CN102687394B - 至少一阶和二阶温度补偿谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度补偿谐振器（1），该谐振器（1）包括使用时变形的本体，本体的芯部（3）包括第一材料。根据本发明，本体包括至少第一涂层和第二涂层（4，5），所述涂层（4，5）使得所述谐振器具有基本上为零的一阶和二阶（α,β）温度系数。本发明涉及时基和频率基领域。

Description

至少一阶和二阶温度补偿谐振器

技术领域

本发明涉及一种用于制造时基或频率基的游丝、MEMS或音叉类型的温度补偿谐振器，该谐振器的至少一阶和二阶温度系数基本上为零。

背景技术

文献EP1422436公开了一种由硅形成且涂覆有二氧化硅的游丝，以便使温度系数在COSC（瑞士官方天文台表测试机构）认证过程温度——即，在+8℃和+38℃之间——附近基本上为零。类似地，文献WO2008-043727公开了一种MEMS谐振器，该谐振器在相同的温度范围内具有其杨氏模量漂移低的类似性能。

然而，在上述文献中仅二阶频率漂移根据应用需要复杂的校正。例如，对于能够得到COSC认证的电子表，必须根据温度测量实施电子校正。

发明内容

本发明的目的是，通过提供一种至少一阶和二阶温度补偿谐振器来克服上述全部或部分缺点。

因此，本发明涉及一种温度补偿谐振器，该谐振器包括使用时变形的本体，本体的芯部包括第一材料，其特征在于，所述本体包括分别由第二材料和第三材料制成的至少第一涂层和第二涂层，每种材料的杨氏模量随温度的变化是不同的，所述至少第一涂层和第二涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度基本上为零的一阶和二阶频率变化。

有利地，根据本发明，使用时变形的谐振器本体具有与待补偿的温度系数的阶数一样多的涂层。因此，根据芯部和各涂层的材料的各阶的大小和表征（signes），计算出每层厚度，以便相互补偿。

根据本发明的其它有利特征：

-本体包括由第四材料制成的第三涂层，该第四材料的杨氏模量随温度的变化与芯部以及其它涂层的材料的不同，所述三个涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度基本上为零的一阶、二阶和三阶频率变化；

-芯部本体具有随温度的一阶和二阶杨氏模量变化，该变化是负的，像单晶硅一样；

-本体包括基本上四边形形状的截面，该本体的面是成对相同的或全部涂覆有涂层；

-第一涂层具有随温度的正一阶和负二阶杨氏模量变化，例如二氧化硅；

-第二涂层具有随温度的正二阶和正一阶杨氏模量变化，例如二氧化锗，或具有随温度的负一阶杨氏模量变化；

-第一涂层与第二涂层顺序颠倒；

-所述涂层优先沉积在与本体的中性面平行的表面上，以便以尽可能大的强度改善所述谐振器的频率;

-本体是围绕其自身卷绕的杆以形成游丝，并联接到惯性飞轮上，或包括至少两个对称安装的杆以形成音叉，或者它是MEMS谐振器。

最后，本发明还涉及一种时基或频率基，例如钟表，其特征在于，它包括至少一个根据前述变型的任何一个的谐振器。

附图说明

从下列参考附图通过非限制性示例给出的描述中，可以清楚发现其它特征和优点，其中：

-图1是游丝的总体透视图；

-图2是图1的游丝的代表性截面；

-图3是根据本发明的几个实施例的视图；

-图4是示出根据本发明的第一实施例的各种材料的弹性模量的曲线图；

-图5是示出根据本发明的第二实施例的各种材料的弹性模量的曲线图；

-图6是示出根据本发明的谐振器没有频率变化的曲线图；

-图7是示出涂覆有二氧化硅的硅游丝的一阶和二阶温度系数变化的曲线图；

-图8是示出涂覆有二氧化锗的硅游丝的一阶和二阶温度系数变化的曲线图；

-图9是示出涂覆有二氧化硅和二氧化锗的硅游丝的一阶和二阶温度系数变化的曲线图。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及一种谐振器，该谐振器可以是游丝、音叉或更一般地MEMS（“微机电系统”）谐振器。为了简化本发明的解释，下面展示的应用仅涉及游丝。然而，本领域技术人员可以根据下文给出的启示无过多困难地完成像上述谐振器一样的其它谐振器应用。

