检测传感器.pdf

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1、10申请公布号CN102057264A43申请公布日20110511CN102057264ACN102057264A21申请号200980120861022申请日20090605200814865720080605JPG01L1/10200601G01P15/10200601H01L29/8420060171申请人国立大学法人静冈大学地址日本静冈县72发明人桥口原74专利代理机构北京尚诚知识产权代理有限公司11322代理人龙淳54发明名称检测传感器57摘要本发明涉及检测传感器。将用简易的结构高灵敏度地检测外力或者加速度作为目的。外力检测传感器1具备包含具有多个固定梳齿部12A的固定电极10以及。

2、具有多个插入固定梳齿部12A之间的可动梳齿部20A的可动电极20的梳齿电极2、为了由相对于固定电极10的静电力以规定的共振频率使可动电极20振动而被连接于固定电极10和可动电极20的电源3、基于使可动电极20振动的时候的固定电极10与可动电极20之间的电气特性的变化检测外力的检测部4，关于邻接的固定梳齿部12A以及插入其间的可动梳齿部20A，一个固定梳齿部12A和可动梳齿部20A的间隔与另一个固定梳齿部12A和可动梳齿部20A的间隔不同。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010120386PCT申请的申请数据PCT/JP2009/0603642009060587PCT申请的公布数据W。

3、O2009/148156JA2009121051INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书9页附图5页CN102057271A1/1页21一种检测传感器，其特征在于，具备梳齿电极，包含具有多个固定梳齿部的固定电极以及具有多个插入所述固定梳齿部之间的可动梳齿部的可动电极；电源，为了利用相对于所述固定电极的静电力使所述可动电极以规定的共振频率振动而被连接于所述固定电极和所述可动电极；以及检测单元，基于使所述可动电极振动的时候的所述固定电极与所述可动电极之间的电气特性的变化，检测外力或者加速度，关于邻接的所述固定梳齿部以及插入其间的所述可动梳齿部，一个固定梳齿部和。

4、该可动梳齿部的间隔与另一个固定梳齿部和该可动梳齿部的间隔不同。2如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源提供使所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动的共振频率的电力。3如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源提供使所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动的共振频率的电力。4如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源通过在使所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动的第1共振频率与使所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率之间切换所述规定的频率，从而变更所述可动电极的振动方向，在所述第1共振频率下，所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上。

5、振动，在所述第2共振频率下，所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动。5如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源产生重叠了使所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动的第1共振频率以及使所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率的信号。6如权利要求15中任意一项所述的检测传感器，其特征在于，与所述固定梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的该固定梳齿部的长度和与所述可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的该可动梳齿部的长度不同，所述电源提供使所述可动电极在与所述可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上振动的共振频率的电力。7如权利要求16中任意一项所。

6、述的检测传感器，其特征在于，所述电源与成为所述共振频率的信号重叠地产生直流偏压信号。权利要求书CN102057264ACN102057271A1/9页3检测传感器技术领域0001本发明涉及检测外力或者加速度的检测传感器。背景技术0002作为检测外力或者加速度的传感器，例如可以列举加速度传感器和位移传感器。其中，关于加速度传感器，一般是由容量变化或者电阻应变方式检测可动质量的静态位移的方法。例如，在下述专利文献1中公开了根据静电容量的变化检测位移的加速度传感器。0003专利文献0004专利文献1日本特开平10206457号公报发明内容0005发明所要解决的问题0006然而，在由静电致动器STAT。

7、ICACTUATOR检测静电容量变化的情况下，为了提高灵敏度需要下工夫，电阻应变方式容易招致装置的复杂化。0007本发明是为了解决上述问题而悉心研究的结果，以提供一种能够用简易的结构高灵敏度地检测外力或者加速度的检测传感器为目的。0008解决问题的技术手段0009本发明的检测传感器具备包含具有多个固定梳齿部的固定电极和具有多个插入到固定梳齿部之间的可动梳齿部的可动电极的梳齿电极、为了由相对于固定电极的静电力使可动电极以规定的共振频率振动而被连接于固定电极和可动电极的电源、以及基于使可动电极振动时的固定电极与可动电极之间的电气特性的变化而检测外力或者加速度的检测单元，关于邻接的固定梳齿部以及被插。

