射(DISCOVERY635,丹頓真空設(shè)備(北京)有限公司)進行Au修飾,電流為30mA,壓力為4×10-5mTorr(5.33×10-6Pa),氬氣為20mL/min,通過設(shè)置Au的濺射時間為0、10、20和30s,制備4種表面不同Au修飾量的SnO2薄膜樣品。
對4種樣品進行450℃、2h的熱處理。利用電子束蒸發(fā)工藝制備叉指電極和加熱電極(Au為250nm,Cr為50nm),從硅片背面干法刻蝕絕熱槽,絕熱槽為400μm×400μm,深度500μm,將Si基底全部去除。對硅片進行激光隱形切割劃片,單個MEMS乙炔氣體傳感器芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用5mm×5mm 的陶瓷管殼(1109 CSP PKG,京瓷)作為芯片的封裝基座,利用聚酰亞胺(PI)雙面膠帶將芯片粘到管殼底座內(nèi),使用金絲球焊機(HS-865,深圳百祥源科技有限公司)將芯片與管殼進行引線。圖2(a)所示為引線封裝完成的MEMS乙炔傳感器尺寸對比,圖2(b)展示出加熱電極環(huán)繞于叉指電極的布置情況,叉擋電極很好地覆蓋在氣敏薄膜表面。結(jié)合圖2(c)可以看到,背部絕熱槽內(nèi)的Si已經(jīng)完全去除,只保留Si3N4/SiO2支撐層,從背面觀察Si3N4/SiO2支撐層可以看到芯片正面的電極圖形和氣敏薄膜。
1.2 氣敏薄膜材料表征
將制備的純SnO2氣敏薄膜以及經(jīng)10、20、30 s濺射Au修飾的SnO2氣敏薄膜,經(jīng)過原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射分析(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡分析(FESEM)和X射線光電子能譜分析(XPS)進行表征。
通過AFM表征所制備薄膜臺階,Au修飾SnO2氣敏薄膜厚度約為20nm。圖3(a)為純SnO2薄膜以及不同Au修飾量的SnO2薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。從中可以看出,由于濺射時間的不同,導(dǎo)致在SnO2薄膜表面聚集成大小不同的Au顆粒,并且隨著Au修飾量的增加,Au顆粒逐漸增大,表現(xiàn)團聚狀態(tài)。如圖3(b)所示,隨著Au修飾量的增加,SnO2薄膜表面的粗糙度增加。圖4展示了4種樣品的AFM高度剖面圖,從圖中可以看出,無Au修飾的SnO2薄膜樣品與經(jīng)10s的Au濺射修飾后樣品的高度變化幅度相近。結(jié)合圖3(a)中的SEM結(jié)果可以認為,經(jīng)10s的Au濺射后SnO2薄膜表面Au顆粒數(shù)量較少,而經(jīng)過20s以及30s的Au濺射后的SnO2薄膜表面高度變化幅度加大,驗證了濺射時間加長后Au顆粒粒徑變大的現(xiàn)象。
4種樣品的XRD表征結(jié)果如圖5所示。從中可以發(fā)現(xiàn),4種樣品中都出現(xiàn)了3個明顯的衍射峰,與SnO2的標準X射線衍射光譜(JCPDS:41-1445)中的(110)、(101)和(211)衍射峰吻合,為四方晶系的金紅石結(jié)構(gòu),證明所制備的4種樣品中存在SnO2成分且結(jié)晶性能良好。根據(jù)Au標準X射線衍射光譜(JCPDS:04-0784),經(jīng)Au修飾后SnO2薄膜在原有的SnO2的特征衍射峰的基礎(chǔ)上都出現(xiàn)了Au對應(yīng)的特征衍射峰,證明了Au的存在,尤其是Au修飾量最多的30 s-Au修飾SnO2出現(xiàn)了4個Au的特征衍射峰,分別對應(yīng)于Au的(111)、(200)、(220)和(311)特征衍射峰。
