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TWI685592B - 扭矩恢復元件、由扭矩恢復元件製成的機械振盪器及形成扭矩恢復元件的方法 - Google Patents

扭矩恢復元件、由扭矩恢復元件製成的機械振盪器及形成扭矩恢復元件的方法 Download PDF

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TWI685592B
TWI685592B TW105104559A TW105104559A TWI685592B TW I685592 B TWI685592 B TW I685592B TW 105104559 A TW105104559 A TW 105104559A TW 105104559 A TW105104559 A TW 105104559A TW I685592 B TWI685592 B TW I685592B
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Abstract

本發明涉及矽游絲，其作為用於機械鐘錶振盪器的扭矩恢復元件，該振盪器具有振盪頻率，該扭矩恢復元件包括具有N圈數的螺旋游絲主體，該螺旋游絲主體具有用於通過游絲內樁接合旋轉慣性元件的內端子端和用於與固定的夾板元件接合的外端子端，並且該螺旋游絲主體具有寬度、高度和總弧長；其中螺旋游絲主體包括由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成的芯部；並且其中螺旋游絲主體包括至少一個外周材料塗層，該塗層的熱彈性常數不同於螺旋游絲主體的芯部的熱彈性常數，以便將包括扭矩恢復元件的振盪器的振盪頻率保持為對周圍溫度的變化基本不敏感。

Description

扭矩恢復元件、由扭矩恢復元件製成的機械振盪器及形成扭矩恢復元件的方法
本發明涉及螺旋游絲，特別是由矽製成的鐘錶游絲及其設計。
游絲是機械鐘錶的關鍵組件。游絲是振盪器的兩個主要元件中的一個，另一個是擺輪。時鐘的振盪器通過其簡諧運動提供時間調節措施。擺輪起慣性元件的作用，並且附接至螺旋形游絲的內端子。游絲的外端子通常剛性地附接至固定壓釘(stud)。在理想的振盪器中，游絲向擺輪提供與擺輪相對於平衡位置的角位移成比例的恢復扭矩，並且運動方程將其描述為線性二階系統。
平衡位置被定義為擺輪的角位置，使得當振盪器處於靜態時，游絲在擺輪上施加的淨扭矩為零。當振盪器的固有頻率獨立於其振幅以及其它外部因素，諸如溫度變化、磁場等等時，振盪器被視為等時的。由於鐘錶的精確性很大程度上由振盪器的固有頻率的穩定性確定，所以等時性是機械鐘錶的最重要的特性之一。
在歷史上，游絲已經被視為製造鐘錶的最具有挑戰性的元件之一，特別是關於手錶中使用的機械機件。對於鐘錶維修之前的通常為數年的整個使用期，要求游絲以通常從3至5赫茲的頻率持續地 撓曲，該頻率為現代機械鐘錶振盪器的頻率範圍。游絲也是機械機件中的最小元件之一，具有通常在30至40微米範圍內的螺旋條寬度。
游絲還必須由抵抗溫度變化對機械特性尤其是楊氏模量(Young's modulus)的影響的材料形成，以便保持正確的計時，並且最小化波動。
此外，隨著消費電子產品的普及導致的電場和磁場的量增大，現代游絲還必須能夠抵抗或者基本最小化磁場對其的影響。這是由於游絲的剛性的精確性和一致性是要求很高的參數，因此甚至0.1%的剛性變化也能夠導致高達1分鐘/天的鐘錶不精確性，這在鐘錶和手錶行業中是不可接受的，並且手錶行業的技術人員在歷史上已經耗費了很大努力，以通過設計和製造技術提供最小化這些影響的游絲。
傳統的游絲由始於John Harrison在約300年前使用的硬化鋼，到Charles Guillaume在1919年發明的艾林瓦(Elinvar)合金，到最近由H.C.Reinhard Straumann博士發明的尼瓦羅克斯(Nivarox)合金的金屬合金製成。幾乎所有現代游絲都由尼瓦羅克斯合金(一種基於鐵和鎳的合金)的一些變體制成。游絲以拉伸工藝製成，其中條狀材料被拉成細絲。然後將直條捲成螺旋，之後被處理以穩定螺旋的形狀。這種工藝具有幾種已知的缺點，包括：(a)拉伸工藝通常不是一種高精度技術，具有在幾微米範圍內的公差，相當百分比的游絲條寬度通常在30至40微米範圍內，導致剛性不一致，(b)金屬合金，諸如尼瓦羅克斯合金固有地具有在使用中在延長應力後稍微蠕變和變型的趨勢，所以金屬游絲不能在超過一年的連續運行後保持其原始的螺旋形狀，這可能需要調節，並且不可避免地影響計時精確性，和(c)雖然通過重摻雜痕量元素，諸如鉻，尼瓦羅克斯合 金材料的熱彈性常數和磁敏感性與早期的金屬游絲相比已經明顯降低，但是還未完全消除這些問題和缺點。
