CN107276557A - 陶瓷温度补偿谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度补偿谐振器(1，11)，该谐振器(1，11)包括能够变形的本体(5，15)，所述本体(5，15)的芯部(8，18)由陶瓷形成。根据本发明，所述本体(5，15)的至少一部分包括至少一个涂层(2，4，6，12，14，16)，该涂层的杨氏模量随温度的变化(CTE)与用于所述芯部(8，18)的所述陶瓷的杨氏模量随温度的变化(CTE)具有相反的符号，使得所述谐振器具有至少一阶(α，β)基本上为零的频率随温度的变化。本发明还涉及用于钟表的部件的领域。

Description

陶瓷温度补偿谐振器
本申请是2012年10月11日在中国专利局提交的申请号为201280054128.5、名称为“陶瓷温度补偿谐振器”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于制造时基或频率基的游丝摆轮、音叉或更一般地MEMS类型的温度补偿谐振器，该谐振器的一阶以及甚至二阶温度系数基本上为零。
背景技术
文献EP 1 422 436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认证过程温度附近——即，在+8℃和+38℃之间——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变化小的类似性能。
然而，在上述文献中频率的变化根据应用需要复杂的校正。例如，对于能够得到COSC认证的电子石英表，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温度补偿陶瓷谐振器来克服上述全部或部分缺陷。
因此，本发明涉及一种温度补偿谐振器，该谐振器包括在使用时变形的本体，所述本体的芯部由陶瓷形成，其特征在于，所述本体的至少一部分包括至少一个涂层，该涂层的杨氏模量随温度的变化与用于所述芯部的所述陶瓷的杨氏模量随温度的变化具有相反的符号，使得所述谐振器的至少一阶频率随温度的变化基本上为零。
根据本发明，有利地，在使用时变形的谐振器本体可包括单个涂层，以补偿一阶或二阶。因此，根据涂层材料的各阶的大小和符号，计算出涂层的厚度，以便补偿至少一阶。
根据本发明的其它有利特征：
-本体的芯部包括玻璃、金属玻璃、工业陶瓷或陶瓷玻璃；
-本体具有基本上四边形形状的截面，该截面的各面是成对相同的；
-本体包括基本上四边形形状的截面，该截面的各面完全涂覆有涂层；
-所述至少一个涂层形成抵御湿气的屏障；
-所述至少一个涂层是导电的；
-本体包括在所述芯部和所述至少一个涂层之间的底层；
-本体是围绕其自身卷绕以形成游丝的条，并且所述本体联接到惯性飞轮上；
-本体包括至少两个对称安装以形成音叉的条；
-本体是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任一前述变型方案的谐振器。
附图说明
从下面参考附图通过非限制性示例给出的描述中，可以清楚发现本发明的其它特征和优点，其中：
-图1是游丝摆轮谐振器的一部分的透视图；
-图2是图1的游丝的代表性截面；
-图3和图4是根据本发明的谐振器的可供选择的截面；
-图5是音叉谐振器的总体透视图；
-图6和图7是根据本发明的谐振器的可供选择的截面。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及一种钟表，该钟表包括谐振器，该谐振器可以是游丝摆轮或音叉或更一般地MEMS(微机电系统)类型的。为了简化本发明的解释，下面展示的应用仅涉及游丝摆轮和音叉。然而，本领域技术人员可以根据下文给出的启示无任何困难地实现其它谐振器应用。
通过定义，谐振器的相对频率变化遵循下列关系：
其中:
-是相对频率变化(ppm或10-6)；
-A是取决于参考点的常数(ppm)；
-T0是参考温度(℃)；
-α是一阶温度系数(ppm·℃-1)；
-β是二阶温度系数(ppm·℃-2)；
-γ是三阶温度系数(ppm·℃-3)。
此外，热弹性系数(CTE)表示杨氏模量随温度的相对变化。在下面使用的术语“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(形成惯性飞轮)——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，因此热依赖性也可包括来自维持系统的贡献。
