CN105892259A - 硅游丝 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅游丝，其作为用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，该振荡器具有振荡频率，该扭矩恢复元件包括具有N圈数的螺旋游丝主体，该螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩接合旋转惯性元件的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且该螺旋游丝主体具有宽度、高度和总弧长；其中螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，该涂层的热弹性常数不同于螺旋游丝主体的芯部的热弹性常数，以便将包括扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

Description

硅游丝

技术领域

本发明涉及螺旋游丝，特别是由硅制成的钟表游丝及其设计。

背景技术

游丝是机械钟表的关键组件。游丝是振荡器的两个主要组件中的一个，另一个是摆轮。时钟的振荡器通过其简谐运动提供时间调节措施。摆轮起惯性元件的作用，并且附接至螺旋形游丝的内端子。游丝的外端子通常刚性地附接至固定压钉(stud)。在理想的振荡器中，游丝向摆轮提供与摆轮相对于平衡位置的角位移成比例的恢复扭矩，并且运动方程将其描述为线性二阶系统。

平衡位置被定义为摆轮的角位置，使得当振荡器处于静态时，游丝在摆轮上施加的净扭矩为零。当振荡器的固有频率独立于其振幅以及其它外部因素，诸如温度变化、磁场等等时，振荡器被视为等时的。由于钟表的精确性很大程度上由振荡器的固有频率的稳定性确定，所以等时性是机械钟表的最重要的特性之一。

在历史上，游丝已经被视为制造钟表的最具有挑战性的组件之一，特别是关于手表中使用的机械机件。对于钟表维修之前的通常为数年的整个使用期，要求游丝以通常从3至5赫兹的频率持续地挠曲，该频率为现代机械钟表振荡器的频率范围。游丝也是机械机件中的最小组件之一，具有通常在30至40微米范围内的螺旋条宽度。

游丝还必须由抵抗温度变化对机械特性尤其是杨氏模量的影响的材料形成，以便保持正确的计时，并且最小化波动。

此外，随着消费电子产品的普及导致的电场和磁场的量增大，现代游丝还必须能够抵抗或者基本最小化磁场对其的影响。这是由于游丝的刚性的精确性和一致性是要求很高的参数，因此甚至0.1％的刚性变化也能够导致高达1分钟/天的钟表不精确性，这在钟表和手表行业中是不可接受的，并且手表行业的技术人员在历史上已经耗费了很大努力，以通过设计和制造技术提供最小化这些影响的游丝。

传统的游丝由始于John Harrison在约300年前使用的硬化钢，到Charles Guillaume在1919年发明的艾林瓦(Elinvar)合金，到最近由H.C.Reinhard Straumann博士发明的尼瓦罗克斯(Nivarox)合金的金属合金制成。几乎所有现代游丝都由尼瓦罗克斯合金(一种基于铁和镍的合金)的一些变体制成。游丝以拉伸工艺制成，其中条状材料被拉成细丝。然后将直条卷成螺旋，之后被处理以稳定螺旋的形状。这种工艺具有几种已知的缺点，包括：

(a)拉伸工艺通常不是一种高精度技术，具有在几微米范围内的公差，相当百分比的游丝条宽度通常在30至40微米范围内，导致刚性不一致，

(b)金属合金，诸如尼瓦罗克斯合金固有地具有在使用中在延长应力后稍微蠕变和变型的趋势，所以金属游丝不能在超过一年的连续运行后保持其原始的螺旋形状，这可能需要调节，并且不可避免地影响计时精确性，和

(c)虽然通过重掺杂痕量元素，诸如铬，尼瓦罗克斯合金材料的热弹性常数和磁敏感性与早期的金属游丝相比已经明显降低，但是还未完全消除这些问题和缺点。

为了解决或者最小化采用用于游丝的尼瓦罗克斯合金和其它金属合金以及它们的制造方法的上述问题，过去十年已经注意到在游丝制造中引入使用硅和微细加工技术。

使用能够实现比传统的金属成型技术、诸如拉伸具有明显更大精确性的亚微米精度的微细加工工艺生产硅游丝。使用硅的优点包括：

(a)与大多数金属合金相比，这种材料不随着时间而蠕变和氧化，因而保持机械特性和整体性，

(b)这种材料完全无磁性，和

(c)通过提供具有硅芯部和二氧化硅薄层的游丝，使得游丝的净热弹性常数接近于零，可以将正常运行参数的温度敏感性最小化或者基本消除。

因而，使用制作硅游丝的技术在过去十年已经具有多种进步，包括文献DE 10127733(2001年6月7日)中公开的，该文献公开了使用硅微机械游丝，其中单晶硅处于<100>或者<111>平面，两个定向都被公开为同样适合。该游丝为对大范围热应力具有良好抵抗力，并且具有良好的形状稳定性的螺旋游丝。也可用二氧化硅涂层覆盖所公开的游丝。

