CN102332892B - 一阶和二阶温度补偿谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一阶和二阶温度补偿谐振器。本发明涉及温度补偿谐振器，其包括形变中使用的体，其中体的核（58，58’，18）由石英晶体中以切角（θ’）形成的板形成，该石英晶体确定一阶和二阶温度系数（α，β，α’，β’）。根据本发明，该体包括涂层（52，54，56，52’，54’，56’，16），该涂层至少部分地沉积在核上并且具有根据温度的一阶和二阶杨氏模量变化（CTE1，CTE2，CTE1’，CTE2’），该一阶和二阶杨氏模量变化分别与所述谐振器的所述一阶和二阶温度系数符号相反，从而使得所述一阶和二阶温度系数基本上为零。本发明涉及时基和频基的领域。
Description
技术领域
本发明涉及游丝摆轮(sprung balance)、音叉或更一般地MEMS型的用于产生时基或频率的、其一阶和二阶温度系数基本上为零的温度补偿谐振器。
背景技术
EP专利号1 422 436公开了一种由硅形成的并且涂覆有二氧化硅从而使得温度系数在COSC（Contr?le Officiel Suisse des Chronomètres）认证工艺温度（即，+8和+38℃之间）附近基本上为零的摆轮游丝或细弹簧。同样，WO 2008-043727文档公开了一种MEMS谐振器，其在相同温度范围内具有从其杨氏模量低漂移的类似性质。
然而，在上述公开中，甚至仅二阶频率漂移可能需要取决于应用的复杂修正。例如，对于能够得到COSC认证的电子石英表而言，必须基于温度测量来执行电子修正。
发明内容
本发明的一个目的在于通过提供一阶和二阶温度补偿石英谐振器来克服所有或部分上述缺点。
因此，本发明涉及温度补偿谐振器，其包括形变中所使用的体、该体的核，该体的核由石英晶体中以切角（θ）形成的板形成，该石英晶体确定一阶和二阶温度系数，其特征在于该体包括涂层，该涂层至少部分地沉积在核上并且具有杨氏模量的一阶和二阶温度相关变化，该杨氏模量的一阶和二阶温度相关变化分别与所述谐振器的所述一阶和二阶温度系数符号相反，使得所述一阶和二阶温度系数基本上为零。
有利地根据本发明，形变中使用的谐振器体仅具有用于补偿两阶的一个涂层。因此，取决于涂层材料的每阶的大小和符号，计算单个晶体石英中的切角和涂层的厚度，从而补偿前两阶。
根据本发明的其他有利的特征：
- 体包括基本上四边形形状的剖面，所述剖面的面在相同对中；
- 体包括基本上四边形形状的剖面，所述剖面的面被全部涂覆；
- 选择板的切角，使得所述一阶和二阶温度系数为负并且涂层包括正的一阶和二阶杨氏模量变化；
- 涂层包括氧化锗；
- 选择板的切角，使得所述一阶和二阶温度系数分别为正和负，并且涂层具有分别为负和正的一阶和二阶杨氏模量变化；
- 涂层包括合成金刚石；
- 体是围绕本身缠绕的条以形成摆轮游丝或细弹簧并且与惯性块耦合；
- 体包括形成音叉的至少两个对称安装的臂；
- 音叉是倒置型和/或凹槽型和/或锥形型和/或鳍状型；
- 体是MEMS（微机电系统）。
最后，本发明还涉及时基或频基，诸如例如计时器，其特征在于其包括根据前述变体中任一个的至少一个谐振器。
附图说明
参考附图，根据通过非限制性指示给出的以下描述，其他特征和优势将变得明显，在附图中：
图1到4是多个类型的音叉谐振器的一般性透视图；
图5A、5B、6A和6B是图1到4的谐振器剖面的替代方案；
图7是游丝摆轮谐振器的一部分的一般性透视图；
图8是图7的摆轮游丝的代表性剖面；
