CN105182721B - 制造复合补偿游丝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造复合补偿游丝(31)的方法，所述复合补偿游丝包括由第一材料构成的第一厚度E1和由至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造复合补偿游丝的方法，且特别地，该游丝用于与摆轮协作以形成热补偿谐振器，即其频率对温度变化不敏感或几乎不敏感。
背景技术
欧洲专利No.1422436公开了一种游丝，其由硅制成并且涂覆有二氧化硅以使热系数在瑞士官方天文台检测机构(COSC)测试温度附近、即在+8和-38℃之间的温度下基本为0。通常，通过使硅芯部氧化而获得氧化硅，这使得补偿游丝的工业化生产成为可能。
然而，其它材料副是可以设想的，但更难使彼此固定，并且因此更难于生产。
发明内容
本发明的目的是通过提出用于制造复合补偿游丝的替代方法以克服上述缺陷中的全部或部分，所述复合补偿游丝与具有二氧化硅的单纯的硅相比允许更大可能的材料范围。
为此，根据第一实施例，本发明涉及一种制造复合补偿游丝的方法，其包括如下步骤：
a)取用由第一材料制成的第一晶片；
b)取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化异号；
c)将第一晶片接合或结合至所述至少一个第二晶片以形成衬底；
d)穿过衬底刻蚀图案以形成复合补偿游丝，所述复合补偿游丝包括由所述第一材料构成的第一厚度和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度；
e)从所述衬底释放复合补偿游丝。
另外，根据第二实施例，本发明涉及一种制造复合补偿游丝的方法，其包括如下步骤：
a)取用由第一材料制成的第一晶片；
b)取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化异号；
d')穿过每一晶片刻蚀相同图案；
c')将第一晶片接合或结合至所述至少一个第二晶片以形成衬底，并且通过叠置所述相同图案形成复合补偿游丝，所述复合补偿游丝具有由所述第一材料构成的第一厚度和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度；
e)从所述衬底释放复合补偿游丝。
最后，根据第三实施例，本发明涉及一种制造复合补偿游丝的方法，其包括如下步骤：
a)取用由第一材料制成的第一晶片；
b)取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化异号；
f)在每一晶片的仅部分厚度上刻蚀相同图案；
g)将第一晶片接合或结合至所述至少一个第二晶片，以通过叠置所述相同图案形成衬底；
f')在衬底的剩余部分中刻蚀所述相同图案以形成复合补偿游丝，所述复合补偿游丝包括由所述第一材料构成的第一厚度和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度；
e)从衬底释放复合补偿游丝。
根据本发明有利地，可因而使用多种材料以工业化的方式形成复合补偿游丝。取决于所使用的材料，可以使用三个实施例中的至少一个来制造复合补偿游丝，所述复合补偿游丝包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。
根据本发明的其它有利变型：
-第一材料和/或所述至少一种第二材料是硅基的，并且包括单晶硅、掺杂单晶硅、多晶硅、掺杂多晶硅、多孔硅、氧化硅、石英、硅石、氮化硅或碳化硅。
-第一材料和/或所述至少一种第二材料是陶瓷基的，并且包括可光构造玻璃(photostructurable glass)、硼硅酸盐、铝硅酸盐、石英玻璃、微晶玻璃(zerodur)、单晶刚玉、多晶刚玉、矾土、氧化铝、氮化铝、单晶红宝石、多晶红宝石、氧化锆、氧化钛、氮化钛、碳化钛、氮化钨、碳化钨、氮化硼或碳化硼；
-第一材料和/或所述至少一种第二材料是金属基的，并且包括铁合金、铜合金、镍或镍合金、钛或钛合金、金或金合金、银或银合金、铂或铂合金、钌或钌合金、铑或铑合金、或者钯或钯合金；
-在同一衬底上形成多个复合补偿游丝。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从参照附图以非限制性示出方式给出的以下描述中更加清楚地显现，在附图中：
-图1至图3是本发明的使用两个晶片的第一实施例的步骤图；
-图4至图6是本发明的使用两个晶片的第二实施例的步骤图；
-图7至图10是本发明的使用两个晶片的第三实施例的步骤图；
-图11是根据本发明的使用两个晶片的三个实施例中的一个获得的复合补偿游丝的透视图；
-图12和13是本发明的使用多于两个晶片的第一实施例的替代方案的步骤图；
-图14至17是本发明的使用多于两个晶片的第二和第三实施例的替代方案的步骤图；
-图18是根据本发明的使用多于两个晶片的三个实施例中的一个所获得的复合补偿游丝的透视图。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及一种制造复合补偿游丝的方法，该复合补偿游丝用于形成游丝-摆轮型热补偿谐振器。
