專利名稱：一階和二階溫度補償諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及游絲擺輪(sprung balance)、音叉或更一般地MEMS型的用于 產(chǎn)生時基或頻率的、其一階和二階溫度系數(shù)基本上為零的溫度補償諧振器。
背景技術(shù)：
EP專利號1 422 436公開了一種由硅形成的并且涂覆有二氧化硅從而使得溫度系數(shù)在 COSC (Controle Officiel Suisse des Chronon^tres)認證工藝溫度(S卩，+8 和 +38°C之間)附近基本上為零的擺輪游絲或細彈簧。同樣，WO 2008-043727文檔公開了一種 MEMS諧振器，其在相同溫度范圍內(nèi)具有從其楊氏模量低漂移的類似性質(zhì)。然而，在上述公開中，甚至僅二階頻率漂移可能需要取決于應(yīng)用的復(fù)雜修正。例如，對于能夠得到COSC認證的電子石英表而言，必須基于溫度測量來執(zhí)行電子修正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于通過提供一階和二階溫度補償石英諧振器來克服所有或部分上述缺點。因此，本發(fā)明涉及溫度補償諧振器，其包括形變中所使用的體、該體的核，該體的核由石英晶體中以切角(〃)形成的板形成，該石英晶體確定一階和二階溫度系數(shù)，其特征在于該體包括涂層，該涂層至少部分地沉積在核上并且具有楊氏模量的一階和二階溫度相關(guān)變化，該楊氏模量的一階和二階溫度相關(guān)變化分別與所述諧振器的所述一階和二階溫度系數(shù)符號相反，使得所述一階和二階溫度系數(shù)基本上為零。有利地根據(jù)本發(fā)明，形變中使用的諧振器體僅具有用于補償兩階的一個涂層。因此，取決于涂層材料的每階的大小和符號，計算單個晶體石英中的切角和涂層的厚度，從而補償前兩階。根據(jù)本發(fā)明的其他有利的特征
“體包括基本上四邊形形狀的剖面，所述剖面的面在相同對中； “體包括基本上四邊形形狀的剖面，所述剖面的面被全部涂覆； “選擇板的切角，使得所述一階和二階溫度系數(shù)為負并且涂層包括正的一階和二階楊氏模量變化；
“涂層包括氧化鍺；
“選擇板的切角，使得所述一階和二階溫度系數(shù)分別為正和負，并且涂層具有分別為負和正的一階和二階楊氏模量變化； “涂層包括合成金剛石；
“體是圍繞本身纏繞的條以形成擺輪游絲或細彈簧并且與慣性塊耦合； “體包括形成音叉的至少兩個對稱安裝的臂； “音叉是倒置型和/或凹槽型和/或錐形型和/或鰭狀型； -體是MEMS (微機電系統(tǒng))。
最后，本發(fā)明還涉及時基或頻基，諸如例如計時器，其特征在于其包括根據(jù)前述變體中任一個的至少一個諧振器。


參考附圖，根據(jù)通過非限制性指示給出的以下描述，其他特征和優(yōu)勢將變得明顯， 在附圖中
圖1到4是多個類型的音叉諧振器的一般性透視圖； 圖5A、5B、6A和6B是圖1到4的諧振器剖面的替代方案； 圖7是游絲擺輪諧振器的一部分的一般性透視圖； 圖8是圖7的擺輪游絲的代表性剖面；
圖9是示出了根據(jù)單個晶體石英中的音叉切角的音叉一階和二階溫度系數(shù)的圖； 圖10是示出了根據(jù)氧化鍺層的厚度的、相對于Z軸以等于8. 4°的角度切割的石英音叉的一階和二階溫度系數(shù)變化的圖11和12是相對于石英晶體的結(jié)晶軸的切角的示意圖。
具體實施例方式如上所述，本發(fā)明涉及石英諧振器，其可以是游絲擺輪或音叉類型或者更一般地是MEMS (微機電系統(tǒng))。為了簡化本發(fā)明的解釋，下面呈現(xiàn)的僅有應(yīng)用是游絲擺輪和音叉。 然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)下面的教導(dǎo)來實現(xiàn)其他諧振器應(yīng)用而沒有任何困難。圖9的圖示出了根據(jù)沿石英晶體ζ軸的切角的、當(dāng)前音叉諧振器的一階和二階溫度系數(shù)漂移的特征。圖11和12示出了相對于單個晶體石英的ζ軸的空間解釋。石英晶體具有結(jié)晶軸 x、y、z。χ軸是電軸而y軸是機械軸。