為了解決或者最小化採用用於游絲的尼瓦羅克斯合金和其它金屬合金以及它們的製造方法的上述問題，過去十年已經注意到在游絲製造中引入使用矽和微細加工技術。
使用能夠實現比傳統的金屬成型技術、諸如拉伸具有明顯更大精確性的亞微米精度的微加工工藝生產矽游絲。使用矽的優點包括：(a)與大多數金屬合金相比，這種材料不隨著時間而蠕變和氧化，因而保持機械特性和整體性，(b)這種材料完全無磁性，和(c)通過提供具有矽芯部和二氧化矽薄層的游絲，使得游絲的淨熱彈性常數接近於零，可以將正常運行參數的溫度敏感性最小化或者基本消除。
因而，使用製作矽游絲的技術在過去十年已經具有多種進步，包括文獻DE 10127733(2001年6月7日)中公開的，該文獻公開了使用矽微機械游絲，其中單晶矽處於<100>或者<111>平面，兩個定向都被公開為同樣適合。該游絲為對大範圍熱應力具有良好抵抗力，並且具有良好的形狀穩定性的螺旋游絲。也可用二氧化矽塗層覆蓋所公開的游絲。
文獻EP 1422436(2002年6月25日)描述了一種減小用於鐘錶的單個螺旋游絲的熱漂移，以便實現接近於零的溫度係數的方法。該方法和裝置使用的螺旋游絲有意具備機械鐘錶的擺輪，並且由從一階和二階熱彈性常數的<100>單晶矽片切割的螺旋杆形成，螺旋游絲的線匝具有寬度w和厚度t，由此二氧化矽塗層使得能夠最小化螺旋游絲的彈簧恆定的熱係數。因而，所述螺旋游絲理想地包括對游絲寬 度的調製。
文獻EP2224293(2004年4月29日)公開了一種包括調節裝置的鐘錶機件，該調節裝置包括擺輪和可以由矽形成的平面游絲。平面游絲在其外圈上包括加硬部分，該加硬部分被佈置成使得多圈的變形基本同心。加硬部分在游絲的外端之前終止，並且特徵在於在外圈的端子部分與游絲的倒數第二圈之間對於所述倒數第二圈足夠大，從而在游絲在機件中高達基本相應於擺輪的最大旋轉角度的振幅的膨脹期間保持徑向自由。這在使用時有助於保持游絲的同心性，因而有助於保持良好計時。該文獻公開了可以使用EP 0732635的方法形成矽游絲。已知發明人名稱是Patek Philippe的該專利公開了下文所述的其Spiromax®擺輪游絲的結構。
在2006年，Patek Philippe公開地發佈了由Silinvar®製成的Spiromax®擺輪游絲。通過允許補償溫度變化的真空氧化工藝獲得這種游絲。如EP2224293中所述和所要求的，通過不捲起而是在外端處具有顯著更厚區域的端子彎曲，使得能夠存在同心特性(擺輪游絲關於其中心的對稱膨脹和收縮)。
文獻EP 2215531(2007年11月28日)描述了一種用於製錶業的機械振盪器，包括由單晶矽(Si)形成的螺旋游絲沿晶軸<111>定向，該螺旋游絲具有為了獲得螺旋游絲的彈性扭矩根據溫度的變化而選擇的塗層，以擺輪的轉動慣量補償根據溫度的變化。該檔以與在EP 1422436中使用的<001>單晶矽相同的方式使用軸<111>的單晶矽材料，並且使用塗層以提供溫度不敏感游絲，也以Spiromax游絲由具有氧化物塗層的Silinvar形成的方式提供對溫度變化不敏感的游絲。
最近的矽游絲也已經可用，然而，這種使用商業上受限，並且考慮到與已經大量地使用幾十年的金屬合金游絲相比，矽游絲少於十年的明顯短時間段的有限使用以及未大規模使用，所以由矽 形成的游絲的長期穩定性和整體性還未有機會被評定，以及與工業標準金屬或者金屬合金游絲諸如Nivorax金屬合金游絲相比較。
在第一方面，本發明提供一種用於機械鐘錶振盪器的扭矩恢復元件，振盪器具有振盪頻率，該扭矩恢復元件包括具有N圈數的螺旋游絲主體，該螺旋游絲主體具有用於通過游絲內樁接合旋轉慣性元件的內端子端和用於與固定的夾板元件接合的外端子端，並且螺旋游絲主體具有寬度、高度和總弧長；其中螺旋游絲主體包括由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成的芯部；並且其中螺旋游絲主體包括至少一個外周材料塗層，該塗層具有與螺旋游絲主體的芯部不同的熱彈性常數，以便將包括扭矩恢復元件的振盪器的振盪頻率保持為對周圍溫度的變化基本不敏感。