文献EP 1422436(2002年6月25日)描述了一种减小用于钟表的单个螺旋游丝的热漂移，以便实现接近于零的温度系数的方法。该方法和装置使用的螺旋游丝有意具备机械钟表的摆轮，并且由从一阶和二阶热弹性常数的<100>单晶硅片切割的螺旋杆形成，螺旋游丝的线匝具有宽度w和厚度t，由此二氧化硅涂层使得能够最小化螺旋游丝的弹簧常数的热系数。因而，所述螺旋游丝理想地包括对游丝宽度的调制。

文献EP2224293(2004年4月29日)公开了一种包括调节装置的钟表机件，该调节装置包括摆轮和可以由硅形成的平面游丝。平面游丝在其外圈上包括加硬部分，该加硬部分被布置成使得多圈的变形基本同心。加硬部分在游丝的外端之前终止，并且特征在于在外圈的端子部分与游丝的倒数第二圈之间对于所述倒数第二圈足够大，从而在游丝在机件中高达基本相应于摆轮的最大旋转角度的振幅的膨胀期间保持径向自由。这在使用时有助于保持游丝的同心性，因而有助于保持良好计时。该文献公开了可以使用EP 0732635的方法形成硅游丝。已知发明人名称是Patek Philippe的该专利公开了下文所述的其摆轮游丝的结构。

在2006年，Patek Philippe公开地发布了由制成的摆轮游丝。通过允许补偿温度变化的真空氧化工艺获得这种游丝。如EP2224293中所述和所要求的，通过不卷起而是在外端处具有显著更厚区域的端子弯曲，使得能够存在同心特性(摆轮游丝关于其中心的对称膨胀和收缩)。

文献EP 2215531(2007年11月28日)描述了一种用于制表业的机械振荡器，包括由单晶硅(Si)形成的螺旋游丝沿晶轴<111>定向，该螺旋游丝具有为了获得螺旋游丝的弹性扭矩根据温度的变化而选择的涂层，以摆轮的转动惯量补偿根据温度的变化。该文件以与在EP1422436中使用的<001>单晶硅相同的方式使用轴<111>的单晶硅材料，并且使用涂层以提供温度不敏感游丝，也以Spiromax游丝由具有氧化物涂层的Silinvar形成的方式提供对温度变化不敏感的游丝。

最近的硅游丝也已经可用，然而，这种使用商业上受限，并且考虑到与已经大量地使用几十年的金属合金游丝相比，硅游丝少于十年的明显短时间段的有限使用以及未大规模使用，所以由硅形成的游丝的长期稳定性和整体性还未有机会被评定，以及与工业标准金属或者金属合金游丝诸如Nivorax金属合金游丝相比较。

发明内容

发明的目标

本发明的目标在于提供一种克服或者至少改进与现有技术的那些缺点相关联的至少一些缺点的硅游丝。

发明简述

在第一方面，本发明提供一种用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，振荡器具有振荡频率，该扭矩恢复元件包括具有N圈数的螺旋游丝主体，该螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩接合旋转惯性元件的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且螺旋游丝主体具有宽度、高度和总弧长；其中螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，该涂层具有与螺旋游丝主体的芯部不同的热弹性常数，以便将包括扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

优选地，螺旋游丝主体为基本矩形横截面。优选地，螺旋游丝主体具有从20μm至60μm范围内的宽度，从100μm至400μm范围内的高度，以及从50μm至200μm范围内的总弧长。优选地，螺旋游丝主体具有从5至20范围内的圈数。