8、入其间的可动梳齿部，一个固定梳齿部和该可动梳齿部的间隔与另一个固定梳齿部和该可动梳齿部的间隔不同。0010根据这样的检测传感器，关于邻接的固定梳齿部与被插入其间的可动梳齿部，因为固定梳齿部与可动梳齿部的间隔在左右不同，所以如果以规定的共振频率的静电力使可动电极振动，那么在施加外力的时候，固定电极与可动电极之间的电气特性会发生较大的变化。因此，通过检测该变化，能够高灵敏度地检测外力或者加速度。另外，装置的结构也变得简单。0011在本发明的检测传感器中，优选，电源提供使可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动的共振频率的电力。0012在此情况下，因为可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动，所以能够特别高。

9、灵敏度地检测施加于该排列方向上的外力或者加速度。0013在本发明的检测传感器中，优选，电源提供使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动的共振频率的电力。0014在此情况下，因为可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动，所以能够特别高灵敏度地检测施加于该延伸方向上的外力或者加速度。说明书CN102057264ACN102057271A2/9页40015在本发明的检测传感器中，优选，电源通过在使可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动的第1共振频率与使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率之间切换规定的频率，从而变更可动电极的振动方向，可动电极在第1共振频率下，在可动梳齿部的排列方向上振动，在第。

10、2共振频率下，在可动梳齿部的延伸方向上振动。0016在此情况下，在可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动的情况下，能够特别高灵敏度地检测被施加于该排列方向上的外力或者加速度，并且在可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动的情况下，能够特别高灵敏度地检测被施加于该延伸方向上的外力或者加速度。而且，因为电源通过切换共振频率从而变更可动电极的振动方向，所以对应于所检测的外力或者加速度的方向而仅切换共振频率，从而能够高灵敏度地检测外力或者加速度。0017在本发明的检测传感器中，优选，电源产生重叠了使可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动的第1共振频率和使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率的信号。

11、。0018在此情况下，在共振频率下使可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动，在共振频率下使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动。在此情况下，在可动梳齿部的排列方向和延伸方向上，因为由外力或者加速度而发生变化的共振频率各不相同，所以即使不进行频率切换，也能够分别高灵敏度地检测各个方向的外力或者加速度。0019在本发明的检测传感器中，优选，与固定梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的该固定梳齿部的长度和与可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的该可动梳齿部的长度不同，电源提供使可动电极在与可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上振动的共振频率的电力。0020在此情况下，因为与固定梳齿部。

12、的延伸方向以及排列方向正交的方向高度方向上的该固定梳齿部的长度和与可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向高度方向上的该可动梳齿部的长度不同，所以通过取得在以规定的共振频率使可动电极振动的时候的、固定电极与可动电极之间的电气特性，从而即使在高度方向上也能够检测外力或者加速度。0021在本发明的检测传感器中，优选，电源与成为共振频率的信号重叠地产生直流偏压信号。0022发明的效果0023根据这样的检测传感器，通过使固定梳齿部与可动梳齿部的间隔在左右不同，从而能够根据将共振频率的静电力赋予可动电极的时候的固定电极与可动电极之间的电气特性的变化而检测外力或者加速度。其结果，能够用简易的结构高灵敏度。

13、地检测外力或者加速度。附图说明0024图1是示意性地表示实施方式所涉及的外力检测传感器的整体结构的立体图。0025图2AC是表示可动电极的振动的情况的照片。0026图3是表示导纳与频率之间的关系的图表。0027图4是表示共振频率与直流偏压之间的关系的图表。0028图5是表示导纳曲线的解析值与实测值的比较的图表。说明书CN102057264ACN102057271A3/9页50029图6是表示关于共振频率的直流偏压依赖性的解析值与实测值的比较的图表。0030图7是表示共振频率与电压灵敏度之间的关系的图表。0031符号的说明00321外力检测传感器、2梳齿电极、3电源、4检测部检测单元、10固定电。

