CN106597828B - 用于计时器的由重掺杂硅制成的游丝 - Google Patents

用于计时器的由重掺杂硅制成的游丝 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于计时器的由重掺杂硅制成的游丝，其中包括部件部分，尤其包括至少线圈或部分线圈，其具有离子密度大于或等于1018at/cm‑3的重掺杂硅，以获得振荡器的热补偿。

Description

用于计时器的由重掺杂硅制成的游丝
技术领域
本发明涉及一种用于计时器的振荡器的螺旋弹簧以及包括这样的螺旋弹簧的振荡器、计时器的机芯和计时器。最后，还涉及制备这种游丝的方法。
背景技术
机械表的控制基于至少一个机械振荡器，其通常包括飞轮(即平衡机构)和以螺旋形式弯曲的弹簧(即螺旋弹簧或更简单的游丝)。游丝可以在一端处固定到摆轴，并且在另一端处固定到计时器的固定部分，例如夹板(即摆夹板，摆轴在其上枢转)。装配在现有技术的机械手表的运动中的螺旋弹簧以柔韧的矩形横截面的金属带或硅带的形式存在，其主要部分以阿基米德螺旋的形式围绕自身缠绕。游丝在其平衡位置(或中间位置)附近振荡。当摆轮离开该位置，它支撑游丝。这产生了回位力矩，其作用于摆轮上，目的在于使摆轮回到它的平衡位置。由于它已经获得了一定的速度以及由此的动能，摆轮继续前进经过其中间位置直到弹簧的反向力矩使它停止并且迫使它在其他方向旋转。在这种方式下，游丝调校摆轮的振荡周期。
机械表的精度取决于由摆轮和游丝组成的振荡器的固有频率的稳定性。随着温度改变，游丝和摆轮的热膨胀以及游丝的杨氏模量的变化，改变了所述振荡组件的固有频率，从而影响了手表的准确度。
人们熟知现有技术中的多种方案，这些方案试图减少或抑制振荡器的频率随温度的变化。一个这样的方法认为振荡器的固有频率F取决于由游丝施加在摆轮上的回位力矩C的常数与后者的惯性矩I之间的关系，如以下列出的关系式：
Figure BSA0000136814670000011
通过推导与温度相关的前述公式，我们获得了振荡器的固有频率中的相对热变化，其表达如下：
(1/F)dF/dT＝[(1/E)dE/dT+3αs-2αb]/2
其中，E是游丝的杨氏模量，(1/F)dF/dT是振荡器的热系数(thermalcoefficient，也被简称为首字母缩写TC)，(1/E)dE/dT是振荡器的摆轮的杨氏模量的热系数(也被简称为首字母缩写TCY)，αs和αb分别为游丝的热膨胀系数和振荡器的摆轮的热膨胀系数。
现有技术中人们熟知的试图通过选择游丝的TCY来抵消(nullify)振荡器的热系数TC的方案是适于此目的的。在各向异性的材料的情况下，例如硅，热系数随着材料的应力的结晶方向而变化，并且由此在游丝的长度上变化。类似地，在各项同性材料的情况下，例如氧化硅，热系数在条带的横截面内变化。对于由各向异性和/或各项同性的材料制成游丝，要考虑等同或表观的TCY，这对于本领域技术人员来说是通晓的。现有技术中通晓的试图通过选择游丝的等同或表观的TCY来抵消振荡器的热系数TC的方案是适于此目的的。
在以下说明中，“TCY”的表述特定地表示“等同或表观的TCY”。
通过实例的方法，文件EP1258768提出使用特定的顺磁性Nb-Hf合金制成的游丝，该合金包括有利水平的Hf。选定的合金的制备相对复杂。
文件EP1422436描述了另一种方案，基于包括氧化物层的硅来制备游丝。该方案要求具有大厚度的氧化物层。其制备需要游丝在非常高的温度下处理相当长的时间，这是不利的。
发明内容
本发明的目的是提供另一种螺旋弹簧的方案，其允许对振荡器给予热补偿，以获得这样的振荡器，即，其频率独立于或准独立于温度，并且其不具有现有技术有关的所有或一些缺陷。
为实现该目的，本发明涉及一种用于计时器的振荡器的游丝，其中其包括了部件部分，特别为至少一个线圈或部分线圈，其具有重掺杂硅，其具有大于或等于1018at/cm3的掺杂量，以允许得到对振荡器的热补偿。
所述部件部分，特别地所述线圈或所述部分线圈，可以包括在其长度上局部变化的横截面，特别地在所述线圈或所述部分线圈的长度上。该变化可以是厚度和/或高度的变化。
作为替代或附加，所述部件部分可以包括外部的氧化层，特别地包括二氧化硅SiO2。
本发明由权利要求更准确地限定。
附图说明