優選地，螺旋游絲主體為基本矩形橫截面。優選地，螺旋游絲主體具有從20μm至60μm範圍內的寬度，從100μm至400μm範圍內的高度，以及從50μm至200μm範圍內的總弧長。優選地，螺旋游絲主體具有從5至20範圍內的圈數。
游絲的外周塗層由二氧化矽形成，並且優選地具有從3μm至6μm範圍內的厚度。
在實施例中，<110>單晶矽片的方向角產生將在剛性微調中使用的整體游絲剛性的小變化。優選地，螺旋游絲主體具有基於圈數的沿總弧長的至少一部分週期性變化的寬度，以便補償由於矽片平面上的各向異性的楊氏模量產生的變化的游絲分段(sectional)剛性。<110>單晶矽片的寬度可以根據下列方程變化：
Figure 105104559-A0305-02-0008-1
這裡，S11、S12和S44是分別被定義為7.68、-2.14和12.6，單位為10-12Pa-1的單晶矽柔度矩陣的元素。項θ為晶片平面上的方向角。螺旋游絲主體可以由乾式蝕刻製造技術形成，包括深反應離子蝕刻(DRIE)製造技術。
在另一實施例中，在螺旋游絲主體的高度面和螺旋游絲主體的寬度面的交叉處形成的縱向頂點具有沿總弧長的至少一部分延伸的斜面。斜面在螺旋游絲主體使用中的彈性變形期間，在所述頂點處提供對結構應力集中的降低。斜面可以通過濕式蝕刻形成。
在第二方面，本發明提供一種用於鐘錶的振盪器，所述振盪器包括根據第一方面的扭矩恢復元件，以及附接至扭矩恢復元件的內端子端的擺輪。
在第三方面，本發明提供一種用於形成根據第一方面的扭矩恢復元件的方法，其中螺旋游絲主體由乾式蝕刻製造技術形成，包括深反應離子蝕刻(DRIE)製造技術。
在第四方面，本發明提供一種用於形成根據第一方面的扭矩恢復元件的方法，其中<110>單晶矽片的寬度可以根據下列方程變化：
Figure 105104559-A0305-02-0009-2
在第五方面，本發明提供一種用於機械鐘錶的機械振盪器，該機械振盪器包括：扭矩恢復元件，該扭矩恢復元件包括具有N圈數的螺旋游絲主體，螺旋游絲主體具有內端子端和外端子端，並且具有寬度、高度和總弧長，內端子端用於通過游絲內樁接合繞軸線旋轉的旋轉慣性元件，外端子端用於與固定的夾板元件接合；和接合螺旋游絲元件的內端子端並且可繞所述軸線旋轉的旋轉慣性元件；其中 螺旋游絲主體包括由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成的芯部；並且其中螺旋游絲主體包括至少一個外周材料塗層，該塗層具有與螺旋游絲主體的芯部不同的熱彈性常數，以便將包括扭矩恢復元件的機械振盪器的振盪頻率保持為對周圍溫度的變化基本不敏感。
優選地，扭矩恢復元件是根據第一方面的扭矩恢復元件。
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
100‧‧‧游絲
110‧‧‧螺旋游絲主體
115‧‧‧內端子端
117‧‧‧游絲內樁
120‧‧‧外部段
125‧‧‧外端子端
140‧‧‧寬度
160‧‧‧總弧長
170‧‧‧圈
100a‧‧‧游絲
110a‧‧‧螺旋游絲主體
140a‧‧‧寬度
150a‧‧‧高度
180a‧‧‧芯部
190a‧‧‧外周塗層
100b‧‧‧游絲
110b‧‧‧螺旋游絲主體
140b‧‧‧寬度
150b‧‧‧高度
185b‧‧‧斜面
藉由參照前述說明及下列圖式，本揭露之技術特徵及優點得以獲得完全瞭解。
圖1示出除了由阿基米德螺旋線組成的最外圈之外，作為具有恆定間距，處於鬆弛狀態的用於機械鐘錶的游絲的根據本發明的一般扭矩恢復元件的圖示。
圖2示出根據本發明的矽游絲的第一實施例的橫截面圖，該矽游絲由根據本發明的具有恆定厚度的二氧化矽塗層的矽芯部組成。
圖3示出根據本發明的矽游絲的第二實施例的橫截面圖，該矽游絲由根據本發明的具有恆定厚度和帶斜面縱向邊緣的二氧化矽塗層的矽芯部組成。
圖4示出對於<100>、<110>和<111>單晶矽，楊氏模量與矽片平面中的方向角之間的關係圖。
圖5示出對於五個不同二氧化矽厚度，振盪率與溫度之間的關係圖。
圖6示出矽游絲寬度根據角度位置的變化，以補償由根據本發明的<110>單晶矽的各向異性的楊氏模量引起的彎曲曲率變化。
以下詳細說明本申請案揭示內容之實施例的製作與使用。然而，應理解實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於廣泛的特定內容中。本申請案所討論的特定實施例僅係用以說明製作與使用實施例的特定方式，並非用於限制本申請案揭示內容的範圍。
