专利名称：至少一阶和二阶温度补偿谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造时基或频率基的游丝、MEMS或音叉类型的温度补偿谐振器，该谐振器的至少ー阶和ニ阶温度系数基本上为零。
背景技术：
文献EP I 422 436公开了ー种由硅形成且涂覆有ニ氧化硅的游丝，以便使温度 系数在COSC (瑞士官方天文台表测试机构)认证过程温度一即，在+8°C和+38°C之间——附近基本上为零。类似地，文献W02008-043727公开了ー种MEMS谐振器，该谐振器在相同的温度范围内具有其杨氏模量漂移低的类似性能。然而，在上述文献中仅ニ阶频率漂移根据应用需要复杂的校正。例如，对于能够得到COSC认证的电子表，必须根据温度測量实施电子校正。
发明内容
本发明的目的是，通过提供ー种至少ー阶和ニ阶温度补偿谐振器来克服上述全部或部分缺点。因此，本发明涉及ー种温度补偿谐振器，该谐振器包括使用时变形的本体，本体的芯部包括第一材料，其特征在干，所述本体包括分别由第二材料和第三材料制成的至少第一涂层和第二涂层，每种材料的杨氏模量随温度的变化是不同的，所述至少第一涂层和第ニ涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度基本上为零的ー阶和ニ阶频率变化。有利地，根据本发明，使用时变形的谐振器本体具有与待补偿的温度系数的阶数一祥多的涂层。因此，根据芯部和各涂层的材料的各阶的大小和表征(signes)，计算出每层厚度，以便相互补偿。根据本发明的其它有利特征-本体包括由第四材料制成的第三涂层，该第四材料的杨氏模量随温度的变化与芯部以及其它涂层的材料的不同，所述三个涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度基本上为零的ー阶、ニ阶和三阶频率变化；-芯部本体具有随温度的一阶和ニ阶杨氏模量变化，该变化是负的，像单晶硅一样；-本体包括基本上四边形形状的截面，该本体的面是成对相同的或全部涂覆有涂层；-第一涂层具有随温度的正一阶和负ニ阶杨氏模量变化，例如ニ氧化硅；-第二涂层具有随温度的正ニ阶和正一阶杨氏模量变化，例如ニ氧化锗，或具有随温度的负ー阶杨氏模量变化；-第一涂层与第二涂层顺序颠倒；-所述涂层优先沉积在与本体的中性面平行的表面上，以便以尽可能大的强度改善所述谐振器的频率；
-本体是围绕其自身卷绕的杆以形成游丝，并联接到惯性飞轮上，或包括至少两个对称安装的杆以形成音叉，或者它是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前述变型的任何一个的谐振器。
从下列参考附图通过非限制性示例给出的描述中，可以清楚发现其它特征和优点，其中-图I是游丝的总体透视图；-图2是图I的游丝的代表性截面；-图3是根据本发明的几个实施例的视图；-图4是示出根据本发明的第一实施例的各种材料的弹性模量的曲线图；-图5是示出根据本发明的第二实施例的各种材料的弹性模量的曲线图；-图6是示出根据本发明的谐振器没有频率变化的曲线图；-图7是示出涂覆有二氧化硅的硅游丝的一阶和二阶温度系数变化的曲线图；-图8是示出涂覆有二氧化锗的硅游丝的一阶和二阶温度系数变化的曲线图；-图9是示出涂覆有二氧化硅和二氧化锗的硅游丝的一阶和二阶温度系数变化的曲线图。
具体实施例方式如上所述，本发明涉及一种谐振器，该谐振器可以是游丝、音叉或更一般地MEMS(“微机电系统”)谐振器。为了简化本发明的解释，下面展示的应用仅涉及游丝。然而，本领域技术人员可以根据下文给出的启示无过多困难地完成像上述谐振器一样的其它谐振器应用。类似地，下面的解释涉及本体的芯部，在我们的示例中为由单晶硅形成的游丝。然而，芯部的材料不限于单晶硅，而是可扩展到不同类型的材料，例如多晶硅、玻璃、氮化物、钻石、单晶石英或金属。图6的曲线图示出作为温度的函数的当前谐振器的频率漂移特征。标为“z切石英”的第一条实线曲线示出通过轻微转动z切制成的32kHz单晶石英音叉的频率漂移。标为“Si-Si02”的第二条虚线曲线示出涂覆有二氧化硅的硅MEMS谐振器的频率漂移。对于这两条曲线，可以看出，在宽的温度范围上，尤其是在_20°C和+80°C之间，漂移是非零的。该频率漂移主要与杨氏模量随温度的变化相关。然而，两个当前制造示例的在+10°C和+40°C之间的低频率漂移也可能需要谐振器的外在校正。例如，对于包含石英音叉的电子表，就是如此，该石英音叉在表的温度测量的基础上进行电子校正，以获得COSC认证。因此，有利地，本发明的目的是，提出一种谐振器，其中，随着温度的频率漂移进一步降低，如标为“复合物”的点划线曲线所示，该曲线的比例与另两条曲线的比例刻意保持相同，以便示出漂移的显著不同。更具体地，根据本发明的谐振器本体包括与待补偿的温度系数一样多的涂层。