游丝的外周涂层由二氧化硅形成，并且优选地具有从3μm至6μm范围内的厚度。

在实施例中，<110>单晶硅片的方向角产生将在刚性微调中使用的整体游丝刚性的小变化。优选地，螺旋游丝主体具有基于圈数的沿总弧长的至少一部分周期性变化的宽度，以便补偿由于硅片平面上的各向异性杨氏模量产生的变化的游丝分段(sectional)刚性。<110>单晶硅片的宽度可以根据下列方程变化：

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\sqrt[3]{1-\frac{1}{|2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})}$

这里，S₁₁、S₁₂和S₄₄是分别被定义为7.68、-2.14和12.6，单位为10^-12Pa^-1的单晶硅柔度矩阵的元素。项θ为晶片平面上的方向角。螺旋游丝主体可以由干法蚀刻制造技术形成，包括深反应离子蚀刻(DRIE)制造技术。

在另一实施例中，在螺旋游丝主体的高度面和螺旋游丝主体的宽度面的交叉处形成的纵向顶点具有沿总弧长的至少一部分延伸的斜面。斜面在螺旋游丝主体使用中的弹性变形期间，在所述顶点处提供对结构应力集中的降低。斜面可以通过湿法蚀刻形成。

在第二方面，本发明提供一种用于钟表的振荡器，所述振荡器包括根据第一方面的扭矩恢复元件，以及附接至扭矩恢复元件的内端子端的摆轮。

在第三方面，本发明提供一种用于形成根据第一方面的扭矩恢复元件的方法，其中螺旋游丝主体由干法蚀刻制造技术形成，包括深反应离子蚀刻(DRIE)制造技术。

在第四方面，本发明提供一种用于形成根据第一方面的扭矩恢复元件的方法，其中<110>单晶硅片的宽度可以根据下列方程变化：

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\sqrt[3]{1-\frac{1}{2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})}$

在第五方面，本发明提供一种用于机械钟表的机械振荡器，该机械振荡器包括：扭矩恢复元件，该扭矩恢复元件包括具有N圈数的螺旋游丝主体，螺旋游丝主体具有内端子端和外端子端，并且具有宽度、高度和总弧长，内端子端用于通过游丝内桩接合绕轴线旋转的旋转惯性元件，外端子端用于与固定的夹板元件接合；和接合螺旋游丝元件的内端子端并且可绕所述轴线旋转的旋转惯性元件；其中螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，该涂层具有与螺旋游丝主体的芯部不同的热弹性常数，以便将包括扭矩恢复元件的机械振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

优选地，扭矩恢复元件是根据第一方面的扭矩恢复元件。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例，其中：

图1示出除了由阿基米德螺旋线组成的最外圈之外，作为具有恒定节距，处于松弛状态的用于机械钟表的游丝的根据本发明的一般扭矩恢复元件的图示；

图2示出根据本发明的硅游丝的第一实施例的横截面图，该硅游丝由根据本发明的具有恒定厚度的二氧化硅涂层的硅芯部组成；

图3示出根据本发明的硅游丝的第二实施例的横截面图，该硅游丝由根据本发明的具有恒定厚度和带斜面纵向边缘的二氧化硅涂层的硅芯部组成；

图4示出对于<100>、<110>和<111>单晶硅，杨氏模量与硅片平面中的方向角之间的关系图；

图5示出对于五个不同二氧化硅厚度，振荡率与温度之间的关系图；和

图6示出硅游丝宽度根据角度位置的变化，以补偿由根据本发明的<110>单晶硅的各向异性杨氏模量引起的弯曲曲率变化。

具体实施方式

本发明利用<110>单晶硅以形成扭矩恢复元件，特别是用于机械钟表的游丝。参考图1至3描述本发明和细节，并且参考图4至6描述和解释由本发明及其参数提供的优点。

参考图1，其中示出作为根据本发明的游丝100的一般扭矩恢复元件。游丝100被用在具有振荡频率的振荡器中，并且包括螺旋游丝主体110，提供具有内端子端115的主体部，以及外部段120和外端子端125。游丝具有宽度140、进入页面的高度以及具有圈170的总弧长。

螺旋游丝主体110的主体形成具有恒定节距的阿基米德螺旋线，其内端子端115用于接合地连接至游丝内桩117。游丝内桩117继而刚性地连接至虽然未示出，但是本领域技术人员应明白并将其理解为旋转惯性元件的摆轮。