本发明的这些目的、特征性技术特征和益处在以下的特定实施方式的描述中详细公开，实施方式结合所附附图以非限定性的方式给出，其中：
图1示意性地描绘了根据本发明的一个实施方式的用于计时器的游丝。
图2描绘了根据本发明的实施方式的取决于其基于其附接点限定的角度的游丝的相对厚度的演变。
图3描绘了根据本发明的实施方式的变型的取决于其基于其附接点限定的角度的游丝的相对厚度的演变。
图4描绘了游丝的氧化物层的厚度，对于取决于其掺杂密度的最小厚度与最大厚度的不同比例，在横截面上的其变化与图3中描绘的游丝的那些一致，以制备本发明的实施方式的线性。
具体实施方式
根据本发明的一个实施方式，计时器的振荡器包括摆轮/游丝组件，游丝以矩形横截面的柔韧条带的形式存在，以阿基米德螺旋的形式围绕自身缠绕。摆轮由铜/铍合金以已知的方式制备。作为变型，其他材料可以被用作摆轮。类似地，游丝可以呈现为不同的基本几何形状，例如非矩形横截面。
本发明的目的是提出一种解决方案，其尽可能接近摆轮/游丝组件的热系数(TC)的零值，其摆动因此变得独立于或准独立于温度。为此，需要将游丝的材料与摆轮的材料结合以获得好的结果。通过实例的方式，对于由CuBe2制成的摆轮，游丝必须具有杨氏模量的热系数(TCY)为大约26ppm/℃，以得到振荡器的热补偿。
根据本发明的基本要素，实施方式的游丝是由硅制备的，并且包括至少一个线圈或部分线圈，其由重掺杂硅制成。重掺杂的表述在此应理解为表示硅显示具有大于或等于1018at/cm3的离子密度的掺杂，或大于或等于1019at/cm3，或大于或等于1020at/cm3。所述硅的掺杂通过提供一个额外的电子的元素(p型掺杂，或“p-掺杂硅”)或提供一个缺电子的元素(n型掺杂或“n-掺杂硅”)实现。已经确定，取决于摆轮所用的材料，例如钛或钛合金，该重掺杂硅可以单独地足够获得振荡器的热补偿。通过实例的方式，获得了n型掺杂，例如，通过使用至少一个选自以下的元素：锑Sb、砷As或磷P。P型掺杂例如通过使用硼B获得。
由重掺杂硅制成的部件部分有利地占据了游丝的整个长度。换句话说，游丝的所有由硅制成的线圈可以有利地进行重掺杂。根据一个实施方式，线圈或部分线圈在其整个横截面上重掺杂的。换句话说，由重掺杂硅制成的部件部分占据了线圈或部分线圈的整个横截面，即是说掺杂是大量的。根据一个变型实施方式，由重掺杂硅制成的部件部分仅占据了线圈或部分线圈的横截面的表面层，特别是线圈或部分线圈的壁。进一步地，在以下要描述的实施方式中，掺杂有利地在游丝的所有线圈上，或整个游丝上和/或在游丝的整个横截面上是均匀的。作为变型，根据游丝的线圈或部分线圈和/或根据线圈的横截面或部分线圈的横截面，其可以是非均匀的和变化的。
然而，已经注意到的是，热补偿依赖于晶体取向。换句话说游丝的硅的掺杂的效果赋予了各向异性的热补偿特性。
因此，根据有益的实施方式，螺旋弹簧的几何形状在其整个长度上的横截面表现出变化，以考虑所述各向异性。换句话说，根据重掺杂硅的晶体方向，游丝的横截面发生变化。
因此，第一实施方式以游丝的线圈的厚度的调制为基础，线圈的厚度的调制意味着位于与游丝的平面平行的平面内的线圈侧面尺寸的变化，以及，更特别地，局部垂直于与游丝的平面平行的平面内的游丝的中性纤维(neutral fiber)的线圈尺寸的变化。所述厚度的调制被选择以便于游丝的第一区域的挠曲。所述游丝的第一区域的局部的TCY大于游丝的第二区域的局部TCY。线圈的厚度的调制，更特别地为所述游丝的第一区域内的线圈的厚度的减少，由此使得能够优化振荡器的热补偿。作为一般性总结，所述厚度的调制影响了条带的刚度的规则性，并且由此影响了在恒定温度下的机械性能。然而，该效应被认为是相对于游丝的TCY随温度的变化的影响而受到限制。进一步地，能够通过游丝的线圈在横截面中的相关变化来补偿该效应。