因此，最重要的参数是热弹性系数(CTE)，不应将其与作为“热膨胀常数”的英文缩写CTE混淆，热膨胀常数涉及膨胀系数。
大多数金属的热弹性系数(CTE)是约-1000ppm·℃-1的很大的负值。因此，不可能设想使用它们形成游丝。因此，已经研发出复合合金，例如Nivarox CT，以解决上述问题。然而，它们仍难以处理，尤其是难于制造。
有利地，本发明涉及用于形成所述谐振器的可供选择的陶瓷材料。陶瓷可以认为是具有玻璃化或非玻璃化本体、具有晶体或部分晶体结构或由玻璃制成的物品，该物品的本体由基本上无机的且金属的或非金属的物质形成，且该物品由在冷却时固化的熔融体制成，或者该物品通过加热作用同时或后续形成和完成。
因此，根据本发明的陶瓷包含普通玻璃、金属玻璃、工业陶瓷，例如碳化硅或陶瓷玻璃。因此，有利地，根据本发明，陶瓷谐振器可具有至少一个涂层，该涂层的杨氏模量随温度的变化与用于芯部的陶瓷的杨氏模量随温度的变化具有相反的符号，使得所述谐振器的至少一阶频率随温度的变化基本上为零。
也有利的是，涂层是导电的，以防止本体的运动产生能够影响本体的轨道的静电力。最后，也优选的是，涂层提供能够形成抵御湿气的屏障的渗透性，例如氮化硅。
在图1和图2示出的示例中，可以看到，游丝1的本体5与其内桩3一体，并且游丝1的一阶温度系数α或二阶温度系数β通过使用分别用于芯部8和涂层6的两种材料来补偿。图2提出了游丝1的本体5的截面，该图更清楚地示出了其四边形形状的截面。因此，本体5可以由其长度l、高度h和厚度e限定。
图2示出了芯部8完全涂覆有涂层的一个示例。当然，图2仅示出了非限制性示例。因此，游丝1可包括在本体5的至少一部分——例如一个或多个面——或甚至整个外表面上的涂层2、4、6，如图3和图4中示出的示例。供参阅，为了更清楚地示出各部分的位置，涂层2、4、6相对芯部8的尺寸并不成比例。
因此，显然，本发明的本体以非限制性的方式可包括基本上四边形形状的截面，该截面的仅有一面涂覆有涂层，或者其各面成对相同，或者其各面以相同的或不同的方式完全覆盖有涂层。
类似地，有利地，根据本发明，音叉谐振器11如图5所示。谐振器本体15由基部13形成，该基部13连接到将振荡的两个臂17、19。作为示例，所使用的音叉11是反向类型的，即，基部13在两个掌状臂17、19之间延伸，即，两个臂17、19具有在其端部的掌状件20、22，并且两个臂17、19是带槽类型的，即，两个臂17、19包括槽24、26。然而，显然，存在多个可能的音叉变型方案，所述多个可能的音叉变型方案以非穷举的方式可以是反向类型的和/或带槽类型的和/或圆锥型和/或掌状类型的。
根据本发明，有利地，音叉11具有由在本体15的芯部18上的沉积层12、14、16补偿的一阶温度系数α和二阶温度系数β。图6和图7提出了音叉11的本体15沿平面A-A的非穷举性截面示例。带槽的四边形截面示出本体15的芯部18在本体15的至少一部分——例如一个或多个面——或甚至整个外表面上涂覆有至少一个涂层12、14、16。正如在第一示例中的那样，为了更清楚地示出各部分的位置，涂层12、14、16相对于芯部18的尺寸并不成比例。
谐振器1、11的芯部8、18由陶瓷制成。然而，存在多种陶瓷。这就是优选具有低热弹性系数(CTE)和低膨胀系数(αspi)的陶瓷的原因。
因此，可以使用石英玻璃，也称作熔凝石英。与使用单词“石英”可能表达的含义相反，这不是晶体材料，而是非晶态硅石。
根据用于制造熔凝石英的方法，所获得的热弹性系数(CTE)总体上是小的和正的，即，介于50和250ppm·℃-1之间。另外，熔凝石英的膨胀系数αspi是约0.5ppm·℃-1，这个数值是非常小的。对于熔凝石英的示例，这意味着涂层2、4、6、12、14、16优选具有负的热弹性系数(CTE)。如上所述，该涂层因此可包括金属或金属合金或另一种陶瓷，例如碳化硅。
当然，优选可以设想来自碱性硅酸盐、硼硅酸盐或铝硅酸盐族中的其它玻璃。
作为示例，可以使用或BF33、AF45玻璃：
BF33 AF45
SiO2 81 50
B2O3 13 14
Al2O3 2 11
BaO 24
Na2O-K2O 4
αspi(ppm·℃-1) 3.25 4.5
CTE(ppm·℃-1) >0 >0
其中：
-αspi是材料的膨胀系数(ppm·℃-1)；
-CTE是热弹性系数(ppm·℃-1)。