因此，优选地，该谐振器本体包括至少两层涂层，如果二阶补偿仍然导致不可接受的频率漂移的话，可包括第三涂层。然而，在三阶补偿后，对于任何谐振器来说，频率漂移变成可忽略不计。因此，根据芯部和各涂层的材料的各阶的大小和表征，计算出各层厚度，以便相互补偿。通过定义，谐振器的相对频率变化遵循下列关系
权利要求
1.一种温度补偿谐振器(1)，该谐振器(I)包括使用时变形的本体，所述本体的芯部(3)包括第一材料，其特征在于，所述本体具有分别由第二材料和第三材料制成的至少第一涂层和第二涂层(4，5)，各材料的杨氏模量随温度的变化是不同的，所述至少第一涂层和第二涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度基本上为零的一阶和二阶(a，P)频率变化。
2.根据前述权利要求所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体包括由第四材料制成的第三涂层，该第四材料的杨氏模量随温度的变化与所述芯部(3)和所述其它涂层(4，5)的材料的不同，所述三个涂层的各自厚度调整成允许所述谐振器具有随温度基本上为零的一阶、二阶和三阶(a，P，Y )频率变化。
3.根据权利要求I或2所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体的所述芯部(3)具有随温度的负一阶和负二阶杨氏模量变化。
4.根据前述权利要求所述的谐振器(I)，其特征在于，所述本体的所述芯部(3)包括单晶娃。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器(I)，其特征在于，所述本体具有基本上四边形形状的截面，所述本体具有成对的相同面。
6.根据权利要求I至4中的任一项所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体包括基本上四边形形状的截面，所述本体的面全部涂覆有涂层。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器(1)，其特征在于，第一涂层(4)具有随温度的正一阶和负二阶杨氏模量变化。
8.根据前述权利要求所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第一涂层(4)包括二氧化硅。
9.根据权利要求7或8所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)具有随温度的正二阶杨氏模量变化。
10.根据前述权利要求所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)具有随温度的正一阶杨氏模量变化。
11.根据前述权利要求所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)包括二氧化锗。
12.根据权利要求9所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第二涂层(5)具有随温度的负一阶杨氏模量变化。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的谐振器(1)，其特征在于，所述第一涂层(4)与所述第二涂层(5)的顺序颠倒。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器(I)，其特征在于，所述涂层优先沉积在与所述本体的中性面(F)平行的表面上，以便以尽可能大的强度改善所述谐振器的频率。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器(I)，其特征在于，所述本体是围绕其自身卷绕的杆以形成游丝，并联接到惯性飞轮上。
16.根据权利要求I至14中的任一项所述的谐振器(I)，其特征在于，所述本体包括至少两个对称安装的杆以形成音叉。
17.根据权利要求I至14中的任一项所述的谐振器(1)，其特征在于，所述本体是MEMS谐振器。
18.—种钟表，其特征在于，它包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器。
全文摘要
本发明涉及一种温度补偿谐振器(1)，该谐振器(1)包括使用时变形的本体，本体的芯部(3)包括第一材料。根据本发明，本体包括至少第一涂层和第二涂层(4，5)，所述涂层(4，5)使得所述谐振器具有基本上为零的一阶和二阶(α,β)温度系数。本发明涉及时基和频率基领域。
文档编号H03H9/02GK102687394SQ201080056806
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月10日 优先权日2009年12月15日
发明者K·特伦皮, T·科奴斯, T·黑塞勒 申请人:斯沃奇集团研究和开发有限公司