图1因此描绘了根据本发明的一个实施方式的平衡或静止的具有恒定节距的游丝1，其由九匝构成，并且包括如图2描绘的由曲线呈现的线圈的厚度上的变化。所述图2显示了依赖于角度(α)的线圈的厚度的相对变化(e/e0)，在极坐标系的参考点处，并且以游丝的中心为中心。其中显示，每个线圈在给定角度范围内延伸的区域中呈现厚度2的减小，所述角度范围根据游丝的硅掺杂和根据重掺杂游丝的任何氧化而变化。所述角度范围可以介于2和80度之间，特别是介于5和40度之间，并且特别地介于5和20度之间。在我们的特定实施方式中，游丝的平面基本与单晶硅的平面{011}一致。在该特定实施方式中，游丝的第一区域，特别是厚度2的减少，与其中中性纤维的切线对准单晶硅的方向<100>的位置一致。在该特定实施方式中，厚度2的减少被沿着游丝的线圈周期性地设置，周期为90°。在可替代实施方式中，其中游丝的平面不与单晶硅的平面{001}一致，厚度的减少可以被沿着游丝的线圈周期性的设置，周期为180°。除了厚度的减少，厚度可以保持或可以不保持基本恒定。应该注意的是，厚度的减少，即是说线圈的尺寸的局部变化，可以相等或不相等。厚度的减少的几何形状可以不同或可以相同。因此，厚度的减少被以给定的周期周期性地设置，尽管线圈尺寸的局部变化或厚度的减少的几何形状可以是不同的。应该注意的是，具有这样的几何形状，游丝可以呈现任何厚度或任何节距，同时保持好的热性能，这使得能够通过搜索振荡器的最佳计时性能而设置的标准来确定这些参数。
图3描绘了线圈的相对厚度的周期性发展的变化(e/e0)，其在45度上呈现线性轮廓。因此，在该特定变型中，每个线圈呈现对于角度45、135、225和315度的最小厚度2和对于角度0、90、180和270度的最大厚度3。0度角度与游丝的较低端对应。在这些极端厚度2，3之间，游丝呈现随着角度以线性方式变化的厚度。在该实施方式中，厚度呈相应的周期变化且在每个线圈上是类似的。
在这两个实施方式中，厚度的减少可以相对于最大厚度在5到90％的范围内，特别地相对于最大厚度在10到40％的范围内。
根据变型的实施方式，游丝的线圈的横截面的变化可以通过线圈的高度的修改而获得，线圈的高度是指垂直于游丝的平面的尺寸。该修改可以例如通过灰度光刻(greyphotolithography)来实现，同样的目的是便于游丝的第一区域以这种方式弯曲。
自然地，可以基于线圈的横截面的形式和/或尺寸的变化来设想其他实施方式。例如，能够改变线圈的厚度和高度，通过结合以上所述的两种实施方式。几何形状的修改的目的是便于在有利的区域中使游丝弯曲，特别是具有正的热系数。有利地，所述游丝的横截面的变化取决于角度，在极坐标系中的参考点，是周期性的。特别地，该周期可以在90和180度之间。进一步地，目的在于优化游丝的热性能的横截面的变化可以与该横截面的另外的变化结合，后者通常不是周期性的，适于游丝的计时性能的优化。
总之，游丝的待增强的区域可以通过理论计算和/或凭经验方式来确定。
此外，可以确定更重的掺杂给予更大的热补偿效果。还能够在游丝的某些区域提供更重的掺杂，特别是前面提及的有利的区域。作为变型或额外的，还可以在那些最靠近游丝表面的区域提供更重的掺杂。
该掺杂的变化可以通过离子扩散或离子注入反复地(retrospectively)进行，以在游丝的制备之后获得TCY的“精细”调整。自然地，以上实施方式描述的不同变化可以被结合。
已经确定，仅游丝的横截面的变化使得可以通过使用非常重度掺杂的硅来获得良好的结果。能够注意到的是，除了前述实施例中描述的特征性特征之外，硅的轻微氧化，对于已经稍微较少掺杂的硅，能够获得等效结果。换句话说，重掺杂硅的氧化能够与硅掺杂相等地提高热补偿方面的性能，或减少线圈厚度的调制程度。
图4显示了该效应。四条直线11，12，13，14分别表示四个游丝，每个呈现了通过横截面的周期性调制获得的横截面的不同变化，其中线圈的最小厚度和最大厚度之间的关系R分别为1、0.55、0.33和0.10。这四个游丝与相同的由CuBe2制成的摆轮组装在一起，以形成振荡器。对于这些游丝中的每一个来说，获得零热系数所需要的氧化物的厚度(c)被表示为离子密度的对数的函数(log di)。能够注意的是在所有这些情况中，离子密度达到1018at/cm-3的掺杂需要大约3微米的氧化物层。能够注意的是在所有的情况中，大于1018at/cm-3的离子密度的非常高的掺杂需要更薄的氧化物层，或没有氧化物层。另外，对于由热膨胀系数基本上更低的材料制成的摆轮，氧化物层可以被有利地抵消。总之，具有更小厚度或零厚度的氧化物层的实施方式也是本发明感兴趣的和包括的，即使热系数略差，但这通过更加简单的制造来补偿。另外，可以注意到的是，游丝的厚度的调制越不明显(更大的关系R)，在没有氧化的情况下需要的硅掺杂越重，以获得零热系数。总之，还注意到的是如果仅厚度的调制类型被修改，例如根据图2和3，同时保持相同的关系R，则这些曲线基本上保持不变。