通过定义，谐振器的相对频率变化遵循以下关系：
其中：
是相对频率变化(百万分率ppm或10-6)；
-A是取决于参考点的常量(ppm)；
-T是测量温度(℃)；
-T0是参考温度(℃)；
-α是一阶热系数(ppm.℃-1)；
-β是二阶热系数(ppm.℃-2)；
-γ是三阶热系数(ppm.℃-3)；
另外，热弹性系数(TEC)表示杨氏模量随温度的相对变化。热系数——即谐振频率随温度的相对变化——取决于谐振器主体的热弹性系数和所述主体的膨胀系数。另外，所述热系数也将针对用于游丝-摆轮谐振器的摆轮(其形成飞轮)的系数考虑在内。由于必须保持用于时间或频率基准的任何谐振器的振荡/摆动，所述热系数还受来自保持系统例如擒纵机构的任何影响。
因此最重要的参数是热弹性系数(TEC)，该热弹性系数(TEC)不应和“CTE”——即与热膨胀系数相关的热膨胀常数——混淆。
本发明的目的是能够制造多种复合补偿游丝，所述复合补偿游丝包括接合或结合在一起的至少两种材料，所述至少两种材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号。
另外，所述至少两种材料也可选择地包括中间材料，所述中间材料用于改善难于附接的两种材料的结合。因此，取决于所选择的结合技术，中间材料可类似于(硬)钎焊，用以使两种材料通过共同附接至中间材料而彼此附接，或者形成用于产生大量剧烈的热来使两种材料熔化的层。当然，在使用该可选的中间材料的情况下，还必须针对谐振器的热系数的整体补偿考虑所述可选的中间材料。
根据在图1至3中所示出的本发明的第一实施例，所述制造方法包括第一步骤a)，用以取用由第一材料制成的第一晶片1。第二步骤b)用于取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片3，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号。
如在图2中示出的，第三步骤c)旨在将第一晶片1接合或结合至所述至少一个第二晶片3以形成衬底2。取决于所使用的材料，存在多种可能的结合/接合方法。以非限制性的方式，可提出使用激光通过电磁辐射直接焊接表面，例如在本说明书中通过引用的方式结合的欧洲专利No.1436830中所述的。也极可能想到使用阳极接合、熔融接合、热压接合、再流接合(reflow bonding)、共晶接合、超声接合或超声波热接合(thermosonic bonding)。
根据第一实施例的方法还包括第四步骤d)，用以穿过衬底刻蚀图案4以形成复合补偿游丝31，所述复合补偿游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。取决于所使用的材料，存在多种可能的刻蚀方法。以非限制性的方式，可提及干法刻蚀例如深反应离子刻蚀(DRIE)、激光刻蚀或等离子刻蚀。也极可能想到使用湿法刻蚀例如化学刻蚀。最后，也可在干法刻蚀或湿法刻蚀之前进行结合有树脂光刻技术的光学加工。
最后，所述方法还包括最后步骤e)，用以从衬底释放复合补偿游丝31。根据本发明有利地，可因而使用多种材料以工业化的方式形成复合补偿游丝。在图11中所示出的，复合补偿游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。
根据在图4至6中所示出的本发明的第二实施例，所述制造方法包括第一步骤a)，用以取用由第一材料制成的第一晶片11。第二步骤b)旨在取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片13，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号。
如在图4和5中示出的，第三步骤d')旨在穿过每一晶片11,13刻蚀相同图案14,16。取决于所使用的材料，存在多种可能的刻蚀方法。以非限制性的方式，可提及干法刻蚀例如深反应离子刻蚀(DRIE)、激光刻蚀或等离子刻蚀。也极可能想到使用湿法刻蚀例如化学刻蚀。最后，也可以在干法刻蚀或湿法刻蚀之前进行混合有树脂光刻技术的光学加工。
根据第二实施例的方法还包括第四步骤c')，用以将第一晶片11接合或结合至所述至少一个第二晶片13以形成衬底12，并且，通过叠置所述相同图案14,16以形成复合游丝31，所述复合游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。
取决于所使用的材料，可以有多种可能的结合/接合方法。以非限制性的方式，可提出使用激光通过电磁辐射直接焊接表面，例如在本说明书中通过引用的方式结合的欧洲专利No.1436830中所述的。也极有可能想到使用阳极接合、熔融接合、热压接合、再流接合、共晶接合、超声接合或超声波热接合。
最后，所述方法还包括最后步骤e)，用以从衬底释放复合补偿游丝31。根据本发明有利地，可因而使用多种材料以工业化的方式形成复合补偿游丝。如在图11中所示出的，复合补偿游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。