外部段120具有显著增大的节距以允许用于压钉布置的空间，以及用于接合固定的夹板元件的外端子端125。

游丝100由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成，并且游丝100能够由微细加工技术形成，诸如干法蚀刻制造技术，包括深反应离子蚀刻(DRIE)制造技术。

螺旋游丝主体110由基本矩形横截面形成。根据本发明，螺旋游丝主体110可以具有从20μm至60μm范围内的宽度140，从100μm至400μm范围内的高度150，以及从50μm至200μm范围内的总弧长160，圈数在5至20的范围内，并且如图所示，在该特殊示例中具有13.5圈。这些尺寸和大小使得游丝100适用于钟表，诸如腕表等等。

参考图2，示出处于游丝的线圈上的任意位置处的游丝100a的第一实施例的横截面图，因此游丝100a具有宽度140a和高度150a。图1的一般扭矩恢复元件的特征和大小类似于本实施例的那些特征和大小，并且同样地，类似标识符指示类似特征。

螺旋游丝主体110a包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部180a。螺旋游丝主体110a在外周上还包括具有与螺旋游丝主体的芯部不同的热弹性常数的材料的涂层190a。外周涂层允许游丝100a被热补偿，并且对周围温度的变化不敏感。此外，提供这种外周涂层允许在用于具有接合摆轮的游丝的钟表调节器中使用游丝100a，以便保持振荡器的振荡频率，并且振荡器基本对周围温度的变化不敏感。

应明白，摆轮可以具有其自身的热膨胀曲线，摆轮可以随着周围温度的变化而改变其转动惯量，并且适当地选择用于游丝110a的外周涂层190a材料允许考虑摆轮的任何热相关变化，以便调节器对周围温度的变化基本不敏感，以便保持恒定的振荡频率，并且因而提供包括这种调节器的钟表的良好且一致的计时。

根据本发明，外周涂层190a可以是通过热氧化作用施加的硅氧化物涂层。硅游丝在氧化环境下被加热至约1000℃，以便实现外周涂层190a。通常，根据本发明采用具有从3μm至6μm范围内的厚度的外周涂层190a。当与具有参考图1所述的几何参数的<110>单晶硅游丝100a一起使用时，这种外周涂层190a允许对包括游丝和摆轮的钟表调节器热调节和补偿。因而，当被包含在用于钟表的振荡器中时，本发明的游丝100a提供与温度波动和变化无关的温度稳定性和精确计时。

根据本发明，游丝100a的螺旋游丝主体110a的横截面可以：

(i)为在基本整个总弧长上恒定的横截面，或者

(ii)可以沿总弧长的至少一部分变化。

通过采用本发明中定义的<110>单晶硅片，由于如下文进一步讨论的杨氏模量的变化，允许在刚性微调中使用整体游丝刚性的微小变化，本发明提供优于诸如使用下文也将讨论的<100>和<111>单晶硅片的现有技术的一个优点。

在其中螺旋游丝主体的横截面贯穿长度不恒定的本发明的实施例中，游丝100a的螺旋游丝主体110a的横截面可以取决于需要的设计参数而变化。由于<110>单晶硅片是各向异性的并且被包含在本发明中，所以螺旋游丝主体110a的宽度且因此横截面可以变化。在本发明的实施例中，螺旋游丝主体110a的横截面可以具有周期性变化的宽度140a。可以沿螺旋游丝主体110a的主要部分的至少一部分，或者基本沿总弧长然而不必沿外圈应用这种周期性变化宽度。螺旋游丝主体110a的宽度140a可以根据下列方程变化：

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\sqrt[3]{1-\frac{1}{|2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})}$

参考图3，其中示出根据本发明的游丝100b的第二实施例的横截面图。如图所示，芯部180b具有沿在螺旋游丝主体110b的高度150b的面和螺旋游丝主体110b的宽度140b的面的交叉处形成的纵向顶点存在的斜面185b。斜面可以沿至少一部分总弧长延伸。

斜面185b在螺旋游丝主体使用时的弹性变形期间在所述斜面处提供对结构应变集中的降低，这降低了游丝100b在使用时的疲劳故障的可能性。斜面185可以通过湿法蚀刻形成，并且下文进一步讨论。

