CN101995812B

CN101995812B - 热补偿机械谐振器

Info

Publication number: CN101995812B
Application number: CN2010102542054A
Authority: CN
Inventors: P·库辛; A·卡贝扎斯朱林
Original assignee: ETA SCHWEIZ WATCH MANUFACTURING AG
Current assignee: ETA SCHWEIZ WATCH MANUFACTURING AG
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2030-08-12
Also published as: US8502624B2; JP2011041282A; EP2284628B1; EP2284628A2; EP2284628A3; HK1156117A1; EP2284629A1; US20110037537A1; CN101995812A; JP5806453B2

Abstract

本发明涉及一种包括条带的热补偿机械谐振器，该条带的多边形剖面的芯包括单晶硅。根据本发明，所述芯的一个或多个表面具有使所述谐振器对温度变化较不敏感的涂层。本发明涉及钟表领域。

Description

热补偿机械谐振器

技术领域

本发明涉及一种热补偿机械谐振器，并且更具体地，这种类型的谐振器包括由热补偿单晶硅制成的摆轮游丝(balance spring)或游丝(hairspring)。

背景技术

EP专利1422436公开了一种摆轮游丝，其芯由单晶硅制成并涂有二氧化硅涂层，从而热补偿所述摆轮游丝。它还使作为温度的函数的热弹性系数的变化最小化。但是，该文件只公开了相等厚度的涂层，这会使得摆轮游丝难以适应摆轮以便获得变化率最小的谐振器。

发明内容

本发明的一个目标是通过提出一种谐振器来克服全部或部分上述缺陷，所述谐振器为形成可进行热补偿的涂层提供更大的自由度。

因此，本发明涉及一种包括条带的热补偿机械谐振器，该条带的具有多边形剖面的芯包括单晶硅，该热补偿机械谐振器的特征在于，芯在其至少一个表面上具有使所述谐振器对温度变化较不敏感的涂层并且在至少一个其它表面上不具有涂层，或者该热补偿机械谐振器的特征在于，芯的至少两个相邻表面没涂有相同的厚度。

根据本发明的其它有利的特征：

-条带的剖面是包括相等的表面对的四边形；

-所述涂层优先沉积到平行于条带弯曲面的表面，从而定量地提高对所述谐振器频率的影响，或相反地，沉积到垂直表面，从而相比沉积在平行表面上较少影响地改变所述谐振器频率；