14、极、12A固定梳齿部、20可动电极、20A可动梳齿部。具体实施方式0033以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。在本实施方式中，将本发明所涉及的检测传感器适用于外力检测传感器。还有，在附图的说明中，将相同的符号标注于相同或者同等的要素上，从而省略重复的说明。0034图1是示意性地表示实施方式所涉及的外力检测传感器的整体结构的立体图。图2AC是表示可动电极的振动的情况的照片。图3是表示导纳ADMITTANCE与频率的关系的图表。图4是表示共振点与直流偏压的关系的图表。图5是表示导纳曲线的解析值与实测值的比较的图表。图6是表示关于共振点的直流偏压依赖性的解析值与实测值的比较的图表。图7。

15、是表示共振点与电压灵敏度的关系的图表。0035外力检测传感器1具备梳齿电极2、电源3以及检测部检测单元4。梳齿电极2具有固定电极10以及可动电极20。0036固定电极10被构成为包含下部硅层11、上部硅层12以及被夹持于这两个上下硅层的绝缘层13。上部硅层12具有多个突出为凸状的固定梳齿部12A。0037可动电极20由硅形成，并被弹性支撑部21所支撑。可动电极20具有多个突出为凸状的可动梳齿部20A。可动梳齿部20A以被插入到邻接的固定梳齿部12A之间的方式进行配置。即固定电极10的固定梳齿部12A和可动电极20的可动梳齿部20A以隔开一定的间隙进行咬合的方式进行配置。其结果，固定电极10上部。

16、硅层12与可动电极20相对。0038关于邻接的固定梳齿部12A以及被插入其间的可动梳齿部20A，一个固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的间隔图1中的Y1和另一个固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的间隔图1中的Y2不同。0039电源3是用于相对于固定电极10使可动电极20振动的装置，被构成为包含交流电源31、直流电源32以及电阻部33。电源3被连接于固定电极10和可动电极20。通过由直流电源32将偏置电压施加于固定电极10与可动电极20之间，并由交流电源31重叠地施加交流电压，从而可动电极20相对于固定电极10发生振动。电源3以规定的共振频率的静电力使可动电极20在规定的方向上振动。0040在图。

17、2中表示由电源3而引起的可动电极20的振动的情况。图2A是可动电极20还未振动的状态的照片。图2B是通过赋予某个规定的共振频率第2频率从而可动梳齿部20A可动电极20在X方向上振动的状态的照片。图2C是通过赋予与第2频率不同的规定的共振频率第1共振频率从而可动梳齿部20A可动电极20在Y方向上振动的状态的照片。在此，所谓X方向，是指固定梳齿部12A以及可动梳齿部20A的延伸方向，所谓Y方向，是指固定梳齿部12A以及可动梳齿部20A的排列方向。这样，电源3通过切换共振频率从而变更可动电极20的振动方向。0041电源3也可以在重叠了使可动电极20在Y方向上振动的第1共振频率和使可动说明书CN102。

18、057264ACN102057271A4/9页6电极20在X方向上振动的第2共振频率的信号的静电力下使可动电极20振动。在此情况下，可动电极20在对角线方向上振动。0042检测部4是基于在以规定的共振频率使可动电极20振动的时候的固定电极10与可动电极20之间的电气特性的变化而检测外力的部分。还有，在图1中，检测部4与固定电极10以及可动电极20连接，但是，也可以被连接于电阻部33的两端，也可以被连接于电源3的两端。另外，也可以串联连接电源3和检测部4。0043在此，对由检测部4检测外力的原理进行说明。在如以上所述决定X方向以及Y方向的情况下，由直流电压E以及交流电压E的施加而发生振动的外力检。

