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CN106997170A - 用于通过增加材料制造预定厚度的游丝的方法 - Google Patents

用于通过增加材料制造预定厚度的游丝的方法 Download PDF

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CN106997170A
CN106997170A CN201611164474.5A CN201611164474A CN106997170A CN 106997170 A CN106997170 A CN 106997170A CN 201611164474 A CN201611164474 A CN 201611164474A CN 106997170 A CN106997170 A CN 106997170A
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O·亨齐克
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Abstract

本发明涉及一种用于制造预定刚度的游丝的方法，其包括以下步骤：制造其尺寸用于获得有意降低的刚度的游丝；确定在步骤a)中形成的游丝的刚度，以补偿为了获得具有所述预定刚度所需的尺寸的游丝而需要的缺失的材料厚度。

Description

用于通过增加材料制造预定厚度的游丝的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造预定刚度的游丝的方法，更具体地涉及这种游丝：其被用作与预定惯性的摆轮配合的补偿游丝以形成具有预定频率的谐振器。
背景技术
通过引用并入本申请的欧洲专利1422436中说明了如何形成以下补偿游丝以用于所述整个谐振器的热补偿：该补偿游丝包括涂覆有二氧化硅的硅芯并与具有预定惯性的摆轮配合。
这种补偿游丝的制造提供了许多优点但也有缺陷。事实上，在硅晶片中蚀刻多个游丝的工序使同一晶片的游丝之间具有显著几何偏差并且在不同时间蚀刻的两个晶片的游丝之间具有更大偏差。此外，以相同蚀刻图案蚀刻的每个游丝的刚度都是可变的，从而产生显著的制造偏差。
发明内容
本发明的一个目的在于，通过提出一种用于制造尺寸足够精确从而不需要进一步操作的游丝的方法来克服全部或部分上述缺陷。
因此，本发明涉及一种用于制造预定刚度的游丝的方法，其包括以下步骤：
a)形成尺寸小于获得预定刚度的游丝所需的尺寸的游丝；
b)通过测量与具有预定惯性的摆轮耦接的游丝的频率来确定在步骤a)中形成的游丝的刚度；
c)基于在步骤b)中确定的游丝刚度的确定来计算缺失的材料厚度，以用于获得预定刚度的所述游丝；
d)改造在步骤a)中形成的游丝以补偿所述缺失的材料厚度，以获得所述预定刚度所需的尺寸的游丝(5c)。
因此应理解，该方法可保证游丝的非常高的尺寸精度，并且顺带地还保证所述游丝的更精确的刚度。因此，能够引起步骤a)中的几何变化的任何制造参数可针对每个所制造的游丝被完全矫正，或针对在同一时间形成的全部游丝被平均矫正，由此大幅减小废品率。
根据本发明其它的有利变型：
-在步骤a)中，在步骤a)中形成的游丝的尺寸比获得预定刚度的游丝所需的尺寸小1％到20％之间；
-步骤a)是借助深反应离子蚀刻或化学蚀刻实现的；
-在步骤a)中，在同一晶片中形成尺寸小于获得具有一种预定刚度的多个游丝或具有多种预定刚度的多个游丝所需的尺寸的多个游丝；
-在步骤a)中形成的游丝是由硅、玻璃、陶瓷、金属或金属合金制成的；
-步骤b)包括阶段b1)：测量组件的频率，该组件包括与具有预定惯性的摆轮耦接的、在步骤a)中形成的游丝，以及阶段b2)：从测得的频率推导在步骤a)中形成的游丝的刚度；
-根据第一变型，步骤d)包括阶段d1)：在步骤a)中形成的游丝的外表面的一部分上沉积一个层，以便获得具有所述预定刚度所需的尺寸的游丝；
-根据第二变型，步骤d)包括阶段d2)：将在步骤a)中形成的游丝的外表面的一部分的结构改造至预定深度，以便获得具有所述预定刚度所需的尺寸的游丝；
-根据第三变型，步骤d)包括阶段d3)：修改在步骤a)中获得的游丝的外表面的一部分的组成至预定深度，以便获得具有所述预定刚度所需的尺寸的游丝；
-在步骤d)之后，该方法至少再一次执行步骤b)、c)和d)以进一步提高尺寸品质；
-根据第一变型，步骤e)包括阶段e1)：在预定刚度的所述游丝的外表面的一部分上沉积一个层；