根据在图7至10中示出的本发明的第三实施例，所述制造方法包括第一步骤a)，用以取用由第一材料制成的第一晶片21。第二步骤b)旨在取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片23，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号。
如在图7和8中示出的，第三步骤f)用以在每一晶片21,23中仅在所述晶片21,23的部分厚度上刻蚀相同图案24,26。以非限制性的方式，可提及干法刻蚀例如深反应离子刻蚀(DRIE)、激光刻蚀或等离子刻蚀。也极可能想到使用湿法刻蚀例如化学刻蚀。最后，也可以在干法刻蚀或湿法刻蚀之前进行混合有树脂光刻技术的光学加工。
根据第三实施例的方法还包括第四步骤g)，用以将第一晶片21接合或结合至所述至少一个第二晶片23以通过叠置所述相同图案而形成衬底22，如在图9中示出的。取决于所使用的材料，可存在多种可能的结合/接合方法。以非限制性的方式，可提出使用激光通过电磁辐射直接焊接表面，例如在本说明书中通过引用的方式结合的欧洲专利No.1436830中所述的。也极有可能想到使用阳极接合、熔融接合、热压接合、再流接合、共晶接合、超声接合或超声波热接合。
根据第三实施例的方法还包括第五步骤f')，用以在衬底22的剩余部分上刻蚀所述相同图案24,26以形成复合补偿游丝31，所述复合补偿游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少第二材料构成的至少一个第二厚度E2。步骤f')可通过在上述步骤f)中提及的相同技术实现。
最后，所述方法还包括最后步骤e)，用以从衬底22释放复合补偿游丝31。根据本发明有利地，可因而使用多种材料以工业化的方式形成复合补偿游丝。当两个主体的膨胀值经常使得它们彼此难于装配时，该第三实施例可能尤为有用。如在图11中示出的，复合补偿游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。
根据本发明有利地，根据所使用的材料，可以使用三个实施例中的至少一个来制造复合补偿游丝31，所述复合补偿游丝31包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度E2。还应理解的是，在同一衬底2,12,22上可制造多个复合补偿游丝31，各复合补偿游丝可制造在同一个图案4,14,16,24,26或在不同的图案中。
根据本发明优选地，第一材料和/或所述至少一种第二材料是硅基的或陶瓷基的。因此，当第一材料和/或所述至少一种第二材料为硅基的时，它/它们可优选包括单晶硅、掺杂单晶硅、多晶硅、掺杂多晶硅、多孔硅、氧化硅、石英、硅石、氮化硅或碳化硅。
然而，当第一材料和/或所述至少一种第二材料为陶瓷基的时，它/它们可优选包括可光构造玻璃、硼硅酸盐、铝硅酸盐、石英玻璃、微晶玻璃、单晶刚玉、多晶刚玉、矾土、氧化铝、氮化铝、单晶红宝石、多晶红宝石、氧化锆、氧化钛、氮化钛、碳化钛、氮化钨、碳化钨、氮化硼或碳化硼。
最后，当第一材料和/或所述至少一种第二材料为金属基的时，它/它们可包括铁合金例如15P,20AP或316L钢、铜合金例如黄铜、镍合金例如镍银、钛或钛合金、金或金合金、银或银合金、铂或铂合金、钌或钌合金、铑或铑合金、钯或钯合金。
根据在图12和13中示出的第一实施例的替代方案，步骤b)可包括形成由同一种材料或由多种不同材料构成的多个第二晶片3,3'。附图示出了两个晶片，但是，可以设置更多数量的第二晶片。
在第一实施例的该替代方案中，因而应理解的是，在步骤c)中得到如在图12中示出的具有接合或结合在一起的三个晶片3,1,3'的衬底2'。如在图13中示出的，刻蚀步骤d)然后使得可形成复合补偿游丝41，所述复合补偿游丝41包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由相同材料或由多种不同材料构成的第二厚度E2，E'2。该复合补偿游丝41在图18中示出。
根据在图14至17中示出的第二和第三实施例的替代方案，步骤b)可包括形成由相同材料或由多种不同材料构成的多个第二晶片13,13',23,23'。附图示出两个晶片，但是，可设置更多数量的第二晶片。
在第二和第三实施例的该替代方案中，因而应理解的是，在步骤c')或g)中获得具有接合或结合在一起的三个晶片13，11，13'，23，21，23'的衬底12',22'。如在图13中示出的，刻蚀步骤d')、f)、或f')然后使得可形成复合补偿游丝41，所述复合补偿游丝41包括由所述第一材料构成的第一厚度E1和由相同材料或由多种不同材料构成的两个第二厚度E2、E'2。该复合补偿游丝41在图18中示出。
当然，本发明并不局限于所示出的实施例，而可以做出对本领域技术人员显而易见的多种变型和修改。特别地，本领域技术人员可以从上面的教导而无过分难度地得到用于谐振器的其它应用。作为示例，可以形成音叉、或者更为常见的MEMS(微机电系统)谐振器而不是复合补偿游丝。
也可想到使用替代的接合或结合方法例如粘结或(硬)钎焊，和/或替代的刻蚀方法例如机加工、水射流切割或者水射流和激光切割的组合。