类似地，下面的解释涉及本体的芯部，在我们的示例中为由单晶硅形成的游丝。然而，芯部的材料不限于单晶硅，而是可扩展到不同类型的材料，例如多晶硅、玻璃、氮化物、钻石、单晶石英或金属。

图6的曲线图示出作为温度的函数的当前谐振器的频率漂移特征。标为“z切石英”的第一条实线曲线示出通过轻微转动z切制成的32kHz单晶石英音叉的频率漂移。标为“Si-SiO₂”的第二条虚线曲线示出涂覆有二氧化硅的硅MEMS谐振器的频率漂移。

对于这两条曲线，可以看出，在宽的温度范围上，尤其是在-20℃和+80℃之间，漂移是非零的。该频率漂移主要与杨氏模量随温度的变化相关。然而，两个当前制造示例的在+10℃和+40℃之间的低频率漂移也可能需要谐振器的外在校正。例如，对于包含石英音叉的电子表，就是如此，该石英音叉在表的温度测量的基础上进行电子校正，以获得COSC认证。

因此，有利地，本发明的目的是，提出一种谐振器，其中，随着温度的频率漂移进一步降低，如标为“复合物”的点划线曲线所示，该曲线的比例与另两条曲线的比例刻意保持相同，以便示出漂移的显著不同。更具体地，根据本发明的谐振器本体包括与待补偿的温度系数一样多的涂层。

因此，优选地，该谐振器本体包括至少两层涂层，如果二阶补偿仍然导致不可接受的频率漂移的话，可包括第三涂层。然而，在三阶补偿后，对于任何谐振器来说，频率漂移变成可忽略不计。因此，根据芯部和各涂层的材料的各阶的大小和表征，计算出各层厚度，以便相互补偿。

通过定义，谐振器的相对频率变化遵循下列关系：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=A+\mathrm{\α}\·(T-T_0)+\mathrm{\β}\·{(T-T_0)}^2+\mathrm{\γ}\·{(T-T_0)}^3$

式中

是相对频率变化，用ppm（10^-6）表示；

-A是取决于参考点的常数，用ppm表示；

-T₀是参考温度，用℃表示；

-α是一阶温度系数，用ppm.℃^-1表示；

-β是二阶温度系数，用ppm.℃^-2表示；

-γ是三阶温度系数，用ppm.℃^-3表示；

此外，热弹性系数（CET）表示杨氏模量随温度的相对变化。因此，下面使用的术语“α”和“β”分别表示一阶温度系数和二阶温度系数——即，谐振器的随温度的相对频率变化。术语“α”和“β”取决于谐振器本体的热弹性系数和谐振器本体的膨胀系数。此外，术语“α”和“β”也考虑任何的分开的惯性块——例如用于游丝摆轮谐振器的摆轮——所特有的系数。由于必须维持用于时基或频率基的任何谐振器的振荡，热依赖也可包括来自维持系统的贡献。优选地，谐振器本体是涂有至少两层涂层4、5的芯部3。

图1至图3示出的示例示出与内桩2一体的游丝1，其中，补偿了本体的一阶和二阶温度系数。图2提出一种游丝本体的横截面，该横截面更清楚地示出其四边形形状的截面。因此，本体可以由其长度l、高度h和厚度e限定。图3示出可能的但非穷尽的替代方案A、A'、B、C和D。当然，为了更清楚地示出各部分3、4和5的位置，涂层4和涂层5与芯部3的尺寸不成比例。

