專利名稱：熱補償機械諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱補償機械諧振器，并且更具體地，這種類型的諧振器包括由熱 補償單晶硅制成的擺輪游絲(balance spring)或游絲(hairspring)。
背景技術(shù)：
EP專利1422436公開了一種擺輪游絲，其芯由單晶硅制成并涂有二氧化硅涂層， 從而熱補償所述擺輪游絲。它還使作為溫度的函數(shù)的熱彈性系數(shù)的變化最小化。但是，該 文件只公開了相等厚度的涂層，這會使得擺輪游絲難以適應(yīng)擺輪以便獲得變化率最小的諧 振器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標是通過提出一種諧振器來克服全部或部分上述缺陷，所述諧振 器為形成可進行熱補償?shù)耐繉犹峁└蟮淖杂啥取Ｒ虼?，本發(fā)明涉及一種包括條帶的熱補償機械諧振器，該條帶的具有多邊形剖面 的芯包括單晶硅，該熱補償機械諧振器的特征在于，芯在其至少一個表面上具有使所述諧 振器對溫度變化較不敏感的涂層并且在至少一個其它表面上不具有涂層，或者該熱補償機 械諧振器的特征在于，芯的至少兩個相鄰表面沒涂有相同的厚度。根據(jù)本發(fā)明的其它有利的特征-條帶的剖面是包括相等的表面對的四邊形；-所述涂層優(yōu)先沉積到平行于條帶彎曲面的表面，從而定量地提高對所述諧振器 頻率的影響，或相反地，沉積到垂直表面，從而相比沉積在平行表面上較少影響地改變所述 諧振器頻率；-所述條帶繞其本身纏繞以形成至少一匝并與慣性飛輪耦接。它形成MEMS或至少 兩個對稱組裝的梁以制成音叉；-所述涂層包括二氧化硅；-所述芯由{100}或{111}單晶硅晶片制成；-所述表面對沿{100}或{111}面的涂層厚度近似符合以下關(guān)系Y = A · X3+B · X2+C · X+D其中-Y是在平行于條帶彎曲軸線A1的表面上的涂層厚度相對于總條帶高度h的百分 比；-X是在垂直于條帶彎曲軸線A1的表面上的涂層厚度相對于條帶總底b的百分比；-A是特征曲線多項式估計的三次項系數(shù)，為-3. 5302 X 10_5或-3. 5565 X 10_5 ；-B是特征曲線多項式估計的二次項系數(shù)，為-1. 114X 10_3或-1. 0642 X 10_3 ；-C是特征曲線多項式估計的線性系數(shù)，為-0. 29152或-0. 28721 ；-D是特征曲線多項式估計的基數(shù)，為15. 522或16. 446。
本發(fā)明涉及一種鐘表，該鐘表包括至少一個根據(jù)上述變型之一的諧振器。


其它特征和優(yōu)勢將在參照附圖非限制性給出的以下說明中變得清楚，附圖中圖1是擺輪游絲的總體透視圖；圖2是圖1的擺輪游絲的示意剖面；圖3是根據(jù)本發(fā)明的幾個實施例的圖；圖4是單晶硅的{100}面的楊氏模量作為其取向的函數(shù)的空間圖；圖5是單晶硅的{100}面的楊氏模量變化作為其溫度的函數(shù)的圖；圖6是單晶硅的{111}面的楊氏模量作為其取向的函數(shù)的空間圖；圖7是單晶硅的{111}面的楊氏模量變化作為其溫度的函數(shù)的圖；圖8是諧振器的頻率變化作為其溫度和涂層厚度的函數(shù)的圖，所述諧振器的芯取 自單晶硅的{100}面；圖9是圖8在軸bi+bj^ b]方向上的一部分的垂直圖；圖10是圖8在軸hi+hj^ h]方向上的一部分的垂直圖；圖11是圖8在AF = 1方向上的一部分的水平圖；圖12和13是諧振器頻率變化作為位置和涂層厚度的函數(shù)的圖；圖14是諧振器的頻率變化作為其溫度和涂層厚度的函數(shù)的圖，所述諧振器的芯取自單晶硅的{111}面；圖15是圖14在軸bi+bj^ b]方向上的一部分的垂直圖；圖16是圖14在軸hi+hj^ h]方向上的一部分的垂直圖；圖17是圖14在AF = 1方向上的一部分的水平圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種機械諧振器，可為游絲擺輪(sprung balance)、音叉或更一般地 可為MEMS (微機電系統(tǒng))類型。但是，為解釋本發(fā)明，如圖1和2所示，我們將其應(yīng)用于與擺輪協(xié)作的擺輪游絲以 形成所述機械諧振器。