通过局部去除材料来制造预定刚度的游丝的方法
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)形成尺寸大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要去除的材料的厚度，以获得为了获得预定刚度的游丝所需要的尺寸；
d)从步骤a)中形成的游丝去除所述厚度的材料以获得具有所述预定刚度所需的尺寸的游丝，所述厚度的材料是沿游丝以非均匀方式去除的。
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，或针对在同一晶片上形成的全部游丝被平均矫正，由此大幅减小废品率。此外，特别是就制造的简单性而言，在步骤d)中执行的材料去除的非均匀性质可为游丝提供附加的优点。
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大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大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)中形成的游丝是基于硅、玻璃、陶瓷、金属或金属合金；
-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)：激光加工在步骤a)中形成的游丝以获得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d1)：使在步骤a)中形成的游丝氧化，以便将要去除的所述厚度的硅基材料转变为二氧化硅并由此形成氧化的游丝，以及阶段d2)：从氧化的游丝去除氧化物以获得所述预定刚度所需尺寸的游丝；
-根据第三变型，步骤d)包括阶段d3)：化学蚀刻在步骤a)中形成的游丝以获得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；
-在步骤d)之后，该方法还包括步骤e)：在具有预定刚度的游丝的至少一部分上，形成用于修正游丝的刚度并用于形成对热变化不敏感的游丝的部分；
-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；
-在步骤d)中，去除所述厚度的材料以使得预定刚度的所述游丝由于游丝的延展缺乏同心度而产生日差差异(difference in rate)，所述日差差异与在步骤a)中形成的游丝所产生的对应日差差异相等或相差最大±20％和/或最大±5秒/天，这些日差差异都是在相比330°振荡幅度的150°的振荡幅度下测得的；
-在步骤d)中，所述厚度的材料从步骤a)中形成的游丝的第一离散区域去除，而不是在沿游丝与第一离散区域交替的第二离散区域中去除；
-第一离散区域具有大致相同的角向延伸范围；
-第一离散区域沿在步骤a)中形成的整个所述游丝大致规则地设置；
-第二离散区域具有大致相同的角向延伸范围；
-第二离散区域具有与第一离散区域大致相同的角向延伸范围；
-第一离散区域均具有小于约140°或介于约240°与约360°之间的角向延伸范围；
-在步骤d)中，所述厚度的材料从步骤a)中形成的游丝的厚度、高度或从其厚度和高度两者去除。
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。
-图8和9表示具有材料的不同非均匀分布的根据本发明的两种游丝。
-图10表示图8和9示出的游丝中的一个或另一个的两个离散区域的截面图。
-图11表示分别使用五个不同游丝获得的五条等时性曲线。
-图12表示上述五条等时性曲线中的四条的放大比例视图。
-图13是根据游丝上的材料的非均匀分布而变化的游丝的相对日差差异的图。
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对应于下式：
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：
-
-ΔT是温度变化；
-
-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，可以将游丝5与摆轮3耦接成使得谐振器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用于整个谐振器1——即所有部件并且特别是摆轮3——的温度补偿。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。