使用XPS進一步分析純SnO2、Au修飾的SnO2的元素種類組成以及各元素對應(yīng)的化學(xué)價態(tài)。如圖6(a)所示,在純SnO2以及Au/SnO2的全譜中,存在著明顯的Sn 3d、Sn 4d、O 1s特征峰,證明了存在Sn和O元素。同時,在Au/SnO2的全譜中還存在著Au 4f和Au 4d特征峰,表明該樣品中存在Au元素。由Au元素主峰Au 4f高分辨率譜可以看到,Au 4f5/2峰和Au 4f7/2峰對應(yīng)的結(jié)合能分別是87.8eV和84.1eV,與Au結(jié)合能標準值87.7eV和84eV相比有所增大。這可能是Au粒子尺寸的影響,當Au 4f7/2峰和Au 4d5/2峰分別位于(84.0 ± 0.1)eV和335eV附近,表明SnO2薄膜表面的Au元素以Au0形式存在[16-17]。圖6(b)展示了純SnO2以及Au/SnO2的Sn 3d峰的高分辨掃描結(jié)果,純SnO2的Sn 3d3/2峰和Sn 3d5/2峰對應(yīng)的結(jié)合能分別是495.4eV和487.0eV,且兩峰的結(jié)合能之差為8.4eV,表明純SnO2中存在Sn4+[18]。由于Au元素的存在,Au/SnO2的Sn 3d3/2峰和Sn 3d5/2峰向結(jié)合能更
小的方向移動,分別對應(yīng)495.6eV和486.2eV[19],兩特征峰的結(jié)合能之差與純SnO2中Sn 3d3/2峰和Sn 3d5/2峰的結(jié)合能之差相同,證明Au/SnO2中的Sn元素也是以Sn4+的價態(tài)存在。
2 傳感器氣敏性能測試
在動態(tài)配氣測試系統(tǒng)上測試制備的MEMS乙炔氣體傳感器的氣敏性能。該系統(tǒng)由空氣氣瓶、乙炔氣瓶、質(zhì)量流量計、直流電源、數(shù)字萬用表、測試氣室、尾氣處理裝置以及計算機組成。測試氣室的輸入氣體由空氣和目標乙炔氣體混合而成,設(shè)置輸入氣體的總流量為200mL/min,由計算機控制質(zhì)量流量計輸出氣體的流量比,可以動態(tài)調(diào)整向測試氣室輸入的乙炔氣體濃度。
傳感器響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別定義為傳感器在被測氣體吸附和解吸時達到總電阻變化90%的時間[20],稱為T90。傳感器對乙炔氣體的響應(yīng)(靈敏度)定義為
S=Ra/Rg×100%(1)
式中:Ra是氣敏材料在空氣中的電阻;Rg是氣敏材料在測試氣體中的電阻。
圖2(b)中加熱電極電阻約為100Ω,通過電阻發(fā)熱的方式為氣敏薄膜提供工作溫度。由外部電源輸入直流電壓,利用紅外成像儀(X6520sc,美國菲力爾公司)標定的MEMS微加熱器電壓-溫度關(guān)系如圖7所示。
首先確定4種樣品的最佳工作溫度,在170~320℃下測試了4種樣品對體積分數(shù)為1×10-6的乙炔的響應(yīng),測試結(jié)果如圖8所示。由圖可知:SnO2在260℃獲得了最高響應(yīng),對應(yīng)值為1.99;10s-Au/SnO2在230℃獲得了最高響應(yīng),對應(yīng)值為8.71; 20s-Au/SnO2和30s-Au/SnO2在200℃獲得了最高響應(yīng),對應(yīng)值分別為13.84和6.31。
在4種樣品各自的最佳工作溫度下進行體積分數(shù)為0.1×10-6~1×10-6的乙炔動態(tài)響應(yīng)性能測試,測試結(jié)果如圖9所示。可以看出:乙炔氣體在體積分數(shù)為0.1×10-6~1×10-6時,純SnO2樣品的最大響應(yīng)值低于2,難以對低濃度乙炔進行準確區(qū)分;Au修飾的SnO2樣品相比無Au修飾的樣品的響應(yīng)值有較大提升,并且經(jīng)過Au修飾后的樣品其基線更加穩(wěn)定,這說明Au修飾不僅提高SnO2的靈敏度,而且改善了材料的基線穩(wěn)定性。