19、测传感器1的拉格朗日LAGRANGIAN由下述式1表示。0044数100450046在此，X，Y是由直流电压E的施加而朝着可动梳齿部20A的X，Y方向的位移量。X，Y是由交流电压E的施加而朝着可动梳齿部20A的X，Y方向的位移量。VX，VY分别是朝着X方向、Y方向的移动速度。M是可动电极20的质量。KX，KY是支撑各个可动电极20的弹性支撑部21的X方向、Y方向的弹簧常数。CX，Y是固定电极10与可动电极20之间的静电容量，CP是下部硅层11与上部硅层12之间的寄生容量。另外，QO，Q是分别表示由直流电压和交流电压的施加而引起的电荷量的值。0047将固定梳齿部12A以及可动梳齿部20A的根数梳。

20、齿的根数作为N，将各个梳齿部的高度图1中的上下方向的长度作为B，此时，静电容量CX，Y由下述式2表示。还有，0是真空的介电常数。另外，X0是沿着X方向的固定梳齿部12A和可动梳齿部20A的初始间隔没有振动时的间隔。再有，Y1是邻接的固定梳齿部12A以及被插入其间的可动梳齿部20A中的一个固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的初始间隔，Y2是另一个固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的初始间隔。0048数200490050另外，系统的能量耗散函数F作为电流I以及速度VX，VY的函数并由下述式3给出。还有，RF，R分别是机械阻力和电阻。0051数300520053关于机械坐标系X方向以及Y方向以及电气。

21、坐标系的拉格朗日运动方程式使用上述式1、2并如以下所示表示。在此，FX，FY分别是外力的X成分和Y成分。0054数4说明书CN102057264ACN102057271A5/9页700550056数500570058数600590060在对上述拉格朗日运动方程式46进行计算后，可以获得表示外力检测传感器1的动作的下述运动方程式79。还有，式9中的E0为直流偏压。0061数7006200630064数8006500660067数9006800690070在此，如果假设位移X，Y以及交流电压E充分小并考虑角频率下的稳定状态，那么通过对上述式79进行泰勒展开而得到其一次项，从而获得下述联立方程式10。

22、0071数100072说明书CN102057264ACN102057271A6/9页80073在此，C0为E0时的静电容量，并由下式11给出。0074数1100750076另外，D，B，G，CY”分别由下述式1215给出。D，B分别是X方向、Y方向的电气机械结合系数，G是X方向Y方向的机械振动的相互作用系数。0077数1200780079数1300800081数1400820083数1500840085如以上所述，式1115中的X，Y是由直流电压E的施加而引起的向可动梳齿部20A的X，Y方向的位移量，但是，它能够从作为式79的泰勒展开的零次项而获得的下述联立方程式16、17导出。0086数16。

23、00870088数170089说明书CN102057264ACN102057271A7/9页90090在图3中表示在上述式10中作为FXFY0的情况将外力作为0的情况下的、从电气系统看时的导纳ADMITTANCE曲线LA。图3的图表的纵轴、横轴分别是导纳S、频率HZ。图3的导纳曲线LA是如以下所述设定各个参数的时候的解析结果。0091可动电极20的质量M19106KG0092X方向弹簧常数KX111N/M0093Y方向弹簧常数KY51N/M0094梳齿的根数N1070根0095X方向上的固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的重叠X110M0096关于邻接的固定梳齿部12A以及被插入其间的可动梳齿。

24、部20A的Y方向上的一个固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的间隔Y125M0097关于邻接的固定梳齿部12A以及被插入其间的可动梳齿部20A的Y方向上的另一个固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的间隔Y230M0098X方向的机械阻力RX40105NS/M0099Y方向的机械阻力RY10106NS/M0100寄生容量CP465PF0101直流偏压E03V0102如图3所示，梳齿电极2具有两个共振点共振频率R1以及R2。在此，R1是可动电极20在Y方向上振动的共振点第1共振频率，以下也称为“Y方向的共振点”，R2是可动电极20在X方向上振动的共振点第2共振频率，以下也称为“X方向的共振点”。在上述。