-在第二变型中，步骤e)包括阶段e2)：将预定刚度的所述游丝的外表面的一部分的结构修改至预定深度；
-根据第三变型，步骤e)包括阶段e3)：将预定刚度的所述游丝的外表面的一部分的组成修改至预定深度。
附图说明
根据以下参考附图通过非限制性说明的方式给出的描述，其它特征和优点将清楚地显现，在附图中：
-图1是根据本发明的组装好的谐振器的透视图。
-图2是根据本发明的游丝的示例性几何形状。
-图3至5是根据本发明的方法的不同步骤中的游丝的截面图。
-图6是根据本发明的方法的步骤的透视图。
-图7是根据本发明的方法的图表。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及具有摆轮3-游丝5的类型的谐振器1。摆轮3和游丝5优选安装在同一心轴7上。在该谐振器1中，摆轮3的惯性矩I符合下式：
I＝mr2 (1)
其中，m表示摆轮的质量，r表示同样取决于摆轮的膨胀系数αb和温度的回转半径。
此外，具有恒定横截面的游丝5的刚度C对应于下式：
其中，E是所使用的材料的杨氏模量，h是高度，e是厚度，且L是其展开长度。
此外，具有恒定横截面的游丝5的刚度C对应于下式：
其中，E是所使用的材料的杨氏模量，h是高度，e是厚度，L是展开长度，且l是沿游丝的曲线横坐标。
此外，具有可变厚度但是恒定横截面的游丝5的刚度C对应于下式：
其中，E是所使用的材料的杨氏模量，h是高度，e是厚度，L是展开长度，且l是沿游丝的曲线横坐标。
最后，游丝摆轮谐振器1的弹性常数C符合下式：
根据本发明，希望谐振器随着温度具有大致为零的频率变化。在游丝摆轮谐振器的情况下，随着温度T的频率变化f大致符合下式：
其中：
-是相对频率变化；
-ΔT是温度变化；
-是随温度的相对杨氏模量变化，即，游丝的热弹性系数(TEC)；
-αs是以ppm.℃-1为单位表达的游丝的膨胀系数；
-αb是以ppm.℃-1为单位表达的摆轮的膨胀系数。
由于必须维持旨在用于时间或频率基的任何谐振器的振荡，维持系统还可有助于热依赖性，例如，同样安装在心轴7上的、与圆盘11的冲击钉9配合的瑞士杠杆式擒纵机构(未示出)。
因此，从式(1)-(6)清楚的是，通过选择用于将游丝5与摆轮3耦接的材料，谐振器1的频率f对温度变化几乎不敏感。
本发明更具体地涉及一种谐振器1，其中游丝5用于对整个谐振器1——即所有部件并且特别是摆轮3——进行热补偿。这种游丝5通常称为温度补偿游丝。这就是本发明涉及以下方法的原因：该方法能够确保游丝的非常高的尺寸精度并且顺带地确保所述游丝的更精确的刚度。
根据本发明，补偿游丝5、15由可包覆热补偿层的材料形成并且旨在与具有预定惯性的摆轮3配合。然而，不能避免使用具有可移动惯性块的摆轮，其能够提供钟表的售前或售后的调节参数。
将例如由硅、玻璃或陶瓷构成的材料用于制造游丝5、15提供了以下优点：通过现有的蚀刻方法实现精确性并且具有良好的机械和化学特性，同时对磁场几乎不敏感。然而，该游丝必须被覆盖或表面改性为能够形成补偿游丝。
优选地，用于制造被补偿的游丝的硅基材料可以是单晶硅(不论其晶体取向如何)、掺杂单晶硅(不论其晶体取向如何)、非晶态硅、多孔硅、多晶硅、氮化硅、碳化硅、石英(不论其晶体取向如何)或氧化硅。当然，可设想其它材料，例如玻璃、陶瓷、金属陶瓷、金属或金属合金。为简化起见，以下说明将涉及硅基材料。
每种材料类型都可被表面改性或包覆一个层以热补偿如上所述的基材。
尽管借助于深反应离子蚀刻(DRIE)在硅基晶片中蚀刻游丝的步骤是最精确的，但在蚀刻期间或在两次连续蚀刻的间隔中发生的现象却会引起几何变化。
当然，可实施其它制造类型，例如激光蚀刻、聚焦离子束蚀刻(FIB)、电镀生长、通过化学气相沉积实现的生长或化学蚀刻，这些制造类型没有那么精确并且该方法对于它们而言将更加有意义。
因此，本发明涉及一种用于制造游丝5c的方法31。根据本发明，如图7所示，方法31包括旨在例如由硅形成至少一个游丝5a的第一步骤33，游丝5a的尺寸Da小于获得预定刚度C的所述游丝5c所需的尺寸Db。如图3所示，游丝5a的横截面具有高度H1和厚度E1。
优选地，游丝5a的尺寸Da大致比获得预定刚度C的游丝5c所需的游丝5c的尺寸Db小1％到20％。
优选地，根据本发明，步骤33借助于在硅基材料制成的晶片23中的深反应离子蚀刻实现，如图6所示。应指出，相对面F1、F2是波状起伏的，因为Bosch深反应离子蚀刻导致一种波状蚀刻，其通过连续蚀刻和钝化工序构造而成。
当然，该方法不限于特定步骤33。举例而言，步骤33也可借助于在例如由硅基材料形成的晶片23中的化学蚀刻来实现。此外，步骤33意味着形成一个或多个游丝，即步骤33可形成各个离散的游丝，或可替代地，在材料晶片中形成的游丝。