通过背景技术，参考其它类似材料讨论并且解释了在本发明中采用的材料，并且证实了通过在用于钟表的游丝中采用<110>单晶硅而提供的优点。

存在两种不同类型的硅片，即单晶硅和多晶硅。单晶硅由贯穿整个硅片都为均匀布置的单晶体组成。取决于晶体方向，多晶硅可以被进一步分为<100>、<110>和<111>。多晶硅由在硅片内处于随机布置的许多微小(纳米至微米级)晶体组成。大体上，与多晶硅片相比，单晶硅片贯穿硅片具有更一致的材料特性。

单晶硅晶体的均匀布置实际上提供了贯穿材料的一致材料特性，特别是方向。然而，多晶硅中的微小晶体的随机布置意味着材料特性高度取决于混合的均匀性，所以宏观效果粗略地均匀。此外，多晶硅具有取决于个别晶体的大小的可见微粒边界，负面地影响其中高度重视视觉外观的机械钟表的审美性。

<100>、<110>和<111>单晶硅片之间的关键差异在于取决于图4中所示的平面内方向的杨氏模量，以及其它材料特性。<111>硅片可以被描述为在硅片平面内各向同性，因为杨氏模量独立于方向。相反，<110>和<100>硅片在硅片平面内各向异性，因为杨氏模量对于<110>硅片从130.2至187.5GPa变化，并且对于<100>硅片从130.2至168.9GPa变化。作为在硅游丝加工中使用的材料，每种硅片都具有其优点和弱点。

<111>单晶硅片的各向同性特性使得硅游丝的设计简单地多，这是微机械系统的理论文献中一般都承认的事实。由于硅游丝从不从硅平面弯出，所以均匀的平面内材料特性使得易于预测游丝受到应力时的变形。

然而，<111>硅片的特殊方向也使得在制造时更难以切割和抛光，并且劳动强度更大，因此<111>硅片是三种单晶硅片中最昂贵和稀有的。

相反，<100>和<110>单晶硅片的生产更简单并且廉价，因为晶体方向更易于与切割和抛光平面对齐，尤其是<100>硅片，其晶体结构完美地相对于晶片平面与笛卡儿坐标对齐。

然而，<100>和<110>硅片的各向异性特性使得硅的设计更复杂，因为杨氏模量并且因此分段条(sectional strip)刚性对方向敏感。

硅游丝的设计是一种考虑几种要求的复杂过程。在其芯部处，游丝刚性必须匹配摆轮惯性，以根据下列方程产生期望的固有频率。

$I=\frac{b^{3}h}{12}$

$k=\frac{EI}{L}$

${\mathrm{\&omega;}}_n^2=\frac{k}{I_b}$

这里，ω_n、E、b、h、L、I、k和I_b是振荡器固有频率、游丝的杨氏模量、游丝的横截面宽度、游丝的横截面高度、游丝的总弧长、游丝的二阶面矩(矩形横截面)、游丝的刚性和摆轮的转动惯量。在游丝螺旋的内和外端子的径向位置中也存在另外的约束。

游丝的间距-条宽比具有下限，以防止螺旋在旋转收缩时条之间的碰撞，对于在变形期间缺乏同心性的传统恒定横截面设计尤其如此。

内和外端子的角度位置的差异也在变化振荡器振幅上对于刚性稳定性存在影响。累积要求对游丝设计的自由度产生极其严格的约束，所以具有类似刚性的几乎所有游丝的游丝几何形状都大致相同。

上述对游丝设计自由度的约束不对金属游丝产生严重问题，因为金属随着时间蠕变和变形的趋向也适用于其鲁棒性和柔性。虽然金属游丝制造工艺中相对地缺乏精度，但是作为后处理的一部分，它们能够易于弯曲和切割，从而精调刚性以匹配基于具体情况的相应摆轮。

相反，硅游丝提供随着时间的更大结构稳定性，并且微细加工工艺是一种精度更高的制造技术。缺点在于，在刚性精调中调节游丝的长度和几何形状的后处理的灵活性有限。通常，与期望游丝刚性的任何偏离都将需要技术困难并且低效的完全重新设计。

使用<100>和<110>单晶硅片允许通过旋转晶片中的设计，以便晶片上的方向不同而精调游丝刚性。这是可能的，因为硅的杨氏模量取决于方向角。

假定游丝的几何形状主要是阿基米德螺旋的几何形状，则能够由下列方程描述游丝刚性：

$\frac{1}{k\left(\mathrm{\&theta;}\right)}={\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_0}^{{\mathrm{\&theta;}}_F}\frac{a\sqrt{1+{\mathrm{\&theta;}}^2}}{IE\left(\mathrm{\&theta;}\right)}d\mathrm{\&theta;}$