图9是示出了根据单个晶体石英中的音叉切角的音叉一阶和二阶温度系数的图；
图10是示出了根据氧化锗层的厚度的、相对于Z轴以等于8.4°的角度切割的石英音叉的一阶和二阶温度系数变化的图；
图11和12是相对于石英晶体的结晶轴的切角的示意图。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及石英谐振器，其可以是游丝摆轮或音叉类型或者更一般地是MEMS（微机电系统）。为了简化本发明的解释，下面呈现的仅有应用是游丝摆轮和音叉。然而，本领域的技术人员可以根据下面的教导来实现其他谐振器应用而没有任何困难。
图9的图示出了根据沿石英晶体z轴的切角的、当前音叉谐振器的一阶和二阶温度系数漂移的特征。
图11和12示出了相对于单个晶体石英的z轴的空间解释。石英晶体具有结晶轴x、y、z。x轴是电轴而y轴是机械轴。在图11和12的示例中，摆轮游丝或音叉的高度h因此具有相对于结晶轴z的取向，该取向取决于已选择的切角θ。
当然，切角θ将不限于相对于轴的单个角，因为相对于多个轴以多个角度的旋转也可能获得本发明内所期望的技术效果。通过示例，最终的切角θ因此可以是相对于x轴的第一角度φ和相对于z轴的第二角度θ的结果。
图9示出了一阶温度系数α以大约0度和12度的切角与零轴相交，如连续线所示。因此显然，取决于单个晶体石英的切角，可能“自然地”获得基本上为零的一阶温度系数α，即谐振器具有实际上独立于温度的一阶频率变化。
这些优势特征已在数十年中用来形成具有接近0度切角的计时器的时基。
图9还示出了二阶温度系数β从不与零轴相交，如虚线所示。因此显然，即使对于接近0度的当前切角，石英也由于二阶温度系数β的变化而保持对温度变化的灵敏，但是程度上小于对于一阶温度系数α。
最终，在图9中，可以看到单个晶体石英中的负切角对称地形成其一阶α和二阶β温度系数为负的谐振器。
有利地，本发明的思想是利用单个涂层来修改石英切角θ，从而补偿石英谐振器的一阶α和二阶β温度系数以获得对温度变化不敏感的谐振器。
借助于定义，谐振器的相对频率变化遵循以下关系：
其中：
- 是相对频率变化，以ppm（10-6）表示；
- A是取决于参考点的常数，单位为ppm；
- T 0 是参考温度，单位为℃；
- α是一阶温度系数，以ppm.℃-1表示；
- β是二阶温度系数，以ppm.℃-2表示；
- γ是三阶温度系数，以ppm.℃-3表示。
而且，热弹性系数（CTE）表示根据温度的杨氏模量的相对变化。下面使用的术语“α”和“β”因此分别表示一阶和二阶温度系数，即谐振器根据温度的相对频率变化。术语“α”和“β”取决于谐振器体的热弹性系数和该体的热膨胀系数。而且，术语“α”和“β”还考虑到诸如例如游丝摆轮谐振器的摆轮的任何单独惯性部件所特有的系数。
由于必须维持预计用于时基或频基的任何谐振器的振荡，热依赖性还可以包括来自于维持系统的贡献。优选地，谐振器体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压电致动则通常需要在金属化顶部涂覆有单个涂层的石英核。明显地，在该后一情况中，无论选择哪种涂层，连接垫必须保持敞露。
图1到4中所示的示例示出了可适用于本发明的音叉变体1、21、31、41。它们由连接至双臂5、7、25、27、35、37、45、47的基部3、23、33、43形成，双臂5、7、25、27、35、37、45、47旨在在各个方向B和C上振荡。