可以看到的是，因此本发明还涉及游丝，包括由重掺杂硅制成的部件部分，并且包括氧化的外层。特别地，通过在前述实施方式加上氧化物层而获得实施方式。在所有的情况下，通过考虑更通常的根据任何实施方式的计时器的任何游丝，氧化物层具有小的厚度，其最大厚度小于或等于5微米，或小于或等于3微米，或小于或等于2.5微米，或小于或等于2微米，或小于或等于1.5微米。
本发明还涉及一种制备如前所述的游丝的方法。所述方法包括特别的步骤，其包括将由重掺杂硅制成的晶片切割成游丝，例如通过深反应离子刻蚀方法(Deep ReactiveIon Etching，DRIE)，所述切割使得允许形成构成游丝的线圈的可变横截面。更特别地，根据一个实施方式，所述切割能够形成厚度变化的线圈，通过选择掩模上的形式。另一实施方式包括形成具有变化的高度的线圈，例如通过使用灰度光刻，其通过多次刻蚀使用不同的掩模，或其他被本领域技术人员通晓的方法。
总之，晶片可以由重掺杂硅的锭来制备，锭本身是通过涉及在其生长过程中的硅的重掺杂的步骤而获得的。
作为变型，制备方法包括在硅晶片内切割游丝的步骤，接着是对切割后的硅进行掺杂的步骤，特别地通过离子扩散或离子注入，以获得包括非常高掺杂的硅的游丝。在该实施方式中，掺杂的步骤(补充的)因此被加入到切割之后。硅晶片可以是或可以不是开始就重掺杂的。该实施方式使得能够对靠近表面的区域或在振荡下的变形中受到更高应力的区域进行更重的掺杂。总之，采用反复的掺杂提供了以下优点：能够获得更高的掺杂速率，并且在这样做时避免采用硅的氧化，或者减少必要的氧化物层。
该制备方法还提供了从在硅制成的晶片中切割的灵活性的益处，其使得能够获得丰富的多样化的几何形状，并且特别地以非常少的限制使得形成游丝的线圈的条带的厚度变化。
晶片可以优选地由以方向<100>取向的单晶硅制成。
根据一个可变化实施方式，制备方法包括另外的氧化步骤。如以上所解释的，被使用的氧化层具有小的厚度，在所有实施方式中，其提供了允许其制备在非常低的氧化温度下进行的益处，并且由此避免了所使用的炉子过早的磨损。另外，该小厚度的氧化层还允许其通过使用氧作为前驱物的制备，而不是被用于更厚的氧化层的水蒸气，由此使得能够形成高质量的氧化层，同时最小化其生长时间。
本发明还涉及计时器的振荡器、计时器的机芯和计时器，例如表，例如腕表，其包括以上所述种类的游丝。

Claims (32)

1.一种用于计时器的振荡器的游丝，其中所述游丝至少包括线圈，所述线圈具有离子密度大于或等于1018at/cm3的重掺杂硅，并且所述线圈包括在所述线圈的长度上局部变化的横截面，以获得对振荡器的热补偿，
其中所述横截面的变化是根据90或180度周期的周期性的。
2.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述线圈包括离子密度大于或等于1019at/cm3的重掺杂硅。
3.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述线圈包括大于或等于1020at/cm3的重掺杂硅。
4.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中横截面的变化通过对游丝的线圈的厚度和/或高度的减少来实施。
5.根据权利要求4所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中横截面的变化通过对游丝的线圈的厚度和/或高度的局部减少来实施。
6.根据权利要求1或2所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中游丝的线圈的厚度和/或高度的最小值与这样的位置一致：在该位置处中性纤维的切线基本上与构成游丝的单晶的方向<100>一致。
7.根据权利要求1或2所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述线圈，在整个厚度和/或在整个高度，或仅在表面层，由重掺杂硅形成。
8.根据权利要求1或2所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述游丝包括外部氧化层。
9.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中，所述外部氧化层由二氧化硅SiO2形成。
