TWI521873B - 至少第一與第二階熱補償共振器 - Google Patents

Description

至少第一與第二階熱補償共振器

本發明關於一種用於製造時間基座或頻率基座之遊絲擺輪(sprung balance)型、MEMS型或音叉型熱補償共振器，其熱係數至少到第一與第二階近似於零。

歐洲專利第1 422 436號揭示一種擺輪遊絲(balance spring)，其由矽所形成且以二氧化矽塗覆以便使COSC程序溫度附近(即+8及+38℃之間)的熱係數近似於零。同樣地，世界專利第2008-043727號揭示一種MEMS共振器，其具有在相同溫度範圍內自其楊氏模數偏差較低的類似特質。

然而，在以上揭示中即使只有第二階頻率偏差，則可能視應用而需要複雜校正。例如，對於待經過COSC認證的電子錶，必須進行一種根據溫度測量值的電子校正。

本發明之目的在於，藉由提出一種至少第一與第二階熱補償共振器而克服全部或部分的前述缺點。

本發明因此關於一種熱補償共振器，其包括用於形變的本體，該本體的核心包括第一材料，該熱補償共振器之特徵在於：該本體包括分別由第二及第三材料所製成的至少第一及第二塗層，楊氏模數隨溫度的變化對各材料係不同，該至少第一及第二塗層的各厚度係經調整以允許該共振器具有作為溫度函數的第一與第二階(α、β)頻率變化近似於零。

依據本發明而有利地，用於形變的共振器本體包括與待補償之熱係數階同樣多的塗層。因此，視核心及各塗層之材料的各階數量與正負號，計算各厚度以對各階補償。

依據本發明之其他有利特徵：

-該本體包括由第四材料所製成的第三塗層，該第四材料之楊氏模數隨溫度的變化係與該核心及其他塗層的材料不同，該三個塗層的各厚度係經調整以允許該共振器具有作為溫度函數的第一、第二與第三階(α、β、γ)頻率變化近似於零；

-該本體的核心具有之楊氏模數隨溫度的第一與第二階變化為負，諸如單晶矽；

-該本體具有近似四邊形剖面，該剖面的表面呈相同的對，或該剖面的表面係全部塗覆；

-該第一塗層具有之楊氏模數隨溫度的第一階變化為正且第二階變化為負，諸如二氧化矽；

-該第二塗層具有之楊氏模數隨溫度的第一階與第二階變化為正，諸如二氧化鍺，或該第二塗層具有之楊氏模數隨溫度的第一階變化為負；

-該第一塗層及該第二塗層係倒置；

-優先將該等塗層沉積在平行於該本體之中立平面的表面上，以便用最大可能強度改變該共振器的頻率；

-該本體為自身纏繞形成一擺輪遊絲的條狀物且與慣性飛輪耦接、或包括至少二個對稱安裝的條狀物以便形成音叉、或為MEMS共振器。

最後，本發明也關於一種時間基座或頻率基座，諸如一種時計，特徵在於其包括至少一個如前述變型中任一者之共振器。

如上所說明，本發明關於一種共振器，其可能為遊絲擺輪型或音叉型、或更一般為MEMS(Micro Electro Mechanical System，微機電系統)共振器。為了提供本發明之較簡單說明，以下呈現的唯一應用為遊絲擺輪。然而，熟習本技藝之人士由以下教導將能夠在沒有過多困難的情況下達成如以上之其他共振器應用。

同樣地，此說明關於由單晶矽所形成之本體(在本實例中為擺輪遊絲)的核心。然而，核心的材料不限於單晶矽，但可能延伸至各種類型的材料，諸如多晶矽、玻璃、氮化物、鑽石、單晶石英或金屬。

圖6的曲線圖顯示目前共振器作為溫度函數之頻率偏差特性。稱為「Quartz-z-cut」呈實線的第一曲線顯示：以輕微旋轉z切割方式由單晶石英製成之32千赫音叉的頻率偏差。稱為「Si-SiO₂」呈短虛線的第二曲線顯示：以二氧化矽塗覆之矽MEMS共振器的頻率偏差。