图2到4的变体示出了倒置型音叉21、31、41，即基部23、33、43在双臂25、27、35、37、45、47之间延伸从而优化谐振器21、31、41的锁紧区和活动区之间的去耦合（uncoupling）并且优化针对给定物体表面的振动臂长度。图2到4的变体示出了凹槽型音叉21、31、41，即双臂25、27、35、37、45、47包括凹槽24、26、34、36、44、46用于沉积电极以增加压电耦合并且从而提供具有优秀电参数的小尺寸谐振器。
而且，图1示出了锥形臂变体5、7，即其中剖面远离基部3逐渐地减小，从而将弹性应力更好地分布在臂的长度上并且从而增加电极的耦合。最终，图1和4示出了鳍状型音叉1、41，即双臂5、7、45、47包括在其端部的鳍2、8、42、48来增加谐振器1、41的臂5、7、45、47的振荡惯性，以针对给定频率为谐振器提供优化长度。因此显然，存在多个可能的音叉变体，以非穷举的方式所述多个可能的音叉变体可以是倒置型和/或凹槽型和/或锥形型和/或鳍状型。
有利地，根据本发明，每个音叉1、21、31、41包括一阶α和二阶β温度系数，所述一阶α和二阶β温度系数由音叉1、21、31、41的核58、58’上的层52、54、56、52’、54’、56’的沉积来补偿。图5A、5B、6A和6B提出了音叉1、21、31、41沿平面A-A的四个非穷举性截面示例，这些示例更清楚地示出了它们至少部分地涂覆有层52、54、56、52’、54’、56’的四边形或H形剖面。当然，为了更清楚地示出每个部分52、54、56、52’、54’、56’的位置，涂层52、54、56、52’、54’、56’相对于核58、58’的尺寸并不成比例。
首先进行对音叉谐振器1的研究，该音叉谐振器1沿相对于z轴的负角度即沿负的一阶α和二阶β温度系数在单个晶体石英中切割。因此，寻求具有正的一阶和二阶热弹性系数CTE1、CTE2的材料。已发现，氧化锗（Ge02）、氧化钽（Ta2O5）和稳定的氧化锆或氧化铪符合这些特征。
进行分析以在具有单个涂层的石英中找到切角θ，从而补偿石英谐振器的一阶α和二阶β温度系数。对于图5A的情况即音叉1的臂5、7的每个侧壁上的涂层52、54，发现音叉谐振器1的一阶α和二阶β温度系数汇聚于相对于z轴的-8.408度的角θ和每层2、4的厚度d为5.47μm处。
该汇聚在图10中示出，图10清楚地示出了音叉1的一阶α和二阶β温度系数两者对于层2、4的相同厚度d都与零轴相交。
对于图6A即完全覆盖音叉1的臂5、7的涂层56，发现音叉谐振器1的一阶α和二阶β温度系数汇聚于相对于z轴的-8.416度的角θ和层6的厚度d为4.26μm处。因此得到以下结论：切角θ基本上等于图5A的变体，然而，涂层56的所需厚度d更小得多。
在图5B和6B中示出的凹槽音叉剖面的类似解释中，也可以确定角θ和厚度d。图6B的情况特别有利，因为凹槽边缘处的涂层56’增加了补偿层在其上是活动的表面。因此显然，对于图6B的特定情况，涂层56’的厚度d将有必要甚至更小。
要指出，对于上述所有变体，尽管有必要对臂5、7、25、27、35、37、45、47进行涂覆，但是基部3、23、33、43不是必须被涂覆。事实上，正是在应力区域处必须存在涂层52、54、56、52’、54’、56’。
在图7和8示出的示例中，可以将摆轮游丝11看作其体15与夹头13一体并且其中补偿了体的一阶α和二阶β温度系数。图8提出了摆轮游丝11的体15的截面，该图更清楚地示出了其四边形形状的剖面。体15因此可以由其长度l、高度h和厚度e限定。图8示出了其中以类似于图6A的方式将核18全部涂覆的示例。当然，图8仅示出了非限制性示例，并且关于音叉1、21、31、41，摆轮游丝11可以在体15的至少一部分外表面或全部外表面上具有涂层。