本發明利用<110>單晶矽以形成扭矩恢復元件，特別是用於機械鐘錶的游絲。參考圖1至3描述本發明和細節，並且參考圖4至6描述和解釋由本發明及其參數提供的優點。
參考圖1，其中示出作為根據本發明的游絲100的一般扭矩恢復元件。游絲100被用在具有振盪頻率的振盪器中，並且包括螺旋游絲主體110，提供具有內端子端115的主體部，以及外部段120和外端子端125。游絲具有寬度140、進入頁面的高度以及具有圈170的總弧長。
螺旋游絲主體110的主體形成具有恆定間距的阿基米德螺旋線，其內端子端115用於接合地連接至游絲內樁117。游絲內樁117繼而剛性地連接至雖然未示出，但是本領域技術人員應明白並將其理解為旋轉慣性元件的擺輪。
外部段120具有顯著增大的間距以允許用於壓釘佈置的空間，以及用於接合固定的夾板元件的外端子端125。
游絲100由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成，並且游絲100能夠由微細加工技術形成，諸如乾式蝕刻製造技術，包括深反應離子蝕刻(DRIE)製造技術。
螺旋游絲主體110由基本矩形橫截面形成。根據本發明， 螺旋游絲主體110可以具有從20μm至60μm範圍內的寬度140，從100μm至400μm範圍內的高度150，以及從50μm至200μm範圍內的總弧長160，圈數在5至20的範圍內，並且如圖所示，在該特殊示例中具有13.5圈。這些尺寸和大小使得游絲100適用於鐘錶，諸如腕表等等。
參考圖2，示出處於游絲的線圈上的任意位置處的游絲100a的第一實施例的橫截面圖，因此游絲100a具有寬度140a和高度150a。圖1的一般扭矩恢復元件的特徵和大小類似於本實施例的那些特徵和大小，並且同樣地，類似識別字指示類似特徵。
螺旋游絲主體110a包括由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成的芯部180a。螺旋游絲主體110a在外周上還包括具有與螺旋游絲主體的芯部不同的熱彈性常數的材料的塗層190a。外周塗層允許游絲100a被熱補償，並且對周圍溫度的變化不敏感。此外，提供這種外周塗層允許在用於具有接合擺輪的游絲的鐘錶調節器中使用游絲100a，以便保持振盪器的振盪頻率，並且振盪器基本對周圍溫度的變化不敏感。
應明白，擺輪可以具有其自身的熱膨脹曲線，擺輪可以隨著周圍溫度的變化而改變其轉動慣量，並且適當地選擇用於游絲110a的外周塗層190a材料允許考慮擺輪的任何熱相關變化，以便調節器對周圍溫度的變化基本不敏感，以便保持恆定的振盪頻率，並且因而提供包括這種調節器的鐘錶的良好且一致的計時。
根據本發明，外周塗層190a可以是通過熱氧化作用施加的矽氧化物塗層。矽游絲在氧化環境下被加熱至約1000℃，以便實現外周塗層190a。通常，根據本發明採用具有從3μm至6μm範圍內的厚度的外周塗層190a。當與具有參考圖1所述的幾何參數的<110>單晶矽游絲100a一起使用時，這種外周塗層190a允許對包括游絲和擺輪的鐘錶調節器熱調節和補償。因而，當被包含在用於鐘錶的振盪器中時，本 發明的游絲100a提供與溫度波動和變化無關的溫度穩定性和精確計時。
根據本發明，游絲100a的螺旋游絲主體110a的橫截面可以：(i)為在基本整個總弧長上恆定的橫截面，或者(ii)可以沿總弧長的至少一部分變化。
通過採用本發明中定義的<110>單晶矽片，由於如下文進一步討論的楊氏模量的變化，允許在剛性微調中使用整體游絲剛性的微小變化，本發明提供優於諸如使用下文也將討論的<100>和<111>單晶矽片的現有技術的一個優點。
在其中螺旋游絲主體的橫截面貫穿長度不恆定的本發明的實施例中，游絲100a的螺旋游絲主體110a的橫截面可以取決於需要的設計參數而變化。由於<110>單晶矽片是各向異性的並且被包含在本發明中，所以螺旋游絲主體110a的寬度且因此橫截面可以變化。在本發明的實施例中，螺旋游絲主體110a的橫截面可以具有週期性變化的寬度140a。可以沿螺旋游絲主體110a的主要部分的至少一部分，或者基本沿總弧長然而不必沿外圈應用這種週期性變化寬度。螺旋游絲主體110a的寬度140a可以根據下列方程變化：
Figure 105104559-A0305-02-0013-3
參考圖3，其中示出根據本發明的游絲100b的第二實施例的橫截面圖。如圖所示，芯部180b具有沿在螺旋游絲主體110b的高度150b的面和螺旋游絲主體110b的寬度140b的面的交叉處形成的縱向頂點存在的斜面185b。斜面可以沿至少一部分總弧長延伸。