-所述条带绕其本身缠绕以形成至少一匝并与惯性飞轮耦接。它形成MEMS或至少两个对称组装的梁以制成音叉；

-所述涂层包括二氧化硅；

-所述芯由{100}或{111}单晶硅晶片制成；

-所述表面对沿{100}或{111}面的涂层厚度近似符合以下关系：

Y＝A·X³+B·X²+C·X+D

其中：

-Y是在平行于条带弯曲轴线A₁的表面上的涂层厚度相对于总条带高度h的百分比；

-X是在垂直于条带弯曲轴线A₁的表面上的涂层厚度相对于条带总底b的百分比；

-A是特征曲线多项式估计的三次项系数，为-3.5302×10^-5或-3.5565×10^-5；

-B是特征曲线多项式估计的二次项系数，为-1.114×10^-3或-1.0642×10^-3；

-C是特征曲线多项式估计的线性系数，为-0.29152或-0.28721；

-D是特征曲线多项式估计的基数，为15.522或16.446。

本发明涉及一种钟表，该钟表包括至少一个根据上述变型之一的谐振器。

附图说明

其它特征和优势将在参照附图非限制性给出的以下说明中变得清楚，附图中：

图1是摆轮游丝的总体透视图；

图2是图1的摆轮游丝的示意剖面；

图3是根据本发明的几个实施例的图；

图4是单晶硅的{100}面的杨氏模量作为其取向的函数的空间图；

图5是单晶硅的{100}面的杨氏模量变化作为其温度的函数的图；

图6是单晶硅的{111}面的杨氏模量作为其取向的函数的空间图；

图7是单晶硅的{111}面的杨氏模量变化作为其温度的函数的图；

图8是谐振器的频率变化作为其温度和涂层厚度的函数的图，所述谐振器的芯取自单晶硅的{100}面；

图9是图8在轴b₁+b₃[％b]方向上的一部分的垂直图；

图10是图8在轴h₁+h₃[％h]方向上的一部分的垂直图；

图11是图8在ΔF＝1方向上的一部分的水平图；

图12和13是谐振器频率变化作为位置和涂层厚度的函数的图；

图14是谐振器的频率变化作为其温度和涂层厚度的函数的图，

所述谐振器的芯取自单晶硅的{111}面；

图15是图14在轴b₁+b₃[％b]方向上的一部分的垂直图；

图16是图14在轴h₁+h₃[％h]方向上的一部分的垂直图；

图17是图14在ΔF＝1方向上的一部分的水平图。

具体实施方式

本发明涉及一种机械谐振器，可为游丝摆轮(sprung balance)、音叉或更一般地可为MEMS(微机电系统)类型。

但是，为解释本发明，如图1和2所示，我们将其应用于与摆轮协作的摆轮游丝以形成所述机械谐振器。摆轮游丝通常由长度l的条带绕成至少一匝而形成，条带的剖面具有底b和高h。

如图1所示，该条带优选地形成为具有其箍环(collet)的单件。优选地，这可通过采用单晶硅晶片制成，所述单晶硅晶片的厚度近似匹配底b的尺寸。该晶片经由深度反应离子刻蚀(DRIE)而在摆轮游丝及其箍环的整个形状被刻蚀。

如图2中所示，可看出底b的总尺寸由单晶硅和优选地由非晶二氧化硅(SiO₂)制成的两个相对涂层组成。该第一实施例在图3中由附图标记A更好地示出。图3还示出名为A₁的虚线，表示条带的弯曲轴线。如此，在第一实施例A中，只有垂直于弯曲轴线A₁的条带表面被分别涂有厚度b₁和b₃的涂层。这样，明显地，底的总尺寸b由这些涂层b₁和b₃以及单晶硅部分的尺寸b₂形成。

在图3的第二实施例B中，只有平行于弯曲轴线A₁的条带表面被分别涂有厚度h₁和h₃的涂层。如此，明显地，高的总尺寸h由这些涂层h₁和h₃以及单晶硅部分的尺寸h₂形成。

在图3的第三实施例C中，条带的所有表面都涂有涂层。条带的相邻表面不是以相同的方式涂敷，而优选地以相同的对的方式涂敷。如此，平行于弯曲轴线A₁的条带表面被分别涂有厚度h₁和h₃的涂层，垂直于弯曲轴线A₁的条带表面被分别涂有厚度b₁和b₃的涂层。如此，明显地，一方面高的总尺寸h由涂层h₁和h₃以及单晶硅部分的尺寸h₂形成，另一方面底的总尺寸b因而由涂层b₁和b₃以及单晶硅部分的尺寸b₂形成。明显地，尺寸h₁、h₃小于尺寸b₁、b₃。

在图3的第四实施例D中，条带的所有面以与第三实施例C相似的方式涂有涂层。条带的相邻面不以相同的方式涂敷，而优选地以相同的对的方式涂敷。与第三实施例C不同，尺寸h₁、h₃大于尺寸b₁、b₃。

根据本发明，采用在单晶硅晶片中沿{100}和{111}面切割而形成的条带来研究四个实施例A、B、C和D。图4中示出的例子示出单晶硅的{100}面的杨氏模量作为其取向的函数的图。显然，弹性根据条带弯曲的取向而变化。但是，在进行计算后，我们看到空间条带的结构实际上表现如同其具有中等的杨氏模量(ΔSi_moy)，如图5所示。该图还示出单晶硅的热弹性系数是负的(见标记□、○、△)，然而非晶二氧化硅(SiO₂)的热弹性系数是正的(见标记×)

这样，通过研究分别类似于图4和5，但关于{111}面的图6和7，可看出除了较高的杨氏模量值以外，由{111}面形成的条带以与由{100}面形成的类似方式起作用，即，可通过非晶二氧化硅(SiO₂)涂层对其进行补偿。