由於這兩個曲線，可見在寬大的溫度範圍上該偏差不是零，特別是在-20及80℃之間。此頻率偏差主要聯結至楊氏模數隨溫度的變化。然而，儘管低到10及40℃之間，這兩個目前製造實例的頻率偏差可能需要共振器的外在校正。例如，這種情況就是：一種含有石英音叉的電子錶，根據該錶的溫度測量值而電子式校正該石英音叉以獲得COSC認證。

因此有利地，本發明之目的為提出一種共振器，其作為溫度函數的頻率偏差進一步被最小化，如同稱為「composite」呈短及長虛線的曲線所顯示，已經有意地將該曲線的比例保持與其他兩個曲線相同，以便表達偏差的顯著差異。更具體而言，依據本發明之共振器本體包括與待補償之熱係數階同樣多的塗層。

較佳地，共振器本體因此包括至少二個塗層及可能的第三塗層(如果第二階補償仍導致無法接受的頻率偏差)。然而，在第三階補償後，頻率偏差對於任何共振器變成可忽略。因此，視核心及各塗層之材料的各階數量與正負號，計算各厚度以對各階全面補償。

經由定義，共振器的相對頻率偏差遵循下列關係式：

其中

-為相對頻率偏差，以ppm(10^-6)表示；

-A為常數，視參考點而定(ppm)；

-T₀為參考溫度(℃)；

-α為第一階熱係數，以ppm.℃^-1表示；

-β為第二階熱係數，以ppm.℃^-2表示；

-γ為第三階熱係數，以ppm.℃^-3表示。

此外，熱彈性係數(thermoelastic coefficient，CTE)代表楊氏模數隨溫度的相對變化。以下所使用的「α」及「β」項因此分別代表第一與第二階熱係數，即作為溫度函數之共振器的相對頻率變化。「α」及「β」項視共振器本體的熱彈性係數及該本體的熱膨脹係數而定。此外，「α」及「β」項也考慮到屬於任何不同慣性的係數，諸如遊絲擺輪共振器之擺輪。由於欲用於時間基座或頻率基座之任何共振器的振盪必須被維持，熱相依性也包括任何維持系統之貢獻。較佳地，共振器本體為核心3，以至少二個塗層4、5塗覆。

圖1至3所示實例顯示具有一體式內樁(integral collet)2之擺輪遊絲1，其中補償該本體之熱係數的至少第一與第二階。圖2為該擺輪遊絲之本體的橫剖面，更清楚顯示其四邊形剖面。該本體可因此由其長度1、高度h及厚度e所定義。圖3顯示可能但非詳盡的替代方式A、A'、B、C及D。當然，相對於核心3之尺寸，塗層4及5沒有照比例，以便更好顯示各部份3、4及5的位置。

在第一替代方式A中，僅該剖面的一個表面首先以塗層4塗覆，接著以塗層5塗覆。塗層4及5堆疊的順序沒有固定，即塗層4及5可倒置。此外，當被塗覆者為平行於條狀物之中立平面F的表面時，這比在垂直於彎曲平面F的表面上進行沉積時更大幅地改變該共振器的頻率。當然，也可能想像各塗層4、5出現在不同表面上，如替代方式A'中所示。

在第二替代方式B或C中，該本體的剖面包括呈相同對的表面。因此如同實例B中二個平行表面具有非特定順序(即塗層4及5可倒置)堆疊的二個塗層4、5，或者如同實例C中各平行表面具有塗層4、5之一者。當然，也可能想像塗層4在二個相鄰表面上，且其他二個表面以塗層5塗覆。

在第三替代方式D中，該本體的剖面包括首先以塗層4接著以塗層5全部塗覆的表面。然而，塗層4及5堆疊的順序也不重要，即塗層4及5可倒置。

圖4顯示一曲線圖，代表各材料之楊氏模數的熱相依性，以說明使用矽、二氧化矽及二氧化鍺之本發明實施例。因此，矽的楊氏模數隨溫度增加而減少，而其他二種材料的楊氏模數隨溫度增加而增加。此外，在二個溫度值之間(即-20℃及80℃之間)二氧化矽比二氧化鍺增加更顯著。