對4種樣品的動態(tài)響應(yīng)曲線進一步分析,可以得到4種樣品對體積分數(shù)為0.1×10-6~1×10-6的乙炔的響應(yīng)和恢復(fù)時間。由圖10(a)可以發(fā)現(xiàn),20 s-Au/SnO2的響應(yīng)值高于其余3個樣品,20 s-Au/SnO2對體積分數(shù)分別為0.1×10-6、0.2×10-6、0.4×10-6、0.6×10-6、0.8×10-6和1×10-6的乙炔響應(yīng)值分別為2.74、4.78、7.94、10.34、12.65和13.88。圖10(b)展示了4種樣品對不同乙炔體積分數(shù)的響應(yīng)和恢復(fù)時間,可以發(fā)現(xiàn),10s-Au/SnO2樣品比純SnO2樣品的響應(yīng)時間稍短,而30s-Au/SnO2樣品的響應(yīng)與恢復(fù)時間最長,20s-Au/SnO2樣品響應(yīng)時間最短,20s-Au/SnO2對于體積分數(shù)為0.1×10-6、0.2×10-6、0.4×10-6、0.6×10-6、0.8×10-6和1×10-6的乙炔的響應(yīng)時間分別為28、23、12、9、7和5s。
對4種樣品的響應(yīng)值、響應(yīng)時間、恢復(fù)時間和穩(wěn)定性的綜合分析得到,20s-Au/SnO2的性能最佳。為此,對基于20s-Au/SnO2氣敏薄膜的MEMS乙炔氣體傳感器進行進一步的性能測試。
圖11(a)展示了短期連續(xù)重復(fù)性測試結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn),傳感器在5個周期的測試過程中對體積分數(shù)為1×10-6乙炔的響應(yīng)值穩(wěn)定在14左右,顯示出了良好的重復(fù)性,響應(yīng)恢復(fù)時間按照T90計算分別為5s與87s。
圖11(b)展示了傳感器在乙炔體積分數(shù)為0.1×10-6~1000×10-6的范圍內(nèi)的響應(yīng)值變化,傳感器對于乙炔的響應(yīng)曲線單調(diào)上升,但曲線斜率逐漸減小。
圖11(c)為耐濕性測試結(jié)果。利用不同的飽和鹽溶液LiCl、MgCl2、NaBr、NaCl和K2SO4,對應(yīng)的相對濕度分別為11%、32%、56%、75%和97%,傳感器對應(yīng)體積分數(shù)為1×10-6的乙炔響應(yīng)值分別是9.13、7.56、6、5.6、2.81,相對濕度由0變?yōu)?1%,響應(yīng)值由14.3降低為9.13。在32%到75%的相對濕度中,傳感器的響應(yīng)值較為穩(wěn)定,保持在6左右;當相對濕度達到97%時,傳感器的響應(yīng)值又出現(xiàn)了一定的降低。這可能是因為,水分子占據(jù)了氣敏薄膜表面的吸附位點,這不僅導(dǎo)致后續(xù)和乙炔氣體進行反應(yīng)的吸附氧大幅減少,還阻礙了乙炔氣體的吸附,最終引起傳感器基線電阻和響應(yīng)的降低[21]。
圖11(d)是變壓油中氣體選擇性測試結(jié)果。比較體積分數(shù)為1×10-6乙炔、氫氣、乙烯、甲烷、乙烷、一氧化碳和二氧化碳的響應(yīng)值可見,MEMS氣體傳感器對于乙炔具有良好的選擇性。
圖11(e)為一個月內(nèi)每隔5d測試乙炔傳感器對體積分數(shù)為1×10-6乙炔的響應(yīng)。從中可見,傳感器的響應(yīng)值在一個月內(nèi)的波動在8.1%以內(nèi),表明了本文所制備的MEMS乙炔氣體傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性。