图8是为在单晶硅晶片中沿{100}面切割形成的条带而实施的计算的完整展现。图8示出作为温度和涂层厚度的函数的谐振器的频率变化，所述谐振器的条带取自{100}单晶硅。可看出在给出近似恒定的比率ΔF(即，等于1)的不同的热平面之间有收敛曲线。为更清楚地示出特征曲线，给出以下平面：图8在轴b₁+b₃[％b]的方向上(即％h＝0)的一部分的垂直平面(图9)，另一个在轴h₁+h₃[％h]的方向上，即％b＝0(图10)，最后形成了图8在ΔF＝1的方向上的水平平面(图11)。

图9实际上是图3的第一实施例A的热补偿曲线，示出在b₁+b₃相对于b的百分比在大约39％到41％之间时热曲线会聚在25℃线上。对于优选情况，其中每个相对表面遵循关系b₁＝b₃，于是对于第一实施例A，我们得到，两个表面的每一个的涂层厚度在19.5％到20.5％之间。在更详细的计算后，值b₁+b₃估计在大约39.65％。

类似地，参照图10，图10是图3的第二实施例的热补偿曲线，可看出在h₁+h₃相对于h的百分比在大约15％到16％之间时热曲线会聚在25℃线上。于是对于实施例B，对于优选情况，其中每个相对表面遵守关系h₁＝h₃，我们得到，两个面的每一个的涂层厚度在7.5％到8％之间。在更详细的计算后，值h₁+h₃估计在大约15.49％。

图11总结了所观察到的补偿条带的曲线，所述条带由单晶硅晶片沿{100}面切割而形成并具有非晶二氧化硅(SiO₂)涂层。如此，分别在x和y轴上再次找到第一和第二实施例A和B的值。另外，还看到注释曲线(annotated curve)E，对于曲线E在所有条带表面上应用相同的百分比，即，如EP专利1422436中那样。最后，可看到点B与曲线E之间的特征曲线属于图3的第四实施例D，曲线E与点A之间的特征曲线属于图3的第三实施例C。

为简化对于待形成的层的确定，计算三次多项式以简化谐振器的开发。

Y＝A·X³+B·X²+C·X+D

其中：

-Y是在平行于条带弯曲轴线A₁的表面上的涂层厚度h₁+h₃相对于总条带高度h的百分比；

-X是在垂直于条带弯曲轴线A₁的表面上的涂层厚度b₁+b₃相对于条带总底b的百分比；

-A是特征曲线多项式估计的三次项系数，为-3.5302×10^-5；

-B是特征曲线多项式估计的二次项系数，为-1.114×10^-3；

-C是特征曲线多项式估计的线性系数，为-0.29152；

-D是特征曲线多项式估计的基数(unit)，为15.522。

最后，图12和13分别示出理论上对谐振器频率的影响，取决于涂层覆盖垂直于弯曲轴线A₁的表面(实施例A)还是平行于弯曲轴线A₁的表面(实施例B)。注意，比起添加于垂直于弯曲轴线A₁的表面的涂层(实施例A)，频率定量地受添加于平行于弯曲轴线A₁的表面的涂层(实施例B)的影响更大。因此我们推论，根据在摆轮游丝和摆轮之间做出的形成谐振器的调整，实施例A、B、C、D和E中的一个会好于其它的。

对晶片的{100}面进行的研究也可对{111}面进行。这样，图14是对沿{111}平面切割的单晶硅晶片所形成条带进行的计算的完整图。

图14示出作为温度和涂层厚度的函数的谐振器频率变化，该谐振器的条带从单晶硅的{111}面得到。可看出在不同热平面之间也有会聚曲线，允许保持大致恒定的比率ΔF(即等于1)。为更清楚地说明特征曲线，给出以下平面：图14在轴b₁+b₃[％b]的方向上(即％h＝0)的一部分的垂直平面(图15)，另一个在轴h₁+h₃[％h]的方向上，即％b＝0(图16)，最后，形成图14在ΔF＝1的方向上的水平平面(图17)。

图15实际上是图3的第一实施例A的热补偿曲线，示出在b₁+b₃相对于b的百分比在近似41％到43％之间时，热曲线会聚在25℃线上。对于优选情况，其中每个相对表面遵循关系b₁＝b₃，于是对于实施例A，我们得到，两个面的每一个具有20.5％到21.5％的涂层厚度。在更详细的计算后，值b₁+b₃估计为约41.69％。