在第一替代方案A中，截面的单个表面顺序涂覆涂层4和然后涂层5。涂层4和涂层5涂覆的顺序不固定，即，涂层4和涂层5的顺序可颠倒。此外，当所涂覆的是与杆的中性面F平行的表面时，与在与弯曲平面F垂直的表面上实施沉积相比，这更显著地改善了所述谐振器的频率。当然，也可以设想各涂层4、5设置在不同的表面上，如替代方案A'所示。

在第二替代方案B或C中，本体的截面包括成对的相同表面。因此，两个平行表面中的任一个包括以非特定顺序涂覆的两层涂层4、5，即，涂层4和涂层5的顺序可颠倒，如在示例B中的那样，或者每个平行表面具有涂层4、5中的其中一层，如在示例C中的那样。当然，也可以设想涂层4设置在两个相邻的表面上，另两个表面涂覆有涂层5。

在第三替代方案D中，本体的截面包括整个顺序涂覆有涂层4和然后涂层5的表面。然而，涂层4和涂层5涂覆的顺序不重要，即，涂层4和涂层5的顺序可颠倒。

图4示出各材料的杨氏模量的温度依赖性的曲线图，以示出使用硅、二氧化硅和二氧化锗的本发明的实施例。因此，当其它两种材料的杨氏模量通过升高温度而增加时，硅的杨氏模量通过升高温度而减小。此外，在两个温度数值之间，即，在-20℃和+80℃之间，相对于二氧化锗，对二氧化硅来说，增加更加显著。

事实上，当其它两种材料的热弹性系数的一阶是正的时，硅的热弹性系数的一阶和二阶是负的。然而，对于二氧化硅而言，二阶热弹性系数是负的，而对于二氧化锗而言它是正的。

然而，图4的解释的焦点在于材料的热弹性系数。还必须考虑材料的膨胀系数和振荡维持系统的影响，以最终获得谐振器频率改善的系数α、β。为了全面理解该最终解释，图7和图8示出它的这两个系数。

因此，在图7中，芯部3像硅一样具有负一阶和负二阶热弹性系数，并涂覆有涂层4，该涂层4包括正一阶和负二阶热弹性系数，例如二氧化硅。还考虑材料的膨胀系数，尤其是摆轮的膨胀系数（18ppm/℃）。振荡维持系统的影响在这里可忽略。图7还示出α阶（连续线）和β阶（非连续线）的单位是不相同的。可以看出，在某涂层厚度后，一阶α得到补偿，即，与线0相交，然而，二阶β相对于单独芯部材料简单地减小。因此，显然，虽然一阶α能够得到补偿，二阶β不能得到补偿。

在图8中，芯部3像硅一样具有负一阶和负二阶热弹性系数，并涂覆有涂层5，该涂层5具有正一阶和正二阶热弹性系数，例如二氧化锗。如在图7示出的一样，图8示出α阶（连续线）和β阶（非连续线）的单位是不相同的。可以看出，从薄的涂层厚度开始，二阶β得到补偿，即，与线0相交，然而，一阶α在较厚的厚度处得到补偿。然而，对于两个阶α和β不可能通过单个材料厚度得到补偿。

这是由于各材料在各阶的热弹性系数的大小不同。因此，考虑沉积单个补偿层来找到与芯部材料的热弹性系数正好“相反”的涂层材料似乎是不可能的，本发明提出为待补偿的各阶增加涂层。然后，各涂层不旨在“直接”校正阶，而是改善各个补偿。

通过示例，图9示出计算值。在该示例中，芯部3像硅一样具有负一阶和负二阶热弹性系数。芯部3涂覆有第一涂层4，该涂层4具有正一阶和负二阶热弹性系数，例如二氧化硅。第一涂层4继而被第二涂层5覆盖，该第二涂层5具有正一阶和正二阶热弹性系数，例如二氧化锗。

图9示出通过计算来调整各涂层厚度4、5使得阶α和β的补偿会聚在基本上相同的最终厚度上——即，两条曲线α和β在相同厚度处与线0相交——变得可能。因此，在图9的示例中，芯部3、第一涂层4和第二涂层5分别具有大约40μm、3.5μm和3.6μm的厚度。