事實上，矽的熱彈性係數至第一與第二階為負，而其他二種材料的熱彈性係數至第一階為正。然而，二氧化矽的第二階熱彈性係數為負，而二氧化鍺為正。

然而，圖4的解釋專注在材料的熱彈性係數。也必須考慮到材料的熱膨脹係數及振盪維持系統的效應，以最終獲得共振器頻率改變係數α、β。為了理解此最終解釋，圖7及8中顯示共振器的這二個係數。

因此，在圖7中，核心3包括諸如矽之負的第一與第二階熱彈性係數，且以塗層4塗覆，塗層4包括諸如二氧化矽之正的第一階與負的第二階熱彈性係數。也考慮到材料的熱膨脹係數，尤其是擺輪的熱膨脹係數(18ppm/℃)。此處忽略振盪維持系統的效應。圖7也顯示α(連續線)及β(虛線)階的單位不相同。可見在某一塗層厚度之後，熱係數的第一階α被補償，即與0線相交，然而熱係數的第二階β相對於只有核心材料而言僅僅減少。因此清楚的是，雖然可補償第一階α，對第二階β而言並非如此。

在圖8中，核心3包括諸如矽之負的第一與第二階熱彈性係數，且以塗層5塗覆，塗層5具有諸如二氧化鍺之正的第一與第二階熱彈性係數。如同圖7，在圖8中可見α(連續線)及β(虛線)階的單位不相同。可見自小的塗層厚度開始，熱係數的第二階β被補償，即與0線相交，然而要以較大厚度補償熱係數的第一階α。然而，不可能以僅僅一個塗層厚度補償α及β二階。

這是因為各材料之各階熱彈性係數值的差異。因此，如果尋找一種與核心材料完全「相反」的塗層材料(這將允許沉積單一補償層)似乎是不實際的，則本發明提出對於待補償的各階添加一個塗層。接著各塗層不是用來「直接」校正一階，而是允許改進各補償。

經由圖9中的實例顯示計算結果。在此實例中，核心3包括諸如矽之負的第一與第二階熱彈性係數。核心3以第一塗層4塗覆，該第一塗層包括諸如二氧化矽之正的第一階與負的第二階熱彈性係數。第一塗層4本身以第二塗層5塗覆，該第二塗層具有諸如二氧化鍺之正的第一與第二階熱彈性係數。

如圖9顯示，可見由計算結果可能調整各塗層厚度4、5，使得α及β階補償約略收斂在相同最終厚度上，即二個曲線α及β在相同厚度與0線相交。在圖9實例中，核心3、第一塗層4及第二塗層5因此分別包括近似於40、3.5及3.6微米的厚度。

因此，視所欲之核心3的厚度或所欲之最終剖面的厚度而定，可能提出一種共振器，其相較於圖6中所顯示之「Quartz-z-cut」或「Si-SiO₂」而言具有大幅改善的熱補償。

當然，本發明不限於所示實例，而能夠是對熟習本技藝之人士來說顯而易見的各種變型及替代物。尤其，可想像核心3、塗層4、5等為其他材料，同時仍獲得改善的熱補償。

經由實例，非常有可能的是，一種稱為X(像是經穩定化的鋯或鉿氧化物)且具有負的第一階(如同大部份材料的情形)與正的第二階熱彈性係數之材料可達成熱補償。此實例在圖5中顯示。因此清楚的是，對此類型的材料，第一塗層的厚度必然大於圖4實施例的塗層厚度。

1．．．共振器

2．．．一體式內樁

3．．．核心

4．．．第一塗層

5．．．第二塗層

參照所附圖式經由非限制性標示，其他特徵及益處將由以下說明清楚呈現，其中：

-圖1為擺輪遊絲的一般透視圖；

-圖2為圖1之擺輪遊絲的代表性剖面；

-圖3為依據本發明數個實施例之圖式；

-圖4為曲線圖，顯示依據本發明第一實施例之各材料的彈性模數；

-圖5為曲線圖，顯示依據本發明第二實施例之各材料的彈性模數；

-圖6為曲線圖，顯示依據本發明之共振器沒有頻率變化；

-圖7為曲線圖，顯示以二氧化矽塗覆之矽遊絲擺輪的第一與第二階熱係數變化；

-圖8為曲線圖，顯示以二氧化鍺塗覆之矽遊絲擺輪的第一與第二階熱係數變化；

-圖9為曲線圖，顯示以二氧化矽及二氧化鍺塗覆之矽遊絲擺輪的第一與第二階熱係數變化。

Claims (16)

