[发明专利]机械振荡器和相关制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械振荡器领域，以及用于制造此类机械振荡器的过程。本发明尤其有利地适用于预期用在机械发条装置组件(诸如手表)的摇臂中的螺旋弹簧。

背景技术

机械振荡器是一种允许配重块维持在力作用下相对于稳定点运动的装置。机械振荡器施加在配重块上的瞬时力取决于若干参数，包括构成机械振荡器的材料的刚度。机械振荡器通常由条带构成，该条带可为各种形式，诸如直段、螺旋体或螺旋。

某些精密应用，诸如预期用于装备机械发条装置组件的摇臂的螺旋弹簧，需要螺旋形式的条带，该条带的刚度随温度的变化尽可能小。螺旋型弹簧的刚度由以下定义：

其中：

弹簧的扭角，并且

M，螺旋弹簧的复位扭矩。

由特定材料构成的条带的这个复位扭矩的方程式由以下定义：

其中：

E是用于条带的材料的杨氏模量；

L是条带的长度；

w是条带的宽度；并且

t是条带的厚度。

弹簧的特定共振频率与其刚度的平方根成比例。因此，弹簧的频率与条带材料的杨氏模量的平方根成比例。因此，如果杨氏模量随温度而变化，则螺旋的频率也将随温度而变化。在温度变化小的情况下，螺旋的频率因此就取决于杨氏模量的一阶温度变化。因此公认以下方程式显示了杨氏模量随温度的变化：

E＝E₀(1+∝_E(T-T₀))

其中：

∝_E是杨氏模量的热系数；

E是温度T下的杨氏模量，并且

E₀是温度T₀下的杨氏模量。

已知的是，利用在组分(铁、碳、镍、铬、钨、钼、铍、铌等)数量方面以及在用于获得金属弹性模量的自动变化补偿的冶金过程方面都较为复杂的合金，通过组合两种相反的影响，诸如温度的影响和磁致伸缩(磁性物体在磁化影响下收缩)的影响，来制造机械振荡器。然而，这些金属振荡器难以制造。首先，这是因为用于生产合金的过程复杂；金属的固有机械特性在不同的生产批次之间是不恒定的。此外，调整—其为确保振荡器有规律的技术-考究且缓慢。这个操作需要许多手动动作，并且必须丢弃许多缺陷零件。出于这些原因，制作成本高，并且保持恒定的质量是一项持续的挑战。

还已知的是，通过雕刻硅晶片的方式来制作机械振荡器，从而改善设计的规律性和精密度。用于制作此类机械振荡器的过程通常使用单晶硅晶片。因此，这些机械振荡器的单晶方向由所使用的硅晶片预先确定-例如，所有<100>方向。然而，单晶硅的杨氏模量在材料的所有方向上并不都是相同的，这就产生了根据运动轴线的机械性能差异。

瑞士专利申请No.699 780涉及由单晶硅晶片制成的螺旋型机械振荡器。螺旋形条带的杨氏模量的温度变化由位于硅条带内的两个非晶形层补偿，并且该硅条带的杨氏模量的热系数与硅的热系数相反。本文档并不在单晶硅晶片的平面的多个方向上以相同的方式补偿杨氏模量的温度变化。

欧洲专利No.1 422 436和No.2 215 531也涉及由单晶硅晶片制成的螺旋型机械振荡器。杨氏模量的温度变化由围绕硅条带包裹的非晶硅氧化物层补偿。在大约20℃的环境温度下，硅的杨氏模量的热系数为-64.10^-6K^-1，并且硅氧化物的杨氏模量的热系数为187,5.10^-6K^-1。

欧洲专利No.1 422 436提出通过根据条带预期应力调节条带的宽度来在平面的多个方向上补偿硅条带的杨氏模量变化。这个解决方案实施起来尤其复杂，因为它需要知道条带上预期的所有应力并相应地调整条带的形状。

欧洲专利No.2 215 531提出使用根据晶轴{1,1,1}取向的特殊硅条带来解决此问题，该特殊硅条带在平面的多个方向上具有类似的机械特性。这种具体实施需要一种非常特殊的硅，这种硅极大地约束了机械振荡器的制作过程。

因此本发明的技术问题包括：实现一种易于制造且其机械特性在平面的所有方向上都相同的单晶硅机械振荡器。此外，本发明还旨在限制机械特性随温度的变化。

发明内容

本发明通过组装两个单晶硅层来处理此技术问题，所述单晶硅层的晶格方向通过插置热补偿层来偏移。