在圖11和12的示例中，擺輪游絲或音叉的高度力因此具有相對于結(jié)晶軸ζ的取向，該取向取決于已選擇的切角θ。當(dāng)然，切角θ將不限于相對于軸的單個角，因為相對于多個軸以多個角度的旋轉(zhuǎn)也可能獲得本發(fā)明內(nèi)所期望的技術(shù)效果。通過示例，最終的切角θ因此可以是相對于χ軸的第一角度Φ和相對于ζ軸的第二角度θ的結(jié)果。圖9示出了一階溫度系數(shù)α以大約0度和12度的切角與零軸相交，如連續(xù)線所示。因此顯然，取決于單個晶體石英的切角，可能“自然地”獲得基本上為零的一階溫度系數(shù)〃，即諧振器具有實際上獨立于溫度的一階頻率變化。這些優(yōu)勢特征已在數(shù)十年中用來形成具有接近0度切角的計時器的時基。圖9還示出了二階溫度系數(shù)A從不與零軸相交，如虛線所示。因此顯然，即使對于接近0度的當(dāng)前切角，石英也由于二階溫度系數(shù)A的變化而保持對溫度變化的靈敏，但是程度上小于對于一階溫度系數(shù)a。最終，在圖9中，可以看到單個晶體石英中的負切角對稱地形成其一階α和二階 β溫度系數(shù)為負的諧振器。有利地，本發(fā)明的思想是利用單個涂層來修改石英切角〃，從而補償石英諧振器的一階α和二階A溫度系數(shù)以獲得對溫度變化不敏感的諧振器。借助于定義，諧振器的相對頻率變化遵循以下關(guān)系A(chǔ)f,
^7-= A +α·(Τ — + β·(Τ ~ Ι 十廣(Γ — Τη
Jo
其中 . V
-y是相對頻率變化，以PPm (ΙΟ"6)表示；
J'I
-A是取決于參考點的常數(shù)，單位為ppm ； -&是參考溫度，單位為。C ； -α是一階溫度系數(shù)，以ppm. V 1表示； -β是二階溫度系數(shù)，以ppm. V 2表示； -r是三階溫度系數(shù)，以ppm. 0C 3表示。而且，熱彈性系數(shù)(CTE)表示根據(jù)溫度的楊氏模量的相對變化。下面使用的術(shù)語 “ α ”和”因此分別表示一階和二階溫度系數(shù)，即諧振器根據(jù)溫度的相對頻率變化。術(shù)語 “ α，，和“ β，，取決于諧振器體的熱彈性系數(shù)和該體的熱膨脹系數(shù)。而且，術(shù)語“ α，，和“ β，， 還考慮到諸如例如游絲擺輪諧振器的擺輪的任何單獨慣性部件所特有的系數(shù)。由于必須維持預(yù)計用于時基或頻基的任何諧振器的振蕩，熱依賴性還可以包括來自于維持系統(tǒng)的貢獻。優(yōu)選地，諧振器體是在其外表面的至少一部分或全部上并且可能地如果期望壓電致動則通常需要在金屬化頂部涂覆有單個涂層的石英核。明顯地，在該后一情況中，無論選擇哪種涂層，連接墊必須保持敞露。圖1到4中所示的示例示出了可適用于本發(fā)明的音叉變體1、21、31、41。它們由連接至雙臂 5、7、25、27、35、37、45、47 的基部 3、23、33、43 形成，雙臂 5、7、25、27、35、37、45、47 旨在在各個方向B和C上振蕩。圖2到4的變體示出了倒置型音叉21、31、41，即基部23、33、43在雙臂25、 27、35、37、45、47之間延伸從而優(yōu)化諧振器21、31、41的鎖緊區(qū)和活動區(qū)之間的去耦合 (uncoupling)并且優(yōu)化針對給定物體表面的振動臂長度。圖2到4的變體示出了凹槽型音叉21、31、41，即雙臂25、27、35、37、45、47包括凹槽24、26、34、36、44、46用于沉積電極以增加壓電耦合并且從而提供具有優(yōu)秀電參數(shù)的小尺寸諧振器。而且，圖1示出了錐形臂變體5、7，即其中剖面遠離基部3逐漸地減小，從而將彈性應(yīng)力更好地分布在臂的長度上并且從而增加電極的耦合。最終，圖1和4示出了鰭狀型音叉1、41，即雙臂5、7、45、47包括在其端部的鰭2、8、42、48來增加諧振器1、41的臂5、7、 45,47的振蕩慣性，以針對給定頻率為諧振器提供優(yōu)化長度。因此顯然，存在多個可能的音叉變體，以非窮舉的方式所述多個可能的音叉變體可以是倒置型和/或凹槽型和/或錐形型和/或鰭狀型。有利地，根據(jù)本發(fā)明，每個音叉1、21、31、41包括一階α和二階β溫度系數(shù)，所述一階α和二階β溫度系數(shù)由音叉1、21、31、41的核58、58，上的層52、54、56、52， 、54，、56， 的沉積來補償。圖5Α、5Β、6Α和6Β提出了音叉1、21、31、41沿平面A-A的四個非窮舉性截面示例，這些示例更清楚地示出了它們至少部分地涂覆有層52、54、56、52’、54’、56’的四邊形或H形剖面。當(dāng)然，為了更清楚地示出每個部分52、54、56、52’、54’、56’的位置，涂層52、 54、56、52，、54，、56，相對于核58、58，的尺寸并不成比例。