擺輪游絲通常由長度1的條帶繞成至少一匝而形成，條帶的剖面具 有底b和高h。如圖1所示，該條帶優(yōu)選地形成為具有其箍環(huán)(collet)的單件。優(yōu)選地，這可通 過采用單晶硅晶片制成，所述單晶硅晶片的厚度近似匹配底b的尺寸。該晶片經(jīng)由深度反 應(yīng)離子刻蝕(DRIE)而在擺輪游絲及其箍環(huán)的整個形狀被刻蝕。如圖2中所示，可看出底b的總尺寸由單晶硅和優(yōu)選地由非晶二氧化硅(SiO2)制 成的兩個相對涂層組成。該第一實施例在圖3中由附圖標記A更好地示出。圖3還示出名 為A1的虛線，表示條帶的彎曲軸線。如此，在第一實施例A中，只有垂直于彎曲軸線A1的條 帶表面被分別涂有厚度h和b3的涂層。這樣，明顯地，底的總尺寸b由這些涂層ID1和b3以 及單晶硅部分的尺寸b2形成。在圖3的第二實施例B中，只有平行于彎曲軸線A1的條帶表面被分別涂有厚度Ii1 和h3的涂層。如此，明顯地，高的總尺寸h由這些涂層Ii1和h3以及單晶硅部分的尺寸h2形成。在圖3的第三實施例C中，條帶的所有表面都涂有涂層。條帶的相鄰表面不是以 相同的方式涂敷，而優(yōu)選地以相同的對的方式涂敷。如此，平行于彎曲軸線A1的條帶表面被 分別涂有厚度Ii1和h3的涂層，垂直于彎曲軸線A1的條帶表面被分別涂有厚度Id1和b3的涂 層。如此，明顯地，一方面高的總尺寸h由涂層Ill和h3以及單晶硅部分的尺寸h2形成，另 一方面底的總尺寸b因而由涂層ID1和b3以及單晶硅部分的尺寸b2形成。明顯地，尺寸hp h3小于尺寸Vb3。在圖3的第四實施例D中，條帶的所有面以與第三實施例C相似的方式涂有涂層。 條帶的相鄰面不以相同的方式涂敷，而優(yōu)選地以相同的對的方式涂敷。與第三實施例C不 同，尺寸hp、大于尺寸bplv根據(jù)本發(fā)明，采用在單晶硅晶片中沿{100}和{111}面切割而形成的條帶來研究 四個實施例A、B、C和D。圖4中示出的例子示出單晶硅的{100}面的楊氏模量作為其取向 的函數(shù)的圖。顯然，彈性根據(jù)條帶彎曲的取向而變化。但是，在進行計算后，我們看到空間 條帶的結(jié)構(gòu)實際上表現(xiàn)如同其具有中等的楊氏模量(ASinroy),如圖5所示。該圖還示出單 晶硅的熱彈性系數(shù)是負的(見標記口、〇、Δ)，然而非晶二氧化硅(SiO2)的熱彈性系數(shù)是 正的(見標記X)這樣，通過研究分別類似于圖4和5，但關(guān)于{111}面的圖6和7，可看出除了較高 的楊氏模量值以外，由{111}面形成的條帶以與由{100}面形成的類似方式起作用，即，可 通過非晶二氧化硅(SiO2)涂層對其進行補償。圖8是為在單晶硅晶片中沿{100}面切割形成的條帶而實施的計算的完整展現(xiàn)。 圖8示出作為溫度和涂層厚度的函數(shù)的諧振器的頻率變化，所述諧振器的條帶取自{100} 單晶硅?？煽闯鲈诮o出近似恒定的比率AF(S卩，等于1)的不同的熱平面之間有收斂曲線。 為更清楚地示出特征曲線，給出以下平面圖8在軸Vb3[%b]的方向上(即％h = 0)的 一部分的垂直平面(圖9)，另一個在軸、+、[% h]的方向上，即％ b = 0(圖10)，最后形 成了圖8在AF = 1的方向上的水平平面(圖11)。圖9實際上是圖3的第一實施例A的熱補償曲線，示出在Vb3相對于b的百分比 在大約39%到41%之間時熱曲線會聚在25°C線上。對于優(yōu)選情況，其中每個相對表面遵循 關(guān)系h = b3，于是對于第一實施例A，我們得到，兩個表面的每一個的涂層厚度在19. 5%到 20. 5 %之間。在更詳細的計算后，值bi+b3估計在大約39. 65 %。類似地，參照圖10，圖10是圖3的第二實施例的熱補償曲線，可看出在IiJh3相對 于h的百分比在大約15%到16%之間時熱曲線會聚在25°C線上。于是對于實施例B，對 于優(yōu)選情況，其中每個相對表面遵守關(guān)系Ii1 = h3，我們得到，兩個面的每一個的涂層厚度在 7. 5%到8%之間。在更詳細的計算后，值IiJh3估計在大約15.49%。圖11總結(jié)了所觀察到的補償條帶的曲線，所述條帶由單晶硅晶片沿{100}面切割 而形成并具有非晶二氧化硅(SiO2)涂層。如此，分別在X和y軸上再次找到第一和第二實 施例A和B的值。另外，還看到注釋曲線(annotated curve)E，對于曲線E在所有條帶表面 上應(yīng)用相同的百分比，即，如EP專利1422436中那樣。最后，可看到點B與曲線E之間的特 征曲線屬于圖3的第四實施例D，曲線E與點A之間的特征曲線屬于圖3的第三實施例C。為簡化對于待形成的層的確定，計算三次多項式以簡化諧振器的開發(fā)。