因此，在步骤33中，可在同一晶片23中形成多个游丝5a，其尺寸Da、H1、E1小于获得具有一种预定刚度C的多个游丝5c或具有多种预定刚度C的多个游丝5c所需的尺寸Db、H2、E2。
步骤33也不限于利用单一材料形成其尺寸Da、H1、E1小于获得预定刚度C的游丝5c所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5a。因此，步骤33也可以由复合材料——即包含若干不同材料——形成其尺寸Da、H1、E1小于获得预定刚度C的游丝5c所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5a。
方法31包括旨在确定游丝5a的刚度的第二步骤35。该步骤35可直接在仍附接于晶片23的一个游丝5a上执行，或在事先与晶片23分离的一个游丝5a上执行，或在仍附接于晶片23的多个游丝的全部或其样品上执行，或在事先与晶片23分离的多个游丝的全部或其样品上执行。
优选地，根据本发明，不论游丝5a是否与晶片23分离，步骤35都包括第一阶段，该第一阶段旨在测量包括与具有预定惯性I的摆轮耦接的游丝5a的组件的频率f，然后在第二阶段中利用式(5)由其推导游丝5a的刚度C。
特别地，该测量阶段可以是动态的，并且根据通过引用并入本申请中的欧洲专利2423764的教导执行。然而，可替代地，也可实施根据欧洲专利2423764的教导执行的静态方法以确定游丝5a的刚度C。
当然，如上所述，由于该方法不限于从每个晶片仅蚀刻一个游丝，所以步骤35还可包括确定典型样品的或形成在同一晶片上的全部游丝的平均刚度。
根据本发明有利地，基于对游丝5a的刚度C的确定，方法31包括步骤37，该步骤37旨在借助式(2)计算获得预定刚度C的游丝5c所需的缺失的材料厚度，即，要在游丝5a的表面上以均匀或非均匀方式增加和/或修改的材料的量/体积。
该方法继续到步骤39，步骤39旨在修改在步骤a)中形成的游丝5a，以补偿为了获得具有所述预定刚度C所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5c所需的所述缺失的材料厚度。因此因理解，考虑到根据式(2)，决定线圈的刚度的是乘积h·e3，所以游丝5a的厚度和/或高度和/或长度是否已发生几何变化并不重要。
因此，可在整个外表面上增加和/或修改均匀的厚度，可在整个外表面上增加和/或修改非均匀的厚度，可仅在外表面的一部分上增加和/或修改均匀的厚度，或者可仅在外表面的一部分上增加和/或修改非均匀的厚度。举例而言，步骤39可包括仅对游丝5a的厚度E1或高度H1增加材料。
在第一变型中，步骤39包括阶段d1，该阶段d1用于在步骤33中形成的游丝5a的外表面的一部分上沉积一个层，以便获得具有所述预定刚度C所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5c。该阶段d1例如可通过热氧化作用、电镀生长、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或任何其它增加方法来实现。
此阶段d1例如可通过允许在单晶硅游丝5a上形成多晶硅的化学气相沉积来实现，以便获得具有预定刚度C所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5c。
如图4所示，游丝5c的横截面具有高度H2和厚度E2。应指出，游丝5c由单晶硅制成的中心部分22和多晶硅制成的外周部分24形成，其具有预定刚度C所需的总尺寸Db。
在第二变型中，步骤39可包括阶段d2，该阶段d2旨在改造游丝5a的外表面的一部分的结构至预定深度，以便获得具有预定刚度C所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5c。举例而言，如图4所示，如果使用非晶态硅来形成游丝5a，则游丝可被结晶至预定深度以形成非晶态硅中心部分22和多晶硅外周部分24，从而获得具有预定刚度C所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5c。
在第三变型中，步骤39可包括阶段d3，该阶段d3旨在将预定刚度C的游丝5a的外表面的一部分的组成改造至预定深度。举例而言，如图4所示，如果使用单晶硅或多晶硅来形成游丝5a，则游丝可被掺杂或散布以填隙或置换原子至预定深度，以形成单晶硅或多晶硅的中心部分22和被掺杂或散布以不同硅原子的外周部分24，以获得具有预定刚度C所需的尺寸Db、H2、E2的游丝5c。应理解，该第三变型不是必须包含体积的增加，而是至少表观地增大杨氏模量以获得预定刚度C。