首先進行對音叉諧振器1的研究，該音叉諧振器1沿相對于ζ軸的負角度即沿負的一階α和二階β溫度系數(shù)在單個晶體石英中切割。因此，尋求具有正的一階和二階熱彈性系數(shù)CTE1、CTE2的材料。已發(fā)現(xiàn)，氧化鍺(Ge02)、氧化鉭(Ta2O5)和穩(wěn)定的氧化鋯或氧化鉿符合這些特征。進行分析以在具有單個涂層的石英中找到切角〃，從而補償石英諧振器的一階 α和二階β溫度系數(shù)。對于圖5Α的情況即音叉1的臂5、7的每個側(cè)壁上的涂層52、54， 發(fā)現(xiàn)音叉諧振器1的一階α和二階β溫度系數(shù)匯聚于相對于ζ軸的-8. 408度的角θ和每層2、4的厚度i/為5. 47 μ m處。該匯聚在圖10中示出，圖10清楚地示出了音叉1的一階α和二階β溫度系數(shù)兩者對于層2、4的相同厚度i/都與零軸相交。對于圖6A即完全覆蓋音叉1的臂5、7的涂層56，發(fā)現(xiàn)音叉諧振器1的一階α和二階β溫度系數(shù)匯聚于相對于ζ軸的-8. 416度的角θ和層6的厚度i/為4.26 μ m處。因此得到以下結(jié)論切角θ基本上等于圖5Α的變體，然而，涂層56的所需厚度i/更小得多。在圖5B和6B中示出的凹槽音叉剖面的類似解釋中，也可以確定角〃和厚度 /。 圖6Β的情況特別有利，因為凹槽邊緣處的涂層56’增加了補償層在其上是活動的表面。因此顯然，對于圖6Β的特定情況，涂層56’的厚度i/將有必要甚至更小。要指出，對于上述所有變體，盡管有必要對臂5、7、25、27、35、37、45、47進行涂覆， 但是基部3、23、33、43不是必須被涂覆。事實上，正是在應(yīng)力區(qū)域處必須存在涂層52、54、 56、52，、54，、56，。在圖7和8示出的示例中，可以將擺輪游絲11看作其體15與夾頭13 —體并且其中補償了體的一階α和二階β溫度系數(shù)。圖8提出了擺輪游絲11的體15的截面，該圖更清楚地示出了其四邊形形狀的剖面。體15因此可以由其長度八高度力和厚度e限定。 圖8示出了其中以類似于圖6A的方式將核18全部涂覆的示例。當(dāng)然，圖8僅示出了非限制性示例，并且關(guān)于音叉1、21、31、41，擺輪游絲11可以在體15的至少一部分外表面或全部外表面上具有涂層。因此，其次針對游絲擺輪諧振器進行研究，該諧振器的擺輪游絲11切入具有負的一階α和二階β溫度系數(shù)和具有涂覆材料的單個晶體石英中，其中該涂覆材料的一階和二階熱彈性系數(shù)CTE1、CTE2是正的。進行分析以在具有單個涂層的石英中找到切角〃，從而補償石英諧振器的一階 α和二階β溫度系數(shù)。對于圖8的情況即全部覆蓋擺輪游絲11的體15的涂層16，發(fā)現(xiàn)諧振器的一階α 和二階β溫度系數(shù)匯聚于擺輪的多個熱膨脹值
權(quán)利要求
1.一種溫度補償諧振器，包括形變中使用的體，其中所述體(3，5，7，15，23，25，27，33， 35,37,43,45,47)的核(58，58’，18)由石英晶體中以切角(θ , θ，、形成的板形成，所述石英晶體確定一階和二階溫度系數(shù)(“，β, a', / ")，其特征在于所述體(3，5，7，15，23， 25，27，33，35，37，43，45，47)包括涂層(52，54，56，52，，54，，56，，16)，所述涂層(52，54，56， 52’，54’，56’，16)至少部分地沉積在所述核(58，58’，18)上并且具有根據(jù)溫度的一階和二階楊氏模量變化(CTE1，CTE2, CTEl', CTE2’)，所述一階和二階楊氏模量變化分別與所述諧振器的所述一階和二階溫度系數(shù)(〃 ’ β ’ α，’ β，、符號相反，使得所述一階和二階溫度系擬α , β , a，，β，)基本上為零。