像在WO 2007/059876(通过引用结合在本专利申请中)中公开的玻璃一样的可用光构造的(photostructurables)玻璃也是可想象到的。实际上，光刻制造法对于调整热弹性系数(CTE)是非常准确的。最后，陶瓷玻璃、例如微晶玻璃也是可以想像到的。
如上所述，显然，陶瓷可具有正的或负的一阶和二阶热弹性系数(CTE)。这就是用于芯部8、18的涂层2、4、6、12、14、16可附带包括正的或负的一阶和二阶热弹性系数(CTE)的原因。因此，显然，谐振器1、11可例如由完全或部分涂覆有也由陶瓷制成的涂层的陶瓷芯部形成。
因此，根据涂层2、4、6、12、14、16的沉积方法，可以优选选取相对于陶瓷具有良好的粘附力的材料，例如铬或钛。然而，作为另一可选方案，也可在主涂层2、4、6、12、14、16之前沉积底层、例如铬或钛，以改善所述涂层的粘附力和/或渗透性。
最后，在芯部8、18包括负一阶或二阶热弹性系数(CTE)的案例中，优选可以使用氧化锗(GeO2)、氧化钽(Ta2O5)和/或锆或铪的氧化物作为涂层。
已寻求用于4Hz谐振器的示例，该谐振器具有惯性为16mg·cm2的摆轮。摆轮的膨胀系数αbal影响谐振器频率的热依赖性。
对于游丝，线圈的高度h和长度l是固定的，仅可调整它们的厚度e以获得恰当的力矩。假设涂层覆盖线圈的所有面，调整涂层的厚度d，使得存在谐振器频率的至少一阶α温度补偿。
在下表中总结了用于游丝的芯部或涂层的材料的性能：
E(Gpa) CTE(ppm·℃-1) αspi(ppm·℃-1)
微晶玻璃 90 76 0.0
Al 68 -430 24.0
CVD-SiC 466 -50 2.2
6H-SiC 220 -12 2.8
SiO2 72 215 0.4
金属玻璃 117 -160 12.0
TeO2 51 40,000 15.5
第一示例包括涂覆有金属(在这里为Al层)的微晶玻璃游丝，该游丝在商标下出售并具有基本上为零的膨胀系数。
上述玻璃还可涂覆有通过化学气相沉积法(CVD)沉积的SiC层。CVD-SiC是被认为是具有机械和化学抵抗性的多晶材料。SiC还以晶体形式存在，例如六边形，名叫6H-SiC。后者的性能区别于多晶形状的性能。在下面的示例中，这通过SiO2得到补偿。
最后，最后一个示例选取由TeO2层补偿的金属玻璃。
下表总结了不同的示例：

Claims (10)

1.一种温度补偿谐振器(1，11)，该谐振器(1，11)包括在使用时变形的本体(5，15)，所述本体(5，15)的芯部(8，18)由碳化硅形成，其特征在于，所述本体(5，15)的至少一部分包括至少一个涂层(2，4，6，12，14，16)，该涂层的杨氏模量随温度的变化(CTE)与用于所述芯部(8，18)的碳化硅的杨氏模量随温度的变化(CTE)具有相反的符号，使得所述谐振器的至少一阶频率随温度的变化(α，β)基本上为零。
2.根据权利要求1所述的谐振器(1，11)，其特征在于，所述本体(5，15)的所述芯部(8，18)由晶体形式的碳化硅形成。
3.根据权利要求1所述的谐振器(1，11)，其特征在于，所述涂层(2，4，6，12，14，16)包括二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的谐振器(1，11)，其特征在于，所述本体(5，15)具有基本上四边形形状的截面，该截面的各面是成对相同的。
5.根据权利要求1所述的谐振器(1，11)，其特征在于，所述本体(5，15)包括基本上四边形形状的截面，该截面的各面完全涂覆有涂层。
6.根据权利要求1所述的谐振器(1，11)，其特征在于，所述本体(1，11)包括在所述芯部(8，18)和所述涂层(2，4，6，12，14，16)之间的底层。
7.根据权利要求1所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体(5)是围绕其自身卷绕以形成游丝的条，并且所述本体联接到惯性飞轮上。
8.根据权利要求1所述的谐振器(11)，其特征在于，所述本体(15)包括至少两个对称安装以形成音叉的条(17，19)。
9.根据权利要求1所述的谐振器(1，11)，其特征在于，所述本体是MEMS谐振器。
10.一种钟表，其特征在于，所述钟表包括至少一个根据权利要求1所述的谐振器(1，11)。
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