因此，其次针对游丝摆轮谐振器进行研究，该谐振器的摆轮游丝11切入具有负的一阶α和二阶β温度系数和具有涂覆材料的单个晶体石英中，其中该涂覆材料的一阶和二阶热弹性系数CTE1、CTE2是正的。
进行分析以在具有单个涂层的石英中找到切角θ，从而补偿石英谐振器的一阶α和二阶β温度系数。
对于图8的情况即全部覆盖摆轮游丝11的体15的涂层16，发现谐振器的一阶α和二阶β温度系数汇聚于摆轮的多个热膨胀值：
其中：
- αbal是摆轮的热膨胀系数，以ppm.℃-1表示；
- θ是石英中的切角，以度表示；
- d是Ge02涂层的厚度，以μm表示。
因此，根据上述解释，本发明的教导不限于特定的涂层材料或不限于特定的谐振器或甚至不限于涂层的特定沉积区域。相对于石英晶体z轴的示例切割也不是限制性的。石英晶体中的其他参考（诸如x和y轴）也是可能的，正如如上所述，多个旋转是可能的那样。
因此显然，根据本发明，以有利的方式补偿具有单个层的任何石英谐振器的一阶α和二阶β温度系数是可能的，该单个层的一阶和二阶热弹性系数CTE1、CET2与α和β符号相反。因此必须理解，针对单个晶体石英中的替代切角θ’进行补偿也是可能的，其中一阶α和二阶β温度系数不是负的。
借助于非限制性示例，如果替代的一阶和二阶温度系数α’和β’分别是正的和负的，则使用其一阶和二阶热膨胀系数CTE1’、CET2’具有相反符号（即分别是负的和正的）的替代涂层是可能的。该涂层因此可以由合成金刚石形成，这有利地意味着谐振器可以保持透明。
Claims (15)
1.一种温度补偿谐振器，包括形变中使用的体，其中所述体的核由石英晶体中以切角形成的板形成，所述石英晶体确定一阶和二阶温度系数，其特征在于所述体包括涂层，所述涂层至少部分地沉积在所述核上并且具有根据温度的一阶和二阶杨氏模量变化，所述一阶和二阶杨氏模量变化分别与所述谐振器的所述一阶和二阶温度系数符号相反，使得所述一阶和二阶温度系数基本上为零。
2.根据权利要求1的谐振器，其特征在于所述体具有基本上四边形形状的剖面，所述剖面具有相同对中的面。
3.根据权利要求1的谐振器，其特征在于所述体包括基本上四边形形状的剖面，所述剖面的面被全部涂覆。
4.根据权利要求1的谐振器，其特征在于选择所述板的所述切角，使得所述一阶和二阶温度系数为负。
5.根据权利要求4的谐振器，其特征在于所述涂层具有为正的一阶和二阶杨氏模量变化。
6.根据权利要求5的谐振器，其特征在于所述涂层包括氧化锗。
7.根据权利要求5的谐振器，其特征在于所述涂层包括氧化钽。
8.根据权利要求1的谐振器，其特征在于选择所述板的所述切角，使得所述一阶和二阶温度系数分别为正和负。
9.根据权利要求8的谐振器，其特征在于所述涂层包括分别为负和正的一阶和二阶杨氏模量变化。
10.根据权利要求9的谐振器，其特征在于所述涂层包括合成金刚石。
11.根据权利要求1的谐振器，其特征在于所述体是围绕本身缠绕的条以形成摆轮游丝并且与惯性部件耦合。
12.根据权利要求1的谐振器，其特征在于所述体包括形成音叉的至少两个对称安装的臂。
13.根据权利要求12的谐振器，其特征在于所述音叉是倒置型和/或凹槽型和/或锥形型和/或鳍状型。
14.根据权利要求1的谐振器，其特征在于所述体是MEMS。
15.一种计时器，其特征在于其包括根据前述权利要求中任一项的至少一个谐振器。
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