斜面185b在螺旋游絲主體使用時的彈性變形期間在所 述斜面處提供對結構應變集中的降低，這降低了游絲100b在使用時的疲勞故障的可能性。斜面185可以通過濕式蝕刻形成，並且下文進一步討論。
通過背景技術，參考其它類似材料討論並且解釋了在本發明中採用的材料，並且證實了通過在用於鐘錶的游絲中採用<110>單晶矽而提供的優點。
存在兩種不同類型的矽片，即單晶矽和多晶矽。單晶矽由貫穿整個矽片都為均勻佈置的單晶體組成。取決於晶體方向，多晶矽可以被進一步分為<100>、<110>和<111>。多晶矽由在矽片內處於隨機佈置的許多微小(奈米至微米級)晶體組成。大體上，與多晶矽片相比，單晶矽片貫穿矽片具有更一致的材料特性。
單晶矽晶體的均勻佈置實際上提供了貫穿材料的一致材料特性，特別是方向。然而，多晶矽中的微小晶體的隨機佈置意味著材料特性高度取決於混合的均勻性，所以宏觀效果粗略地均勻。此外，多晶矽具有取決於個別晶體的大小的可見微粒邊界，負面地影響其中高度重視視覺外觀的機械鐘錶的審美性。
<100>、<110>和<111>單晶矽片之間的關鍵差異在於取決於圖4中所示的平面內方向的楊氏模量，以及其它材料特性。<111>矽片可以被描述為在矽片平面內各向同性，因為楊氏模量獨立於方向。相反，<110>和<100>矽片在矽片平面內各向異性，因為楊氏模量對於<110>矽片從130.2至187.5GPa變化，並且對於<100>矽片從130.2至168.9GPa變化。作為在矽游絲加工中使用的材料，每種矽片都具有其優點和弱點。
<111>單晶矽片的各向同性特性使得矽游絲的設計簡單地多，這是微機械系統的理論文獻中一般都承認的事實。由於矽游絲從不從矽平面彎出，所以均勻的平面內材料特性使得易於預測游絲受 到應力時的變形。
然而，<111>矽片的特殊方向也使得在製造時更難以切割和拋光，並且勞動強度更大，因此<111>矽片是三種單晶矽片中最昂貴和稀有的。
相反，<100>和<110>單晶矽片的生產更簡單並且廉價，因為晶體方向更易於與切割和拋光平面對齊，尤其是<100>矽片，其晶體結構完美地相對於晶片平面與笛卡兒座標對齊。
然而，<100>和<110>矽片的各向異性特性使得矽的設計更複雜，因為楊氏模量並且因此分段條(sectional strip)剛性對方向敏感。
矽游絲的設計是一種考慮幾種要求的複雜過程。在其芯部處，游絲剛性必須匹配擺輪慣性，以根據下列方程產生期望的固有頻率。
Figure 105104559-A0305-02-0015-4
這裡，ωn、E、b、h、L、I、k和Ib是振盪器固有頻率、游絲的楊氏模量、游絲的橫截面寬度、游絲的橫截面高度、游絲的總弧長、游絲的二階面矩(矩形橫截面)、游絲的剛性和擺輪的轉動慣量。在游絲螺旋的內和外端子的徑向位置中也存在另外的約束。
游絲的間距-條寬比具有下限，以防止螺旋在旋轉收縮時條之間的碰撞，對於在變形期間缺乏同心性的傳統恆定橫截面設計尤其如此。
內和外端子的角度位置的差異也在變化振盪器振幅上對於剛性穩定性存在影響。累積要求對游絲設計的自由度產生極其嚴 格的約束，所以具有類似剛性的幾乎所有游絲的游絲幾何形狀都大致相同。
上述對游絲設計自由度的約束不對金屬游絲產生嚴重問題，因為金屬隨著時間蠕變和變形的趨向也適用於其可靠性和彈性。雖然金屬游絲製造工藝中相對地缺乏精度，但是作為後處理的一部分，它們能夠易於彎曲和切割，從而精調剛性以匹配基於具體情況的相應擺輪。
相反，矽游絲提供隨著時間的更大結構穩定性，並且微加工工藝是一種精度更高的製造技術。缺點在於，在剛性精調中調節游絲的長度和幾何形狀的後處理的靈活性有限。通常，與期望游絲剛性的任何偏離都將需要技術困難並且低效的完全重新設計。
使用<100>和<110>單晶矽片允許通過旋轉晶片中的設計，以便晶片上的方向不同而精調游絲剛性。這是可能的，因為矽的楊氏模量取決於方向角。
假定游絲的幾何形狀主要是阿基米德螺旋的幾何形狀，則能夠由下列方程描述游絲剛性：
Figure 105104559-A0305-02-0016-5
這裡，θ0、θF和α分別是游絲內和外端子的角度位置以及阿基米德螺旋間距。應注意，楊氏模量是方向角θ的函數，並且游絲方向的變化意味著θ0和θF在保持它們的差恆定時改變。因而，該方程式證明了晶片上的游絲方向的變化能夠改變其剛性。
比較<100>和<110>單晶矽片的使用，本發明已經確認對於游絲剛性精調，優選<110>單晶矽片。
作為平面內函數的<100>和<110>矽片的楊氏模量可以 被定義如下。