10.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中外部氧化层覆盖所述线圈。
11.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述外部氧化层的厚度为小于或等于5微米。
12.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述外部氧化层的厚度为小于或等于3微米。
13.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述外部氧化层的厚度为小于或等于2.5微米。
14.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述外部氧化层的厚度为小于或等于2微米。
15.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述外部氧化层的厚度为小于或等于1.5微米。
16.根据权利要求8所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中，在其整个长度上包括可变化的横截面。
17.根据权利要求1或2所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中由重掺杂硅制成的线圈具有可以使下述表达式为零或者基本上为零的性质：
TCY+3αs-2αb
其中，TCY是杨氏模量的热系数，
αs是游丝的热膨胀系数，
αb是与游丝相互作用的摆轮的热膨胀系数。
18.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中显示出厚度减少的游丝部件的第一区域在2～80度之间的角度范围内延伸。
19.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中显示出厚度减少的游丝部件的第一区域在5～40度之间的角度范围内延伸。
20.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中显示出厚度减少的游丝部件的第一区域在5～20度之间的角度范围内延伸。
21.根据权利要求1所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述游丝的横截面的变化取决于角度，在极坐标系中的参考点，是周期性的。
22.根据权利要求21所述的用于计时器的振荡器的游丝，其中所述周期是在90～180度之间。
23.一种用于计时器的振荡器的游丝，其中所述游丝至少包括线圈，所述线圈具有离子密度大于或等于1018at/cm3的重掺杂硅，以获得对振荡器的热补偿，
其中游丝的线圈的厚度和/或高度的最小值与这样的位置一致：在该位置处中性纤维的切线基本上与构成游丝的单晶的方向<100>一致。
24.一种用于计时器的振荡器，其中包括如以上权利要求1-23中任一项所述的游丝。
25.根据权利要求24所述的用于计时器的振荡器，其中，所述振荡器是游丝类型。
26.一种计时器，其中包括如权利要求1～23中任一项所述的游丝。
27.根据权利要求26所述的计时器，其中所述计时器是表。
28.一种制备如权利要求1～23任一项所述的游丝的方法，其中所述方法包括硅的重掺杂的步骤和制备由重掺杂硅制成的晶片的步骤，接着是将所述晶片切割以获得由重掺杂硅形成的游丝的步骤。
29.一种制备如权利要求1～23任一项所述的游丝的方法，其中所述方法包括将由硅制成的晶片切割以形成游丝的步骤，接着是在切割后将硅重掺杂的步骤，以获得由重掺杂硅形成的游丝。
30.根据如权利要求29所述的制备游丝的方法，其中，通过离子扩散或离子注入进行硅重掺杂。
31.根据权利要求28或29所述的制备游丝的方法，其中所述方法包括：
-切割游丝，以进行游丝的厚度的调制；和/或
-游丝的第二切割，以形成游丝的至少一个线圈的高度上的变化。
32.根据权利要求28或29所述的制备游丝的方法，其中所述方法包括氧化游丝的至少一部分硅的步骤。
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