25、式1014中，如果Y1Y2而且Y0，那么B以及G成为0，并不发生X，Y两方向的机械结合以及Y方向的电气机械结合。由此，通过使Y1与Y2不同，从而激发Y方向的共振的发生。0103因此，通过以规定的共振频率使可动电极20在可动梳齿部20A的延伸方向X方向上或者在可动梳齿部20A的排列方向Y方向上振动，并测量导纳的变化，从而能够检测外力。为此，检测部4具备检测导纳并测定相位的变化的阻抗分析装置、编入有使用上述理论的运算程序的运算装置。检测部4通过将检测到的导纳输入到运算装置中，从而计算出外力的方向，并将计算结果输出至显示装置或者另外的运算装置均没有图示。0104然而，图3所示的Y方向的共振点依赖于直。

26、流偏压E0。在图4中表示该依赖关系。图4的图表的左纵轴、右纵轴以及横轴分别是X方向的共振频率HZ、Y方向的共振频率HZ以及直流偏压V。另外，图表内的虚线LX表示X方向的共振点的推移，实线LY表示Y方向的共振点的推移。Y方向的共振点存在随着直流偏压E0的减少而增大的趋势，并渐近于E00即Y方向的由弹簧质量系统决定的自由共振频率。另一方面，在X方向的共振点上看不到显著的直流偏压依赖性。0105Y方向的直流偏压依赖性类似于平行平板致动器的特性。在平行平板致动器中，众所周知两个平行平板互相拉的力在平板之间的间隔变小时增大，所以从电气系统看时的导纳的共振频率在增大直流偏压时变小。梳齿电极2的Y方向的共振。

27、点也由于与此相同的原理，随着直流偏压的增加而减少。另一方面，X方向的共振点不因直流偏压而发生变化，这是由于固定电极10以及可动电极20的互相拉的力相对于X方向的位移不发生变化。0106这样，X方向的共振频率基本上不依赖于直流偏压，但是，Y方向的共振频率依赖说明书CN102057264ACN102057271A8/9页10于直流偏压。因此，通过使直流偏压发生变化，从而能够在X方向和Y方向上使共振频率一致，并能够对X以及Y方向的共振频率将一方调整为另一方的常数倍。如果使X以及Y方向的共振频率为相同或者常数倍的关系，那么振动的轨道成为椭圆或者利萨佐斯图形状LISSAJOUSFIGURE的恒定轨道。以。

28、往的利用一维的往复运动的MEMSMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS传感器因为是往复运动，所以可动电极的速度成为零并且在外力的检测中产生误差。相对于此，如果采用该实施方式，那么因为可动电极20一直运动，所以速度不会成为零，因此，能够有效地检测外力。该实施方式特别是在将MEMS传感器作为陀螺仪传感器使用的时候是有效的。0107图5、6是在由图3、4所表示的解析结果中重叠了在与解析相同的条件下进行的实验结果的图表。关于图5，实线LA是与图3相同的导纳曲线，去白色的四角符号PA是导纳的实测值。另外，关于图6，虚线LX以及实线LY与图4相同，表示共振点的推移，涂黑的四角符号PX为。

29、X方向的共振点的实测值，去白色的四角符号PY是Y方向的共振点的实测值。如图5、6所示，关于导纳曲线以及X，Y方向的共振点的直流偏压依赖性的实验结果与解析结果非常好地一致。0108如以上所说明的那样，根据本实施方式，关于邻接的固定梳齿部12A和被插入其间的可动梳齿部20A，因为固定梳齿部12A与可动梳齿部20A的间隔在左右不同，所以如果以规定的共振频率使可动电极20振动，那么在施加外力的时候，固定电极10与可动电极20之间的电气特性导纳会发生较大的变化。因此，通过检测该变化，从而能够高灵敏度地检测外力。另外，外力检测传感器1的结构也变得简单。0109另外，外力检测传感器1在可动电极20在可动梳齿。