这里，θ₀、θ_F和α分别是游丝内和外端子的角度位置以及阿基米德螺旋节距。应注意，杨氏模量是方向角θ的函数，并且游丝方向的变化意味着θ₀和θ_F在保持它们的差恒定时改变。因而，该方程证明了晶片上的游丝方向的变化能够改变其刚性。

比较<100>和<110>单晶硅片的使用，本发明已经确认对于游丝刚性精调，优选<110>单晶硅片。

作为平面内函数的<100>和<110>硅片的杨氏模量可以被定义如下。

$\frac{1}{E_{<100>}\left(\mathrm{\&theta;}\right)}=S_{11}-2(S_{11}-S_{12}-\frac{1}{2}{S}_{44}){\cos }^2{\mathrm{\&theta;sin}}^2\mathrm{\&theta;}$

$\frac{1}{E_{<110>}\left(\mathrm{\&theta;}\right)}=S_{11}-\frac{1}{2}(S_{11}-S_{12}-\frac{1}{2}{S}_{44}){\sin }^2\mathrm{\&theta;}(1+3{\cos }^2\mathrm{\&theta;})$

这里，S₁₁、S₁₂和S₄₄是分别被定义为7.68、-2.14和12.6，单位为10^-12Pa^-1的单晶硅柔度矩阵的元素。在90度方向间隔上，E_<100>在130.2和168.9GPa之间变化，与之相比，E_<110>在130.2和187.5GPa之间变化。

这意味着对于本发明所提供的<110>单晶硅片，游丝刚性对其在硅片上的方向角的敏感性更高，因而在刚性精调时提供更大的灵活性。

本发明通过使用<110>单晶硅片确认的优于<100>单晶硅片的另一优点在于，<110>单晶硅片趋向于在湿法蚀刻技术下形成斜面，斜面起应力减小机构的作用。

机械钟表中的典型游丝经历重循环负荷，因为典型游丝必须以3至5赫兹弯曲几年。游丝的负荷应力的微小降低都能够显著地延长其寿命。对于如图2和图3中所示的为了热补偿而涂覆有热氧化物的游丝尤其如此。

涂层硅游丝的一个最弱点在于硅芯部和二氧化硅涂层之间的边界。两种材料的晶体结构不同并且经历严重的粘附应力，且在游丝从超过1000℃的涂层工艺温度冷却时因不同热膨胀系数导致的热应力使得该粘附应力更严重。如果应力足够严重，则热氧化物可能从硅芯部脱粘，并且将失去热补偿效果，因而导致钟表不存在良好调节和计时。

本发明提供的有效技术是参考图3所述的，通过消除引起应力集中的尖锐的角而降低应力。

硅游丝加工通常包括深反应离子蚀刻(DRIE)工艺，以产生体硅结构。然而，取决于单晶硅片的类型，可以通过湿法蚀刻工艺将本发明提供的斜面设置在游丝边缘上。湿法蚀刻包括使用碱溶液从而通过沉浸清除硅。

取决于所使用的溶液的确切类型，蚀刻结果可以基于晶体方向高度地各向异性，其中<100>晶体方向的选择性可高达<110>或者<111>方向的400倍。在<110>或者<111>单晶硅片上，湿法蚀刻自身不能够产生具有梯形横截面的结构。

被用作DRIE之后的后工艺的湿法蚀刻可以在其它矩形横截面上产生斜面，并且由此消除尖锐边缘并且降低应力集中。这对于<100>单晶硅片是不可能的，因为湿法蚀刻将主要蚀刻到硅游丝横截面的侧边中，并且因而不提供本发明所提供的益处。