1. 一種熱補償共振器(1)，包括用於形變的一本體，該本體為自身纏繞形成一擺輪遊絲的條狀物，且與慣性飛輪耦接，該本體的核心(3)包括一第一材料，該熱補償共振器之特徵在於：該本體包括分別由第二及第三材料所製成的至少第一及第二塗層(4、5)，楊氏模數隨溫度的變化對各材料係不同，該至少第一及第二塗層的各厚度係經調整以允許該共振器具有作為溫度函數的第一與第二階(α、β)頻率變化近似於零。
2. 一種熱補償共振器(1)，包括用於形變的一本體，該本體包括至少二個對稱安裝的條狀物以形成音叉，該本體的核心(3)包括一第一材料，該熱補償共振器之特徵在於：該本體包括分別由第二及第三材料所製成的至少第一及第二塗層(4、5)，楊氏模數隨溫度的變化對各材料係不同，該至少第一及第二塗層的各厚度係經調整以允許該共振器具有作為溫度函數的第一與第二階(α、β)頻率變化近似於零。
3. 一種熱補償共振器(1)，包括用於形變的一本體，該本體為MEMS共振器，該本體的核心(3)包括一第一材料，該熱補償共振器之特徵在於：該本體包括分別由第二及第三材料所製成的至少第一及第二塗層(4、5)，楊氏模數隨溫度的變化對各材料係不同，該至少第一及第二塗層的各厚度係經調整以允許該共振器具有作為溫度函數的第一與第二階(α、β)頻率變化近似於零。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項之共振器(1)，其中該本體包括由一第四材料所製成的一第三塗層，該第四材料之楊氏模數隨溫度的變化係與該核心(3)及其他塗層(4、5)的材料不同，該三個塗層的各厚度係經調整以允許該共振器具有作為溫度函數的第一、第二與第三階(α、β、γ)頻率變化近似於零。
5. 如申請專利範圍第1、2或3項之共振器(1)，其中該本體的核心(3)具有之楊氏模數隨溫度的第一與第二階變化為負。
6. 如申請專利範圍第5項之共振器(1)，其中該本體的核心(3)包括單晶矽。
7. 如申請專利範圍第1、2或3項之共振器(1)，其中該本體包括一近似四邊形剖面，該剖面的表面呈相同的對。
8. 如申請專利範圍第1、2或3項之共振器(1)，其中該本體包括一近似四邊形剖面，該剖面的表面係全部塗覆。
9. 如申請專利範圍第1、2或3項之共振器(1)，其中該第一塗層(4)具有之楊氏模數隨溫度的第一階變化為正且第二階變化為負。
10. 如申請專利範圍第9項之共振器(1)，其中該第一塗層(4)包括二氧化矽。
11. 如申請專利範圍第9項之共振器(1)，其中該第二塗層(5)具有之楊氏模數隨溫度的第二階變化為正。
12. 如申請專利範圍第11項之共振器(1)，其中該第二塗層(5)具有之楊氏模數隨溫度的第一階變化為正。
13. 如申請專利範圍第12項之共振器(1)，其中該第二塗層(5)包括二氧化鍺。
14. 如申請專利範圍第11項之共振器(1)，其中該第二塗層(5)具有之楊氏模數隨溫度的第一階變化為負。
15. 如申請專利範圍第11項之共振器(1)，其中該第一塗層(4)及該第二塗層(5)係倒置。
16. 如申請專利範圍第1、2或3項之共振器(1)，其中優先將該等塗層沉積在平行於該本體之中立平面(F)的表面上，以便用最大可能強度改變該共振器的頻率。