对于这三个变型，可以看到起伏的波状形状始终在中心部分22和外周部分24的一部分上再现。因此，可以在步骤39之前设置平滑化步骤，以减少或消除游丝5a的任何波状形状。
方法31可以步骤39结束。然而，在步骤39之后，方法31还可执行步骤35、37和39至少一次以上，以便进一步提高游丝的尺寸品质。当在仍附接于晶片23的全部游丝或其样品上执行步骤35、37和39的第一次重复并且随后在事先与晶片23分离并已经历第一次重复的全部游丝或其样品上执行第二次重复时，步骤35、37和39的这些重复例如是特别有利的。
方法31还可继续进行图7所示的包括任选的步骤41、43和45的过程40的全部或一部分。根据本发明有利地，方法31因此可以步骤41继续，步骤41用于在游丝5c的至少一部分上形成部分26，该部分26用于修正游丝5c的刚度以及用于形成对热变化不敏感的游丝5、15。
在第一变型中，步骤41可包括阶段e1，其用于在预定刚度C的所述游丝5c的外表面的一部分上沉积一个层。
在部分22/24由硅基材料制成的情况下，阶段e1可包括氧化游丝5c以使其涂覆二氧化硅，以便修正游丝5c的刚度以及形成被温度补偿的游丝5、15。该阶段e1例如可通过热氧化作用实现。例如，可在借助于水蒸气或双氧气体的氧化气氛中在800℃与1200℃之间实现该热氧化作用，以在游丝5c上形成氧化硅。
由此获得如图5所示的补偿游丝5、15，其根据本发明有利地包括复合硅芯22/24和氧化硅涂层26。根据本发明有利地，补偿游丝5、15因此具有非常高的尺寸精度，特别是关于高度H3和厚度E3，并且顺带地实现整个谐振器1的非常精细的温度补偿。
在硅基游丝的情况下，可通过利用欧洲专利1422436的教导并将其应用于要制造的谐振器1来获得总尺寸Db，即如上所述补偿谐振器1的全部构成部件。
在第二变型中，步骤41可包括阶段e2，该阶段e2用于将预定刚度C的所述游丝5c的外表面的一部分的结构改造至预定深度。举例而言，如果对于外周部分24和可能地中心部分22使用了非晶态硅，则其可在外周部分24和可能地中心部分22中被结晶至预定深度。
在第三变型中，步骤41可包括旨在将预定刚度C的所述游丝5c的外表面的一部分的组成改造至预定深度的阶段e3。举例而言，如果对于外周部分24和可能地中心部分22使用了单晶硅或多晶硅，则其可在外周部分24和可能地中心部分22中被掺杂或散布以填隙或置换原子至预定深度。
根据本发明有利地，因此可以在不具有进一步的复杂性的情况下制造如图2所示的游丝5c、5、15，其特别是包括：
–横截面相比借助于单次蚀刻获得的横截面更精确的一个或多个线圈；
-沿线圈的厚度和/或节距的变化；
-一体式内桩17；
-Grossman曲线类型的内线圈19；
-一体式游丝外桩附接件14；
-一体式外部附接元件；
-比线圈的其余部分更厚的外线圈12和/或内线圈19的部分13。
最后，方法31还可包括步骤45，步骤45旨在将在步骤41中获得的补偿游丝5、15或在步骤39中获得的游丝5c组装在步骤43中获得的具有预定惯性的摆轮上，以形成游丝摆轮类型的谐振器1，其可以被温度补偿或不被温度补偿，即，其频率f对温度变化敏感或不敏感。
当然，本发明并不限于所说明的示例，而是可以有对本领域技术人员显而易见的各种变型和改型。特别地，如上所述，即使摆轮具有通过设计预先限定的惯性，摆轮也可包括在钟表的售前或售后提供调节参数的可移动惯性块。
此外，可在步骤39与步骤41之间或在步骤39与步骤45之间设置额外的步骤，以用于沉积功能层或美学层，例如硬化层或发光层。
也可以设想，当方法31在步骤39之后进行步骤35、37和39的一次或多次重复时，不会系统性地实施该步骤35。

Claims (19)

1.一种用于制造预定刚度(C)的游丝(5c)的制造方法(31)，包括以下步骤：
a)形成(33)尺寸(Da，H1，E1)小于获得预定刚度(C)的所述游丝(5c)所需的尺寸(Db，H2，E2)的游丝(5a)；
b)通过测量与具有预定惯性的摆轮耦接的游丝(5a)的频率(f)，确定(35)在步骤a)中形成的游丝(5a)的刚度(C)；
c)基于在步骤b)中确定的游丝(5a)的刚度(C)的确定结果来计算(37)缺失的材料厚度，所述缺失的材料厚度是获得预定刚度(C)的所述游丝(5c)所需要的；
d)修改(39)在步骤a)中形成的游丝(5a)，以补偿为了获得具有所述预定刚度(C)所需的尺寸(Db，H2，E2)的游丝(5c)所需的所述缺失的材料厚度。