类似地，参照图16，其是图3的第二实施例B的热补偿曲线，可看出在h₁+h₃相对于h的百分比在大约16％到17％之间时热曲线会聚在25℃线上。对于优选情况，其中每个相对表面遵循关系h₁＝h₃，于是对于第二实施例B，两个面的每一个的涂层厚度在8％到8.5％之间。在更详细的计算后，值h₁+h₃估计为约16.46％。

图17总结了所观察到的补偿条带的曲线，所述条带由单晶硅晶片沿{111}面切割而形成并具有非晶二氧化硅(SiO₂)涂层。如此，分别在x和y轴上再次找到第一和第二实施例A和B的值。另外，还看到注释曲线E，对于曲线E在所有条带表面上应用相同的百分比，即，如EP专利1422436中那样。最后，可看到点B与曲线E之间的特征曲线属于图3的第四实施例D，曲线E与点A之间的特征曲线属于图3的第三实施例C。

Y＝A·X³+B·X²+C·X +D

其中：

-A是特征曲线多项式估计的三次项系数，为-3.5565×10^-5；

-B是特征曲线多项式估计的二次项系数，为-1.0642×10^-3；

-C是特征曲线多项式估计的线性系数，为-0.28721；

-D是特征曲线多项式估计的基数，为16.446。

于是，我们推论，如同{100}切割面一样，根据在从单晶硅的{111}切割面获得的摆轮游丝和摆轮(惯性飞轮)之间做出的形成谐振器的调整，实施例A、B、C、D和E中的一个会好于其它的。因此注意，与前面一样，切割面{100}或{111}之间的选择没有决定性的影响。

考虑到上述解释，显然所公开的教导允许制造其它类型的热补偿机械谐振器，例如，音叉或MEMS型谐振器。

Claims

1.一种包括条带的热补偿机械谐振器，所述条带耦接到惯性飞轮，所述条带绕其本身缠绕以形成至少一匝，所述条带的多边形剖面的芯包括单晶硅，其特征在于，所述芯在其至少一个表面上包括使所述谐振器对温度变化较不敏感的涂层，并且在至少一个其它表面上不具有涂层。

2.一种包括条带的热补偿机械谐振器，所述条带耦接到惯性飞轮，所述条带绕其本身缠绕以形成至少一匝，所述条带的多边形芯包括单晶硅并涂有使所述谐振器对温度变化较不敏感的涂层，其特征在于，所述芯的至少两个相邻表面没涂有相同的厚度。

3.如权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于，所述条带的剖面是四边形，其表面是相同的对。

4.如权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于，所述涂层优先沉积到平行于条带弯曲面的表面，从而定量地提高对所述谐振器频率的影响。

5.如权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于，所述涂层包括二氧化硅。

6.如权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于，所述芯由{100}单晶硅晶片制成，且所述芯的表面的涂层厚度近似符合以下关系：

Y＝A·X³+B·X²+C·X+D

其中：

-Y是在平行于条带弯曲轴线(A₁)的表面上的涂层厚度相对于总条带高度(h)的百分比；

-X是在垂直于条带弯曲轴线(A₁)的表面上的涂层厚度相对于条带总底(b)的百分比；

-A是特征曲线多项式估计的三次项系数，为-3.5302×10^-5；

-B是特征曲线多项式估计的二次项系数，为-1.114×10^-3；

-C是特征曲线多项式估计的线性系数，为-0.29152；

-D是特征曲线多项式估计的基数，为15.522。

7.如权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于，所述芯由{111}单晶硅晶片制成，且所述芯的表面的涂层厚度近似符合以下关系：

Y＝A·X³+B·X²+C·X+D

其中：

-A是特征曲线多项式估计的三次项系数，为-3.5565×10^-5；

-B是特征曲线多项式估计的二次项系数，为-1.0642×10^-3；

-C是特征曲线多项式估计的线性系数，为-0.28721；

-D是特征曲线多项式估计的基数，为16.446。

8.一种钟表，其特征在于，所述钟表包括至少一个如权利要求1或2所述的机械谐振器。