将例如基于硅、玻璃或陶瓷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，用于补偿游丝的硅基材料可以是单晶硅(不论晶体取向如何)、掺杂单晶硅(不论晶体取向如何)、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大于获得预定刚度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大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50中的深反应离子蚀刻实现，如图6所示。尽管未示出，但这种情况下相对两侧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50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50中形成多个游丝5a，其尺寸Da、H1、E1大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、H3、E3。
步骤33也不限于利用单一材料形成其尺寸Da、H1、E1大于获得预定刚度C的游丝5c所需的尺寸Db、H3、E3的游丝5a。因此，步骤33同样可以由复合材料——即包含若干不同材料——形成其尺寸Da、H1、E1大于获得预定刚度C的游丝5c所需的尺寸Db、H3、E3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50的一个游丝5a上执行，或在事先与晶片50分离的一个游丝5a上执行，或在仍附接于晶片50的多个游丝的全部或其样品上执行，或在事先与晶片50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50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旨在利用式(2)计算要从整个游丝去除的材料的厚度，以获得为了获得预定刚度C的所述游丝5c所需的总尺寸Db，即，要从游丝5a的表面去除的材料的量/体积。
该方法继续到步骤39，步骤39旨在从游丝5a去除多余材料以实现获得预定刚度C的所述游丝5c所需的尺寸Db。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/或高度是否已发生几何变化并不重要。
根据本发明，从游丝5a去除多余材料以非均匀的方式(即，以沿游丝5a变化的方式)实现。因此，例如，可以仅在所述游丝的离散区域或区段中从游丝5a去除材料，或者可以沿整个游丝但在一些区域中多一些而在另一些区域中少一些地去除材料，或者可以在一些区域中从厚度E1而在其它区域中从高度H1去除材料。因此，获得预定刚度C的游丝5c所需的上述尺寸Db、H3、E3是游丝5c的横截面的平均尺寸(在游丝的长度上平均)。如图4所示，这些尺寸Db包括平均高度H3和平均厚度E3。平均高度H3小于游丝5a的高度H1，和/或平均厚度E3小于游丝5a的厚度E1。从式(2)可以清楚看到，相比从高度H1去除材料的情况，在从游丝5a的横截面的厚度E1去除材料的情况下为了获得预定刚度C而要去除的材料的厚度要小得多。然而，从厚度E1去除材料需要更大的加工精度。
在步骤39中沿游丝5a以非均匀方式去除多余材料提供了多个优点：
i)游丝5c的制造能够更快并且成本更低，因为材料的去除不必在整个游丝上进行；
ii)可以将材料的去除限制在比其它区域更容易接近的游丝区域，例如第一个和/或最后一个线圈和/或具有较大节距的线圈，以防止接触或玷污相邻的线圈；
iii)根据用于步骤39的方法，在更短的长度上和更短的时间内去除材料可以例如在加工装置的对准或加工动力漂移方面促进对所述方法的更好控制；
iv)需要较小的加工精度以获得预定刚度C，特别是在从厚度E1去除材料的情况下，因为为了获得相同的刚度C，要在选定区域中去除的厚度大于将必须沿游丝5a的全部长度去除的厚度；
v)在游丝5a具有非恒定横截面的情况下，材料的去除可有利地在游丝5a的横截面尺寸最大的区域中进行，以更好地控制改变游丝的刚度C的作用，或相反地在游丝5a的刚度最小的区域中进行，以节省制造时间和成本；
vi)如果材料的去除改变了表面状态，由此导致机械强度或美观度的劣化，则可以选择仅在承受较小机械应力或不可见的区域中去除材料。
在一个特定实施例中，步骤39中的材料去除借助于激光器实现。然而，变型是可以的，例如化学蚀刻或聚焦光束离子蚀刻，其利用掩模来保护不希望从其去除材料的游丝区域。在硅基材料的情况下，另一变型可包括使用掩模在确定的区域中将游丝5a氧化，以便将要去除的材料厚度转化为二氧化硅，然后去除氧化物。可利用例如介于800℃与1200℃之间的热在使用水蒸气或双氧气体的氧化气氛中实现氧化作用。掩模可由氮化物制成。形成在硅上的氧化物可通过包含例如氢氟酸的化学浴去除。
根据为了在步骤39中去除材料而选择的区域的布置结构，与在步骤33中形成的游丝5a相比，由于游丝5c的延展而导致的游丝摆轮谐振器的等时性的缺乏将会改变或不改变。事实上，在操作中，根据所述选定区域的布置结构，游丝5c的延展将在一定程度上是同心的，从而在摆轮枢轴上和游丝的附装点上产生较大或较小的力。已知具有恒定横截面的常规游丝偏心地延展。视情况而定，具有可变横截面的游丝可以更加同心地、更少同心地或者与具有恒定横截面的游丝一样同心地延展，并且因此分别改善、恶化或维持等时性。在本发明中，可以在等时性不劣化并且同时获得上述优点i)至vi)的至少一部分的情况下，在步骤39中从游丝5a去除多余材料。