Y = A · X3+B · X2+C · X+D其中-Y是在平行于條帶彎曲軸線A1的表面上的涂層厚度IiJh3相對于總條帶高度h的 百分比；-X是在垂直于條帶彎曲軸線A1的表面上的涂層厚度1^+133相對于條帶總底b的百 分比；-A是特征曲線多項式估計的三次項系數(shù)，為-3. 5302 X 10_5 ；-B是特征曲線多項式估計的二次項系數(shù)，為-1. 114 X ΙΟ"3 ；-C是特征曲線多項式估計的線性系數(shù)，為-0. 29152 ；-D是特征曲線多項式估計的基數(shù)(unit)，為15. 522。最后，圖12和13分別示出理論上對諧振器頻率的影響，取決于涂層覆蓋垂直于彎 曲軸線A1的表面(實施例A)還是平行于彎曲軸線A1的表面(實施例B)。注意，比起添加 于垂直于彎曲軸線A1的表面的涂層(實施例A)，頻率定量地受添加于平行于彎曲軸線A1的 表面的涂層(實施例B)的影響更大。因此我們推論，根據(jù)在擺輪游絲和擺輪之間做出的形 成諧振器的調(diào)整，實施例A、B、C、D和E中的一個會好于其它的。對晶片的{100}面進行的研究也可對{111}面進行。這樣，圖14是對沿{111}平 面切割的單晶硅晶片所形成條帶進行的計算的完整圖。圖14示出作為溫度和涂層厚度的函數(shù)的諧振器頻率變化，該諧振器的條帶從單 晶硅的{111}面得到?？煽闯鲈诓煌瑹崞矫嬷g也有會聚曲線，允許保持大致恒定的比率 AF(即等于1)。為更清楚地說明特征曲線，給出以下平面圖14在軸bi+bj^b]的方向 上(即％1! = 0)的一部分的垂直平面(圖15)，另一個在軸hi+、[%h]的方向上，即
=0(圖16)，最后，形成圖14在AF = 1的方向上的水平平面(圖17)。圖15實際上是圖3的第一實施例A的熱補償曲線，示出在！^+、相對于b的百分 比在近似41%到43%之間時，熱曲線會聚在25°C線上。對于優(yōu)選情況，其中每個相對表面 遵循關(guān)系h = b3，于是對于實施例A，我們得到，兩個面的每一個具有20. 5 %到21. 5 %的涂 層厚度。在更詳細的計算后，值131+133估計為約41.69%。類似地，參照圖16，其是圖3的第二實施例B的熱補償曲線，可看出在^+、相對 于h的百分比在大約16%到17%之間時熱曲線會聚在25°C線上。對于優(yōu)選情況，其中每 個相對表面遵循關(guān)系Ii1 = h3，于是對于第二實施例B，兩個面的每一個的涂層厚度在8%到 8. 5%之間。在更詳細的計算后，值IiJh3估計為約16.46%。圖17總結(jié)了所觀察到的補償條帶的曲線，所述條帶由單晶硅晶片沿{111}面切割 而形成并具有非晶二氧化硅(SiO2)涂層。如此，分別在X和y軸上再次找到第一和第二實 施例A和B的值。另外，還看到注釋曲線E，對于曲線E在所有條帶表面上應(yīng)用相同的百分 比，即，如EP專利1422436中那樣。最后，可看到點B與曲線E之間的特征曲線屬于圖3的 第四實施例D，曲線E與點A之間的特征曲線屬于圖3的第三實施例C。為簡化對于待形成的層的確定，計算三次多項式以簡化諧振器的開發(fā)。Y = A · X3+B · X2+C · X +D其中-Y是在平行于條帶彎曲軸線A1的表面上的涂層厚度IiJh3相對于總條帶高度h的百分比；-X是在垂直于條帶彎曲軸線A1的表面上的涂層厚度1^+133相對于條帶總底b的百 分比；-A是特征曲線多項式估計的三次項系數(shù)，為-3. 5565 X 10_5 ；-B是特征曲線多項式估計的二次項系數(shù)，為-1. 0642 ΧΙΟ"3 ；-C是特征曲線多項式估計的線性系數(shù)，為-0. 28721 ；-D是特征曲線多項式估計的基數(shù)，為16.446。于是，我們推論，如同{100}切割面一樣，根據(jù)在從單晶硅的{111}切割面獲得的 擺輪游絲和擺輪(慣性飛輪)之間做出的形成諧振器的調(diào)整，實施例A、B、C、D和E中的一 個會好于其它的。因此注意，與前面一樣，切割面{100}或{111}之間的選擇沒有決定性的影響?？紤]到上述解釋，顯然所公開的教導(dǎo)允許制造其它類型的熱補償機械諧振器，例 如，音叉或MEMS型諧振器。