2.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中，在步骤a)中形成的游丝(5a)的尺寸(Da，H1，E1)比获得所述预定刚度(C)的所述游丝(5c)所需的尺寸(Db，H2，E2)小1％到20％。
3.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤a)是借助于深反应离子蚀刻实现的。
4.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤a)是借助于化学蚀刻实现的。
5.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中，在同一晶片(23)中形成尺寸(Da，H1，E1)小于获得具有一种预定刚度(C)的多个游丝(5c)或具有多种预定刚度(C)的多个游丝(5c)所需的尺寸(Db，H2，E2)的多个游丝(5a)。
6.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝(5a)由硅制成。
7.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝(5a)由玻璃制成。
8.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝(5a)由陶瓷制成。
9.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝(5a)由金属制成。
10.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝(5a)由金属合金制成。
11.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤b)包括以下阶段：
b1)测量包括与具有预定惯性的摆轮耦接的、在步骤a)中形成的游丝(5a)的组件的频率(f)；
b2)从测得的频率(f)推导在步骤a)中形成的游丝(5a)的刚度(C)。
12.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤d)包括以下阶段：
d1)在步骤a)中形成的游丝(5a)的外表面的一部分上沉积一个层，以获得具有所述预定刚度(C)所需的尺寸(Db，H2，E2)的游丝(5c)。
13.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤d)包括以下阶段：
d2)修改在步骤a)中形成的游丝(5a)的外表面的一部分的结构至预定深度，以获得具有所述预定刚度(C)所需的尺寸(Db，H2，E2)的游丝(5c)。
14.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤d)包括以下阶段：
d2)修改在步骤a)中形成的游丝(5a)的外表面的一部分的组成至预定深度，以获得具有所述预定刚度(C)所需的尺寸(Db，H2，E2)的游丝(5c)。
15.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤d)之后，所述方法再次执行步骤b)、c)和d)至少一次，以进一步提高尺寸品质。
16.根据权利要求1所述的制造方法(31)，其特征在于，在步骤d)之后，所述方法还包括以下步骤：
e)在预定刚度(C)的所述游丝(5c)的至少一部分上形成用于修正所述游丝(5c)的刚度以及用于形成对热变化不敏感的游丝(5，15)的部分。
17.根据权利要求16所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤e)包括以下阶段：
e1)在预定刚度(C)的所述游丝(5c)的外表面的一部分上沉积一个层。
18.根据权利要求16所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤e)包括以下阶段：
e2)将预定刚度(C)的所述游丝(5c)的外表面的一部分的结构修改至预定深度。
19.根据权利要求16所述的制造方法(31)，其特征在于，步骤e)包括以下阶段：
e3)将预定刚度(C)的所述游丝(5c)的外表面的一部分的组成改变至预定深度。
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