將本研究的MEMS乙炔氣體傳感器與其他文獻乙炔傳感器性能進行對比,結(jié)果如表1所示。文獻中的乙炔傳感器的工作溫度較高,高工作溫度不僅會使傳感器功耗變大,更會影響傳感器的使用壽命。此外在部分工作溫度較低的文獻報道中,材料的工作溫度能夠低至125℃,但是難以滿足低濃度乙炔的檢測限要求。本文制備的MEMS乙炔氣體傳感器在200℃的工作溫度下對體積分數(shù)為1×10-6的乙炔響應(yīng)值可達14,對乙炔檢測極限可至體積分數(shù)為0.1×10-6,且通過磁控濺射的制備方法不僅能夠進行大批量的晶圓化制造,還可以保證所制備傳感器的一致性。
5 氣敏機理分析
SnO2作為典型的n型半導(dǎo)體,主要應(yīng)用氧氣吸附和解吸附模型進行氣敏機理解釋[24]。當傳感器暴露在空氣中時,空氣中的氧氣從SnO2的導(dǎo)帶奪取電子變?yōu)檠蹼x子,形成電子耗盡層,增加勢壘高度;當傳感器暴露在還原性乙炔氣體中時,乙炔氣體分子與吸附態(tài)氧離子反應(yīng),將氧離子俘獲的電子重新返還給SnO2導(dǎo)帶,勢壘高度降低[25]。
圖12(a)、12(b)展示了Au修飾SnO2薄膜材料在不同狀態(tài)下的電子耗盡層變化情況。當薄膜材料表面沒有氣體吸附時,自由電子會由SnO2移動到Au表面,從而在SnO2表面形成耗盡層,在SnO2和Au接觸的位置形成肖特基勢壘。當材料和氧氣接觸時,在金屬氧化物表面會產(chǎn)生吸附氧,同時不同溫度產(chǎn)生不同的吸附物質(zhì)。本文在200℃制備Au修飾SnO2氣敏薄膜,吸附過程表示如下
O2(吸附)+2e-→2O-(吸附) (2)
吸附氧離子主要以O(shè)-的形式存在[26]。相比純SnO2,更多電子由Au修飾SnO2材料的導(dǎo)帶傳輸?shù)窖醴肿?,使得電子耗盡層厚度更大,基線電阻更高,表示如下
C2H2+5O-(吸附)→2CO2+H2O+5e- (3)
當乙炔氣體和材料接觸時,會和材料表面的O-發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生CO2和H2O,將電子釋放回材料中,更多被捕獲的電子釋放回SnO2導(dǎo)帶,因此其電阻變化大于純SnO2,導(dǎo)致響應(yīng)值增加[27]。此外,Au納米粒子在SnO2薄膜表面起到了催化氧化作用,Au的存在加快氧分子的吸附,降低C2H2脫氫反應(yīng)的焓變,從而提高響應(yīng)[28]。
由4種樣品對乙炔響應(yīng)值和響應(yīng)恢復(fù)時間的對比得到,20s-Au/SnO2性能最佳。其原因可能如下,由圖3(a)中可以看出:10s-Au/SnO2中的Au的修飾量太少,難以發(fā)揮其對SnO2薄膜的修飾作用;30s-Au/SnO2薄膜表面團聚形成較大Au顆粒,阻礙了氣體和SnO2薄膜表面接觸,從而使得響應(yīng)降低;20s-Au/SnO2得到的Au納米粒子尺寸最合適,在SnO2薄膜表面起到了修飾作用的同時不影響SnO2薄膜與氣體的接觸。
4 結(jié)束語
研發(fā)了一款薄膜兼容型高響應(yīng)MEMS乙炔氣體傳感器,利用磁控濺射技術(shù),實現(xiàn)了硅基上制備薄膜兼容的Au修飾SnO2氣敏薄膜材料,得到的薄膜材料一致性好、可重復(fù)性強。首先與純SnO2薄膜相比,Au粒子在SnO2材料表面起到了催化作用,加快了氧氣以及乙炔在材料表面的反應(yīng)速率;其次Au粒子與SnO2之間形成了肖特基勢壘,提高了氣敏材料電阻的變化幅度,從而提高傳感器的靈敏度。4種不同Au修飾量的樣品中,經(jīng)20 s-Au濺射修飾的SnO2薄膜材料的最佳工作溫度最低為200℃,對體積分數(shù)為1×10-6的乙炔響應(yīng)值高達14左右,響應(yīng)時間僅為5s,乙炔檢測極限低至體積分數(shù)為0.1×10-6,具有良好的重復(fù)性、選擇性以及長期穩(wěn)定性。
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(編輯 杜秀杰)