Figure 105104559-A0305-02-0017-6
這裡，S11、S12和S44是分別被定義為7.68、-2.14和12.6，單位為10-12Pa-1的單晶矽柔度矩陣的元素。在90度方向間隔上，E<100>在130.2和168.9GPa之間變化，與之相比，E<110>在130.2和187.5GPa之間變化。
這意味著對於本發明所提供的<110>單晶矽片，游絲剛性對其在矽片上的方向角的敏感性更高，因而在剛性精調時提供更大的靈活性。
本發明通過使用<110>單晶矽片確認的優於<100>單晶矽片的另一優點在於，<110>單晶矽片趨向於在濕式蝕刻技術下形成斜面，斜面起應力減小機構的作用。
機械鐘錶中的典型游絲經歷重迴圈負荷，因為典型游絲必須以3至5赫茲彎曲幾年。游絲的負荷應力的微小降低都能夠顯著地延長其壽命。對於如圖2和圖3中所示的為了熱補償而塗覆有熱氧化物的游絲尤其如此。
塗層矽游絲的一個最弱點在於矽芯部和二氧化矽塗層之間的邊界。兩種材料的晶體結構不同並且經歷嚴重的附著應力，且在游絲從超過1000℃的塗層工藝溫度冷卻時因不同熱膨脹係數導致的熱應力使得該附著應力更嚴重。如果應力足夠嚴重，則熱氧化物可能從矽芯部脫粘，並且將失去熱補償效果，因而導致鐘錶不存在良好調節和計時。
本發明提供的有效技術是參考圖3所述的，通過消除引起應力集中的尖銳的角而降低應力。
矽游絲加工通常包括深反應離子蝕刻(deep reactive ion etching，DRIE)工藝，以產生體矽結構。然而，取決於單晶矽片的類型，可以通過濕式蝕刻工藝將本發明提供的斜面設置在游絲邊緣上。濕式蝕刻包括使用鹼性溶液從而通過沉浸清除矽。
取決於所使用的溶液的確切類型，蝕刻結果可以基於晶體方向高度地各向異性，其中<100>晶體方向的選擇性可高達<110>或者<111>方向的400倍。在<110>或者<111>單晶矽片上，濕式蝕刻自身不能夠產生具有梯形橫截面的結構。
被用作DRIE之後的後工藝的濕式蝕刻可以在其它矩形橫截面上產生斜面，並且由此消除尖銳邊緣並且降低應力集中。這對於<100>單晶矽片是不可能的，因為濕式蝕刻將主要蝕刻到矽游絲橫截面的側邊中，並且因而不提供本發明所提供的益處。
矽游絲必須具有二氧化矽塗層，以實現熱補償，並且顯示出該機制對於根據本發明而採用的<110>單晶矽片起作用。
二氧化矽塗層的目的在於補償隨溫度升高因擺輪的正熱膨脹係數和游絲的矽芯部的負熱彈性常數引起的振盪頻率降低。擺輪(也被稱為平衡輪)轉動慣量對溫度的取決性可如下所述。
I b (ΔT)=I h0(1+αΔT)2
這裡，Ib0、α和ΔT分別為額定溫度下的擺輪轉動慣量、擺輪材料的熱膨脹係數和溫度與額定溫度的差。
通常被用作擺輪材料的鈹銅合金的熱膨脹係數約為16ppm/K。手錶行業為了檢查熱膨脹通常使用的溫度範圍為23+/-15℃。
為了導出具有對溫度敏感的二氧化矽塗層剛性的矽游絲的方程，必須先導出用於額定溫度下的複合結構的等效楊氏模量。
Figure 105104559-A0305-02-0019-7
這裡，ζ、E0、ESi,0、ESiO2,0、b和h分別是氧化物厚度、複合游絲條的額定楊氏模量、矽的額定楊氏模量、二氧化矽的額定楊氏模量、游絲條橫截面的總寬度和總高度。
應注意，ESi,0取決於矽片上的方向角，並且對於<100>和<110>矽片變化。ESiO2,0的值近似為72.4GPa。如果考慮溫度，則該方程如下。
E Si (θ,ΔT)=E Si,0(θ)+ε Si ΔT
Figure 105104559-A0305-02-0019-11
這裡，εSi和εSiO2是矽和二氧化矽的熱彈性常數，其值分別約為-60ppm/K和215ppm/K。然後，游絲剛性可被定義如下。
Figure 105104559-A0305-02-0019-9
與擺輪轉動慣量的方程結合產生下列用於振盪頻率的方程。
Figure 105104559-A0305-02-0019-10
如果振盪頻率被正交化為用於額定溫度的期望頻率，則能夠以數值方式確定為了實現對必要公差，通常被設置為+/- 1秒/天/K的熱補償所需的氧化物厚度。
圖5示出關於使用根據本發明的<110>單晶矽片的五種不同氧化物厚度的、振盪頻率-溫度差的關係圖。
游絲條的寬度和高度取決於所使用的氧化物厚度分別從35至40μm和200至210μm變化。總游絲弧長約130mm，並且擺輪轉動慣量約為1.65g*mm2。