30、部20A的排列方向Y方向上振动的情况下，能够特别高灵敏度地检测被施加于该排列方向的外力，并且在可动电极20在可动梳齿部20A的延伸方向X方向上振动的情况下，能够特别高灵敏度地检测被施加于该延伸方向的外力。0110在图7的图表中表示以上所述的情况。该图表的纵轴以及横轴分别是电压灵敏度V/N、频率HZ。图表中的菱形符号MX表示外力被施加于可动梳齿部20A的延伸方向X方向的情况下的电压灵敏度阻抗分析装置的输出电压值，正方形符号MY表示外力被施加于可动梳齿部20A的排列方向Y方向的情况下的电压灵敏度。由虚线AX包围的区域表示可动电极20在X方向上振动的共振点X方向的共振点附近，由虚线AY包围的区域表示。

31、可动电极20在Y方向上振动的共振点Y方向的共振点附近。还有，直流偏压E0为5V。0111如由图7而明了的那样，外力检测传感器1在X方向以及Y方向的共振点上，能够高灵敏度地检测X方向以及Y方向的外力。特别是外力检测传感器1能够在Y方向的共振点附近AY非常高灵敏度地检测被施加于Y方向的外力，并且能够在X方向的共振点附近AX非常高灵敏度地检测被施加于X方向的外力。因此，通过电源3的共振频率的切换，从而能够高灵敏度地检测所想检测的外力的方向。另外，在以重叠了使可动电极20在Y方向上振动的第1共振频率和使可动电极20在X方向上振动的第2共振频率的静电力使可动电极20振动的情况下，不需要由电源3进行频率切。

32、换，能够高灵敏度地检测被施加于X方向或者Y方向的外力。0112在X方向和Y方向上使共振频率错开一点而发生X方向的共振运动的情况下，如说明书CN102057264ACN102057271A9/9页11果有Y方向的位移，那么Y方向的振幅急剧变大。如果利用该点，那么能够实现Y方向的检测灵敏度高的传感器。0113以上，基于本发明的实施方式详细地说明了本发明。但是，本发明并不限定于上述实施方式。在不脱离其宗旨的范围内，本发明可以有以下那样的各种各样的变形。0114在上述实施方式中，外力检测传感器1检测X方向以及Y方向二维空间上的外力，但是，也可以检测X，Y，Z方向三维空间上的外力。在此，所谓Z方向，是指。

33、与固定梳齿部或者可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向。在此情况下，对于邻接的固定梳齿部以及被插入其间的可动梳齿部，在使一个固定梳齿部和可动梳齿部的间隔与另一个固定梳齿部和可动梳齿部的间隔不同的同时，在Z方向上使固定梳齿部和可动梳齿部上的长度不同。然后，通过在与X方向以及Y方向的共振点不同的共振频率第3共振频率下使可动电极在Z方向上振动，从而能够高灵敏度地检测X，Y方向的外力，并且能够特别高灵敏度地检测Z方向的外力。0115在上述实施方式中，虽然将本发明所涉及的检测传感器适用于外力检测传感器，但是，也可以将本发明适用于检测加速度的传感器中。0116也可以将探针附于本发明所涉及的检测传感器的可动电极而实现检测来自探针的外力的接触传感器。这样的接触传感器例如能够作为原子力显微镜ATOMICFORCEMICROSCOPEAFM的探针使用。说明书CN102057264ACN102057271A1/5页12图1说明书附图CN102057264ACN102057271A2/5页13图2说明书附图CN102057264ACN102057271A3/5页14图3图4说明书附图CN102057264ACN102057271A4/5页15图5图6说明书附图CN102057264ACN102057271A5/5页16图7说明书附图CN102057264A。