硅游丝必须具有二氧化硅涂层，以实现热补偿，并且显示出该机制对于根据本发明而采用的<110>单晶硅片起作用。

二氧化硅涂层的目的在于补偿随温度升高因摆轮的正热膨胀系数和游丝的硅芯部的负热弹性常数引起的振荡频率降低。摆轮(也被称为平衡轮)转动惯量对温度的取决性可如下所述。

I_b(ΔT)＝I_b0(1+αΔT)²

这里，I_b0、α和ΔT分别为额定温度下的摆轮转动惯量、摆轮材料的热膨胀系数和温度与额定温度的差。

通常被用作摆轮材料的铍铜合金的热膨胀系数约为16ppm/K。手表行业为了检查热膨胀通常使用的温度范围为23+/-15℃。

为了导出具有对温度敏感的二氧化硅涂层刚性的硅游丝的方程，必须先导出用于额定温度下的复合结构的等效杨氏模量。

这里，ζ、E₀、E_Si,0、E_SiO2,0、b和h分别是氧化物厚度、复合游丝条的额定杨氏模量、硅的额定杨氏模量、二氧化硅的额定杨氏模量、游丝条横截面的总宽度和总高度。

应注意，E_Si,0取决于硅片上的方向角，并且对于<100>和<110>硅片变化。E_SiO2,0的值近似为72.4GPa。如果考虑温度，则该方程如下。

E_Si(θ，ΔT)＝E_Si，0(θ)+ε_SiΔT

$E_{{\mathrm{SiO}}_2}(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&Delta;}T)=E_{{\mathrm{SiO}}_2,0}\left(\mathrm{\&theta;}\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{SiO}}_2}\mathrm{\&Delta;}T$

这里，ε_Si和ε_SiO2是硅和二氧化硅的热弹性常数，其值分别约为-60ppm/K和215ppm/K。然后，游丝刚性可被定义如下。

与摆轮转动惯量的方程结合产生下列用于振荡频率的方程。

如果振荡频率被正交化为用于额定温度的期望频率，则能够以数值方式确定为了实现对必要公差，通常被设置为+/-1秒/天/K的热补偿所需的氧化物厚度。

图5示出关于使用根据本发明的<110>单晶硅片的五种不同氧化物厚度的、振荡频率-温度差的关系图。

游丝条的宽度和高度取决于所使用的氧化物厚度分别从35至40μm和200至210μm变化。总游丝弧长约130mm，并且摆轮转动惯量约为1.65g*mm²。

可以看出，当采用根据本发明的<110>单晶硅片时，对于4.5μm的氧化物厚度，振荡频率在5℃至40℃的温度范围上变化小于0.1秒/天/K，这正处于热补偿的标准公差内。

<110>单晶硅片的各向异性材料特性在控制每一截面处的游丝条弯曲方面提出挑战，因为截面刚性取决于方向角。

为了保持贯穿整个弧长的恒定截面刚性，在本发明的实施例中，游丝宽度可以根据杨氏模量变化而变化，以便削弱净刚性变化。

考虑到游丝截面刚性与杨氏模量以及条宽度的立方成比例，所以对于<110>硅片，可以计算出宽度根据下列方程变化。

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\sqrt[3]{1-\frac{1}{2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})}$

使用二项式展开，上述方程可以被近似如下。

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\{1-\frac{1}{2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})\}$

这里，b₀是硅游丝条的宽度。该宽度对于硅游丝的每一半圈周期性变化。方程假定额定杨氏模量为1/S₁₁或者130.2GPa。图6以图示示出使用根据本发明的<110>单晶硅片的<110>硅游丝宽度根据方向角的变化。

通过使用根据本发明的<110>单晶硅片，本发明提供优于包括<111>和<100>单晶硅的现有技术的几种优点，包括：

(i)在本发明中采用比<111>更易于制造并且成本更低的材料，提供容易和成本有效的制造；

(ii)由本发明提供允许比<100>更大的调节灵敏性的材料，允许更精确调节；

(iii)采用允许将在外周边缘上形成斜面的材料，提供下列优点：

-降低硅游丝的顶点和二氧化硅层之间的界面应力，因此降低脱粘以及热补偿损失；

-降低应力集中因素以及局部升高应力，降低游丝疲劳导致的故障的可能性；

-提供的游丝具有对来自顶点处的固有瑕疵的故障的更大抵抗性，并且因而具有更长疲劳寿命，具有钟表中的游丝长寿命所需的参数；

-通过提供降低的局部应力，并且因而提供更低疲劳故障的可能性，可以在高频率应用中，诸如8至10Hz应用中采用这种游丝；和

-硅游丝还未被使用诸如传统金属或者金属合金游丝的更长时间段。由此，在历史这一点上不能确定这种物品的长寿命，诸如50年或者更长。因而，向游丝提供较低局部应力向游丝提供实现诸如包括<100>和<111>单晶硅的现有技术的那些游丝的长寿命游丝要求的更大倾向。