为了说明本发明的该有利特征，图8和9示出游丝5c'、5c”的两个示例，其各自都包括在步骤39中被去除了材料的用点划线表示的第一离散区域20。这些第一离散区域20沿游丝与未被去除材料的用实线表示的第二离散区域21交替。在第一离散区域20中，游丝的高度已例如通过激光烧蚀从H1＝120μm减至H3'＝100μm，而在第二离散区域21中，游丝的高度以H1＝120μm保持不变(参照图10)。线圈厚度E1沿游丝没有改变。在这些示例的每个示例中，位于高度H1与H3'之间的游丝的平均高度H3是允许获得所述预定刚度C的高度。优选地，如所示的，第一离散区域20沿整个游丝规则地分布，并且具有从游丝的几何中心测量的相同的角向延伸范围α，该角向延伸范围α等于第二离散区域21的角向延伸范围β。然而，其它情况也是可以的。在图8和9的示例中，角向延伸范围α＝β分别为90°和360°。
图11和12示出从不同游丝获得的等时性曲线J1至J5，即图8所示的游丝5c'的曲线J1、图9所示的游丝5c”的曲线J2、与游丝5c'和5c”的区别在于离散区域20、21各自都在180°上延伸的游丝的曲线J3、与游丝5c'和5c”的区别在于离散区域20、21各自都在210°上延伸的游丝的曲线J4、以及在步骤33中获得的具有恒定横截面的游丝5a的曲线J5。这些等时性曲线J1至J5针对各游丝示出根据以度为单位的游丝摆轮谐振器的振荡幅度而变化的以秒/天为单位的游丝摆轮谐振器的日差变化。这里仅考虑由于游丝的偏心延展而引起的日差变化，这意味着不考虑由于摆轮或由于谐振器的不同位置之间的日差差异所导致的效果。
各曲线J1至J5是通过数字仿真获得的：将游丝的外端23考虑为固定的并且将内端24附装在其上的摆轴考虑为自由的(即未安装在轴承中)，利用有限元法计算游丝的旋转中心25在摆轮振荡期间的位移，然后内插和积分随振荡幅度变化的位移曲线。根据游丝的振荡幅度将游丝的旋转中心25的位移与日差关联的解析方程例如在M.Vermot、P.Bovay、D.Prongué和S.Dordor的题为“Traitéde construction horlogère”的著作中被提出，该著作由Presses polytechniques et universitaires romandes在2011年编辑。在这些仿真中未考虑游丝的伸展和收缩期间线圈之间的任何接触，在任何情况下，都可以简单地通过调整游丝的节距和/或最后一个线圈的间隔来防止这种接触。
如在图11和12中可见的，游丝5c'和5c”(曲线J1、J2)产生与游丝5a(曲线J5)基本上相同的日差变化。相反地，由于非常偏心的延展，与曲线J3和J4对应的游丝相比游丝5a使谐振器的等时性劣化。通过不改变游丝5a的高度而是改变其厚度将获得类似的结果。
图13表示根据各离散区域20、21的以度为单位的角向延伸范围α而变化的日差相对差异M。“日差相对差异(relative difference in rate)”是指以百分比表达的以下值：
其中，Mα是对于具有角向延伸范围α的离散区域20、21的给定游丝5c在150°的日差与在330°的日差之间的差异，而Mc是对于具有恒定横截面的相应游丝5a在150°的日差与在330°的日差之间的差异。由该图可以推导，对于介于0°与140°之间或介于240°与360°之间的角度α，游丝5c与游丝5a相比几乎或根本不会使谐振器的等时性劣化；日差相对差异M的绝对值小于20％，并且可以小于10％，或甚至5％。值Mα-Mc的绝对值可小于5秒/天。
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50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50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18，该部分18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。
在游丝5c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，以便形成被温度补偿的游丝。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硅芯和氧化硅涂层18。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H4和厚度E4，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，如果使用了非晶态硅，则硅可被结晶至预定深度。
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，如果使用了单晶硅或多晶硅，则硅可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。