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于所述體(3，5，7，15)具有基本上四邊形形狀的剖面，所述剖面具有相同對中的面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于所述體(3，5，7，15)包括基本上四邊形形狀的剖面，所述剖面的面被全部涂覆。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于選擇所述板的所述切角(〃)，使得所述一階和二階溫度系數(shù)(“，/O為負。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的諧振器，其特征在于所述涂層(52，54，56，16，52，，54，，56，)具有為正的一階和二階楊氏模量變化(CTEl，CTE2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的諧振器，其特征在于所述涂層(52，54，56，52，，54，，56，，16)包括氧化鍺。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的諧振器，其特征在于所述涂層(52，54，56，52，，54，，56，，16)包括氧化鉭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于選擇所述板的所述切角(θ0，使得所述一階和二階溫度系數(shù)(α，’β’、分別為正和負。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的諧振器，其特征在于所述涂層(52，54，56，52，，54，，56，，16)包括分別為負和正的一階和二階楊氏模量變化(CTE1，，CTE2，)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的諧振器，其特征在于所述涂層(52，54，56，52’，54’，56’，16)包括合成金剛石。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于所述體(15)是圍繞本身纏繞的條以形成擺輪游絲(11)并且與慣性部件耦合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于所述體包括形成音叉(1，21，31，41)的至少兩個對稱安裝的臂(5，7，25，27，35，37，45，47)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的諧振器，其特征在于所述音叉(1，21，31，41)是倒置型和/或凹槽型和/或錐形型和/或鰭狀型。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于所述體是MEMS。
15.一種計時器，其特征在于其包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的至少一個諧振器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一階和二階溫度補償諧振器。本發(fā)明涉及溫度補償諧振器，其包括形變中使用的體，其中體的核(58，58’，18)由石英晶體中以切角(θ’)形成的板形成，該石英晶體確定一階和二階溫度系數(shù)(α，β，α’，β’)。根據(jù)本發(fā)明，該體包括涂層(52，54，56，52’，54’，56’，16)，該涂層至少部分地沉積在核上并且具有根據(jù)溫度的一階和二階楊氏模量變化(CTE1，CTE2，CTE1’，CTE2’)，該一階和二階楊氏模量變化分別與所述諧振器的所述一階和二階溫度系數(shù)符號相反，從而使得所述一階和二階溫度系數(shù)基本上為零。本發(fā)明涉及時基和頻基的領(lǐng)域。
文檔編號H03H9/215GK102332892SQ20111015362
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者達拉皮亞扎 S., 赫斯勒 T. 申請人:斯沃奇集團研究及開發(fā)有限公司