Claims (12)
1.一种制造复合补偿游丝(31,41)的方法，包括如下步骤：
a)取用由第一材料制成的第一晶片(1)；
b)取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片(3,3')，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号；
c)将所述第一晶片(1)接合至所述至少一个第二晶片(3,3')以使得所述第一晶片和所述至少一个第二晶片彼此面对面地叠置，以形成衬底(2,2')；
d)穿过所述衬底(2,2')刻蚀图案(4)以形成复合补偿游丝(31,41)，所述复合补偿游丝包括由所述第一材料构成的第一厚度(E1)和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度(E2，E'2)；
e)从所述衬底(2,2')释放所述复合补偿游丝(31,41)。
2.一种制造复合补偿游丝(31，41)的方法，包括如下步骤：
a)取用由第一材料制成的第一晶片(11)；
b)取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片(13,13')，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号；
d')穿过每一晶片(13,11,13')刻蚀相同图案(14,16,16')；
c')将第一晶片(11)接合至所述至少一个第二晶片(13,13')以形成衬底(12,12')，并且通过叠置所述相同图案(14,16,16')形成复合补偿游丝(31，41)，所述复合补偿游丝包括由所述第一材料构成的第一厚度(E1)和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度(E2，E'2)；
e)从所述衬底(12,12')释放所述复合补偿游丝(31,41)。
3.一种制造复合补偿游丝(31,41)的方法，包括如下步骤：
a)取用由第一材料制成的第一晶片(21)；
b)取用由至少一种第二材料制成的至少一个第二晶片(23,23')，所述第二材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)与所述第一材料的杨氏模量随温度的变化(TEC)异号；
f)在每一晶片(23,21,23')中的仅部分厚度上刻蚀相同图案(24,26,26')；
g)将第一晶片(21)接合至所述至少一个第二晶片(23,23')，以通过叠置所述相同图案(24,26,26')形成衬底(22,22')；
f')在衬底(22,22')的剩余部分上刻蚀相同图案(24,26,26')以形成复合补偿游丝(31,41)，所述复合补偿游丝包括由所述第一材料构成的第一厚度(E1)和由所述至少一种第二材料构成的至少一个第二厚度(E2,E'2)；
e)从所述衬底(22,22')释放所述复合补偿游丝(31,41)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或所述至少一种第二材料是硅基的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或至少一种硅基的第二材料包括单晶硅、掺杂单晶硅、多晶硅、掺杂多晶硅、多孔硅、氧化硅、石英、硅石、氮化硅或碳化硅。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或所述至少一种第二材料是陶瓷基的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或至少一种陶瓷基的第二材料包括可光构造玻璃、硼硅酸盐、铝硅酸盐、石英玻璃、微晶玻璃、矾土、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化钛、氮化钛、碳化钛、氮化钨、碳化钨、氮化硼或碳化硼。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或至少一种陶瓷基的第二材料包括单晶刚玉或多晶刚玉。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或至少一种陶瓷基的第二材料包括单晶红宝石或多晶红宝石。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或所述至少一种第二材料是金属基的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一材料和/或至少一种金属基的第二材料包括铁合金、铜合金、镍或镍合金、钛或钛合金、金或金合金、银或银合金、铂或铂合金、钌或钌合金、铑或铑合金、或者钯或钯合金。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在同一衬底(2,2',12,12',22,22')上形成多个复合补偿游丝(31,41)。
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