本发明通过制造、设计参数和长寿命/疲劳参数的选择，包括热补偿层粘附的长寿命以及游丝硅芯部的长寿命两者，克服了<111>和<100>单晶硅游丝两者的缺点。

Claims (18)

1.一种用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，该振荡器具有振荡频率，所述扭矩恢复元件包括：

具有N圈数的螺旋游丝主体，所述螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩与旋转惯性元件接合的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且具有宽度、高度和总弧长；

其中所述螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且

其中所述螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，所述涂层的热弹性常数不同于所述螺旋游丝主体的芯部的热弹性常数，以便将包括所述扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

2.根据权利要求1所述的扭矩恢复元件，其中所述螺旋游丝主体具有基本矩形的横截面。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的扭矩恢复元件，所述扭矩恢复元件具有从20μm至60μm范围内的宽度，从100μm至400μm范围内的高度，以及从50μm至200μm范围内的总弧长。

4.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，所述扭矩恢复元件具有从5至20范围内的圈数。

5.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中所述游丝的所述至少一个外周涂层由二氧化硅形成。

6.根据权利要求5所述的扭矩恢复元件，其中所述至少一个外周涂层具有从3μm至6μm范围内的厚度

7.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中<110>单晶硅片的方向角产生在刚性微调中使用的整体游丝刚性的小变化。

8.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中所述螺旋游丝主体具有基于圈数的沿总弧长的至少一部分的周期性变化的宽度，以便补偿由于硅片平面上的各向异性杨氏模量产生的变化的游丝分段刚性。

9.根据权利要求8所述的扭矩恢复元件，其中<110>单晶硅片的宽度根据下列方程变化：

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\sqrt[3]{1-\frac{1}{|2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})}$

10.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中所述螺旋游丝主体由干法蚀刻制造技术形成，包括深反应离子蚀刻(DRIE)制造技术。

11.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中在所述螺旋游丝主体的高度面和所述螺旋游丝主体的宽度面的交叉处形成的纵向顶点具有沿总弧长的至少一部分延伸的斜面。

12.根据权利要求11所述的扭矩恢复元件，其中所述斜面在螺旋游丝主体使用时的弹性变形期间，在所述顶点处提供对结构应力集中的降低。

13.根据权利要求11或者权利要求12所述的扭矩恢复元件，其中所述斜面通过湿法蚀刻形成。

14.一种用于钟表的振荡器，所述振荡器包括根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，以及附接至所述扭矩恢复元件的内端子端的摆轮。

15.一种用于形成根据权利要求1至13中任一项所述的扭矩恢复元件的方法，其中所述螺旋游丝主体由干法蚀刻制造技术形成，包括深反应离子蚀刻(DRIE)制造技术。

16.一种用于形成根据权利要求1至13中任一项所述的扭矩恢复元件的方法，其中<110>单晶硅片的宽度根据下列方程变化：

$b\left(\mathrm{\&theta;}\right)=b_0\sqrt[3]{1-\frac{1}{2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&lsqb;1+3{\cos }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&rsqb;(1-\frac{S_{12}}{S_{11}}-\frac{S_{44}}{2S_{11}})}$

17.一种用于机械钟表的机械振荡器，所述机械振荡器包括：

扭矩恢复元件，所述扭矩恢复元件包括具有N圈数的螺旋游丝主体，所述螺旋游丝主体具有内端子端和外端子端，并且具有宽度、高度和总弧长，所述内端子端用于通过游丝内桩接合绕轴线旋转的旋转惯性元件，所述外端子端用于与固定的夹板元件接合；和

旋转惯性元件，所述旋转惯性元件接合所述螺旋游丝元件的所述内端子端，并且能够绕所述轴线旋转；

其中所述螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且

其中所述螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，该涂层的热弹性常数不同于所述螺旋游丝主体的芯部的热弹性常数，以便将包括所述扭矩恢复元件的所述机械振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

18.根据权利要求17所述的机械振荡器，其中所述扭矩恢复元件是根据权利要求2至13中任一项所述的扭矩恢复元件。