因此，根据芯部3的希望厚度或者所希望的最终截面的厚度，可以提供一种谐振器，该谐振器与图6示出的“z切石英”或“Si-SiO₂”的热补偿相比具有显著改善的热补偿。

当然，本发明并不限于示出的示例，而是包括对于本领域技术人员来说能够进行的各种变型和改变。尤其是，为了获得改善的热补偿，可设想将其它材料用于芯部3或涂层4、5等。

通过示例，称为X的材料（像稳定的氧化锆或氧化铪）能够实现热补偿是很有可能的，该材料具有负一阶热弹性系数（像大多数材料一样）和正二阶热弹性系数。图5示出该示例。因此，显然，对于这种材料，第一涂层必须具有比图4的实施例的厚度更大的厚度。

Claims (17)

1.一种温度补偿谐振器(1)，该谐振器(1)包括使用时变形的本体，所述本体包括至少两个对称安装的杆以形成音叉，所述本体的芯部(3)包括第一材料，其特征在于，所述本体具有分别由第二材料和第三材料制成的至少第一涂层和第二涂层(4，5)，各材料的杨氏模量随温度的变化是不同的，所述芯部和所述至少第一涂层和第二涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度为零的一阶和二阶(α，β)频率变化。

2.一种温度补偿谐振器(1)，该谐振器(1)包括使用时变形的本体，所述本体是围绕其自身卷绕的杆以形成游丝，并联接到惯性飞轮上，所述本体的芯部(3)包括第一材料，其特征在于，所述本体具有分别由第二材料和第三材料制成的至少第一涂层和第二涂层(4，5)，各材料的杨氏模量随温度的变化是不同的，所述芯部和所述至少第一涂层和第二涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度为零的一阶和二阶(α，β)频率变化。

3.一种温度补偿谐振器(1)，该谐振器(1)包括使用时变形的本体，所述本体是MEMS谐振器，所述本体的芯部(3)包括第一材料，其特征在于，所述本体具有分别由第二材料和第三材料制成的至少第一涂层和第二涂层(4，5)，各材料的杨氏模量随温度的变化是不同的，所述芯部和所述至少第一涂层和第二涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度为零的一阶和二阶(α，β)频率变化。

4.根据权利要求1、2或3所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体包括由第四材料制成的第三涂层，该第四材料的杨氏模量随温度的变化与所述芯部(3)和所述第一涂层和第二涂层(4，5)的材料的不同，所述芯部和所述第一涂层、第二涂层和第三涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度为零的一阶、二阶和三阶(α，β，γ)频率变化。

5.根据权利要求1、2或3所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体的所述芯部(3)具有随温度的负一阶和负二阶杨氏模量变化。

6.根据权利要求5所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体的所述芯部(3)包括单晶硅。

7.根据权利要求1、2或3所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体具有四边形形状的截面，所述本体具有成对的相同面。

8.根据权利要求1或2所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体包括四边形形状的截面，所述本体的面全部涂覆有涂层。

9.根据权利要求1、2或3所述的谐振器(1)，其特征在于，第一涂层(4)具有随温度的正一阶和负二阶杨氏模量变化。

10.根据权利要求9所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第一涂层(4)包括二氧化硅。

11.根据权利要求9所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)具有随温度的正二阶杨氏模量变化。

12.根据权利要求11所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)具有随温度的正一阶杨氏模量变化。

13.根据权利要求12所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)包括二氧化锗。

14.根据权利要求11所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)具有随温度的负一阶杨氏模量变化。

15.根据权利要求11所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第一涂层(4)与所述第二涂层(5)的顺序颠倒。

16.根据权利要求1、2或3所述的谐振器(1)，其特征在于，所述涂层优先沉积在与所述本体的中性面(F)平行的表面上，以便以最大的强度改善所述谐振器的频率。

17.一种钟表，其特征在于，它包括至少一个根据权利要求1、2或3所述的谐振器。