可以看出，當採用根據本發明的<110>單晶矽片時，對於4.5μm的氧化物厚度，振盪頻率在5℃至40℃的溫度範圍上變化小於0.1秒/天/K，這正處於熱補償的標準公差內。
<110>單晶矽片的各向異性材料特性在控制每一截面處的游絲條彎曲方面提出挑戰，因為截面剛性取決於方向角。
為了保持貫穿整個弧長的恆定截面剛性，在本發明的實施例中，游絲寬度可以根據楊氏模量變化而變化，以便削弱淨剛性變化。
考慮到游絲截面剛性與楊氏模量以及條寬度的立方成比例，所以對於<110>矽片，可以計算出寬度根據下列方程變化。
Figure 105104559-A0305-02-0020-12
使用二項式展開，上述方程可以被近似如下。
Figure 105104559-A0305-02-0020-13
這裡，b0是矽游絲條的寬度。該寬度對於矽游絲的每一 半圈週期性變化。方程假定額定楊氏模量為1/S11或者130.2GPa。圖6以圖示示出使用根據本發明的<110>單晶矽片的<110>矽游絲寬度根據方向角的變化。
通過使用根據本發明的<110>單晶矽片，本發明提供優於包括<111>和<100>單晶矽的現有技術的幾種優點，包括：(i)在本發明中採用比<111>更易於製造並且成本更低的材料，提供容易和成本有效的製造；(ii)由本發明提供允許比<100>更大的調節靈敏性的材料，允許更精確調節；(iii)採用允許將在外周邊緣上形成斜面的材料，提供下列優點：降低矽游絲的頂點和二氧化矽層之間的介面應力，因此降低脫黏以及熱補償損失；降低應力集中因素以及局部升高應力，降低游絲疲勞導致的故障的可能性；提供的游絲具有對來自頂點處的固有瑕疵的故障的更大抵抗性，並且因而具有更長疲勞壽命，具有鐘錶中的游絲長壽命所需的參數；藉由提供降低的局部應力，並且因而提供更低疲勞故障的可能性，可以在高頻率應用中，諸如8至10Hz應用中採用這種游絲；和矽游絲還未被使用諸如傳統金屬或者金屬合金游絲的更長時間段。由此，在歷史這一點上不能確定這種物品的長壽命，諸如50年或者更長。因而，向游絲提供較低局部應力向游絲提供實現諸如包括<100>和<111>單晶矽的現有技術的那些游絲的長壽命游絲要求的更大傾向。
本發明通過製造、設計參數和長壽命/疲勞參數的選擇，包括熱補償層粘附的長壽命以及游絲矽芯部的長壽命兩者，克服了<111>和<100>單晶矽游絲兩者的缺點。
100‧‧‧游絲
110‧‧‧螺旋游絲主體
115‧‧‧內端子端
117‧‧‧游絲內樁
120‧‧‧外部段
125‧‧‧外端子端
140‧‧‧寬度
160‧‧‧總弧長
170‧‧‧圈

Claims (27)

  1. 一種用於機械鐘錶振盪器的扭矩恢復元件，該振盪器具有振盪頻率，所述扭矩恢復元件包括：具有N圈數的螺旋游絲主體，所述螺旋游絲主體具有用於通過游絲內樁與旋轉慣性元件接合的內端子端和用於與固定的夾板元件接合的外端子端，並且具有寬度、高度和總弧長；其中所述螺旋游絲主體包括由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成的芯部；並且其中所述螺旋游絲主體包括至少一個外周材料塗層，所述至少一個外周材料塗層的熱彈性常數不同於所述螺旋游絲主體的芯部的熱彈性常數，以便將包括所述扭矩恢復元件的振盪器的振盪頻率保持為對周圍溫度的變化不敏感。
  2. 根據請求項1所述的扭矩恢復元件，其中所述螺旋游絲主體具有矩形的橫截面。
  3. 根據請求項1所述的扭矩恢復元件，所述扭矩恢復元件具有從20μm至60μm範圍內的寬度，從100μm至400μm範圍內的高度，以及從50μm至200μm範圍內的總弧長。
  4. 根據請求項2所述的扭矩恢復元件，所述扭矩恢復元件具有從20μm至60μm範圍內的寬度，從100μm至400μm範圍內的高度，以及從50μm至200μm範圍內的總弧長。
  5. 根據請求項1-4中任一項所述的扭矩恢復元件，所述扭矩恢復元件具有從5至20範圍內的圈數。
  6. 根據請求項1-4中任一項所述的扭矩恢復元件，其中所述游絲的所述至少一個外周材料塗層由二氧化矽形成。
  7. 根據請求項5所述的扭矩恢復元件，其中所述游絲的所述至少一個外周材料塗層由二氧化矽形成。
  8. 根據請求項7所述的扭矩恢復元件，其中所述至少一個外周材料塗層具有從3μm至6μm範圍內的厚度。
  9. 根據請求項6所述的扭矩恢復元件，其中所述至少一個外周材料塗層具有從3μm至6μm範圍內的厚度。