權(quán)利要求
1.一種包括條帶的熱補償機械諧振器，所述條帶的多邊形剖面的芯包括單晶硅，其特 征在于，所述芯在其至少一個表面上包括使所述諧振器對溫度變化較不敏感的涂層，并且 在至少一個其它表面上不具有涂層。
2.一種包括條帶的熱補償機械諧振器，所述條帶的多邊形芯包括單晶硅并涂有使所述 諧振器對溫度變化較不敏感的涂層，其特征在于，所述芯的至少兩個相鄰表面沒涂有相同 的厚度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述條帶的剖面是四邊形，其表面是 相同的對。
4.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述涂層優(yōu)先沉積到平行于條帶彎曲 面的表面，從而定量地提高對所述諧振器頻率的影響。
5.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述涂層包括二氧化硅。
6.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述條帶形成至少兩個梁，對稱組裝 以形成音叉。
7.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述條帶形成MEMS。
8.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述條帶繞其本身纏繞以形成至少一 匝并耦接到慣性飛輪。
9.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述芯由{100}單晶硅晶片制成。
10.如權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于，所述芯由{111}單晶硅晶片制成。
11.如權(quán)利要求9和8所述的諧振器，其特征在于，所述表面對的涂層厚度近似符合以 下關(guān)系Y= A · X3+B · X2+C · X+D 其中-Y是在平行于條帶彎曲軸線(A1)的表面上的涂層厚度相對于總條帶高度(h)的百分比；-X是在垂直于條帶彎曲軸線(A1)的表面上的涂層厚度相對于條帶總底(b)的百分比； -A是特征曲線多項式估計的三次項系數(shù)，為-3. 5302 X ΙΟ"5 ； -B是特征曲線多項式估計的二次項系數(shù)，為-1. 114X10—3 ； -C是特征曲線多項式估計的線性系數(shù)，為-0. 29152 ； -D是特征曲線多項式估計的基數(shù)，為15. 522。
12.如權(quán)利要求10和8所述的諧振器，其特征在于，所述表面對的涂層厚度近似符合以 下關(guān)系Y= A · X3+B · X2+C · X+D 其中-Y是在平行于條帶彎曲軸線(A1)的表面上的涂層厚度相對于總條帶高度(h)的百分比；-X是在垂直于條帶彎曲軸線(A1)的表面上的涂層厚度相對于條帶總底(b)的百分比； -A是特征曲線多項式估計的三次項系數(shù)，為-3. 5565 X ΙΟ"5 ； -B是特征曲線多項式估計的二次項系數(shù)，為-1. 0642 X ΙΟ"3 ； -C是特征曲線多項式估計的線性系數(shù)，為-0. 28721 ；-D是特征曲線多項式估計的基數(shù)，為16. 446。
13. —種鐘表，其特征在于，所述鐘表包括至少一個如權(quán)利要求1或2所述的機械諧振器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括條帶的熱補償機械諧振器，該條帶的多邊形剖面的芯包括單晶硅。根據(jù)本發(fā)明，所述芯的一個或多個表面具有使所述諧振器對溫度變化較不敏感的涂層。本發(fā)明涉及鐘表領(lǐng)域。
文檔編號G04B17/22GK101995812SQ20101025420
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月13日
發(fā)明者A·卡貝扎斯朱林, P·庫辛 申請人:伊塔瑞士鐘表制造股份有限公司