  10. 根據請求項1-4中任一項所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的方向角產生在剛性微調中使用的整體游絲剛性的變化。
  11. 根據請求項5所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的方向角產生在剛性微調中使用的整體游絲剛性的變化。
  12. 根據請求項6所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的方向角產生在剛性微調中使用的整體游絲剛性的變化。
  13. 根據請求項7所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的方向角產生在剛性微調中使用的整體游絲剛性的變化。
  14. 根據請求項8所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的方向角產生在剛性微調中使用的整體游絲剛性的變化。
  15. 根據請求項9所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的方向角產生在剛性微調中使用的整體游絲剛性的變化。
  16. 根據請求項1-4中任一項所述的扭矩恢復元件，其中所述螺旋游絲主體具有基於圈數的沿總弧長的至少一部分的週期性變化的寬度，以便補償由於矽片平面上的各向異性的楊氏模量產生的變化的游絲分段剛性。
  17. 根據請求項16所述的扭矩恢復元件，其中<110>單晶矽片的寬度根據下列方程變化：
    Figure 105104559-A0305-02-0025-14
     其中，b是在所述螺旋游絲主體上一角度位置處的所述螺旋游絲主體的所述寬度，b0是所述螺旋游絲主體的額定寬度，以及S11、S12和S44是所述<110>單晶矽片的柔度矩陣的元素。
  18. 根據請求項1-4中任一項所述的扭矩恢復元件，其中所述螺旋游絲主體由乾式蝕刻製造技術形成，包括深反應離子蝕刻(DRIE)製造技術。
  19. 根據請求項1-4中任一項所述的扭矩恢復元件，其中在所述螺旋游絲主體的高度面和所述螺旋游絲主體的寬度面的交叉處形成的縱向頂點具有沿總弧長的至少一部分延伸的斜面。
  20. 根據請求項19所述的扭矩恢復元件，其中所述斜面在螺旋游絲主體使用時的彈性變形期間，在所述頂點處提供對結構應力集中的降低。
  21. 根據請求項19所述的扭矩恢復元件，其中所述斜面通過濕式蝕刻形成。
  22. 根據請求項20所述的扭矩恢復元件，其中所述斜面通過濕式蝕刻形成。
  23. 一種用於鐘錶的振盪器，所述振盪器包括根據請求項1-22中任一項所述的扭矩恢復元件，以及附接至所述扭矩恢復元件的內端子端的擺輪。
  24. 一種用於形成根據請求項1至17及19至22中任一項所述的扭矩恢復元件的方法，其中所述螺旋游絲主體由乾式蝕刻製造技術形成，包括深反應離子蝕刻(DRIE)製造技術。
  25. 一種用於形成根據請求項1至16及18至22中任一項所述的扭 矩恢復元件的方法，其中<110>單晶矽片的寬度根據下列方程變化：
    Figure 105104559-A0305-02-0026-15
     其中，b是在所述螺旋游絲主體上一角度位置處的所述螺旋游絲主體的所述寬度，b0是所述螺旋游絲主體的額定寬度，以及S11、S12和S44是所述<110>單晶矽片的柔度矩陣的元素。
  26. 一種用於機械鐘錶的機械振盪器，所述機械振盪器包括：扭矩恢復元件，所述扭矩恢復元件包括具有N圈數的螺旋游絲主體，所述螺旋游絲主體具有內端子端和外端子端，並且具有寬度、高度和總弧長，所述內端子端用於通過游絲內樁接合繞軸線旋轉的旋轉慣性元件，所述外端子端用於與固定的夾板元件接合；和旋轉慣性元件，所述旋轉慣性元件接合所述螺旋游絲元件的所述內端子端，並且能夠繞所述軸線旋轉；其中所述螺旋游絲主體包括由沿晶軸<110>定向的單晶矽片形成的芯部；並且其中所述螺旋游絲主體包括至少一個外周材料塗層，該至少一個外周材料塗層的熱彈性常數不同於所述螺旋游絲主體的芯部的熱彈性常數，以便將包括所述扭矩恢復元件的所述機械振盪器的振盪頻率保持為對周圍溫度的變化不敏感。
  27. 根據請求項26所述的機械振盪器，其中所述扭矩恢復元件是根據請求項2至22中任一項所述的扭矩恢復元件。
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