КЕРАМИЧЕСКИЙ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2016 года по МПК H03H9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к термокомпенсированному резонатору пружинно-балансного, камертонного типа или в более общем смысле типа к микроэлектромеханическим системам (MEMS), для изготовления опорного генератора или генератора опорной частоты, у которого термические коэффициенты первого и, возможно, второго порядков по существу равны нулю.

Уровень техники

В ЕР 1422436 описана пружина баланса, выполненная из кремния и покрытая двуокисью кремния для обеспечения термического коэффициента, по существу равного нулю в диапазоне температур сертификации, принятом в Швейцарском институте официального тестирования хронометров, т.е. между +8 и +38°C. Аналогично этому в WO 2008043727 описан MEMS резонатор, обладающий такими же свойствами небольшого изменения модуля Юнга в этом же диапазоне температур.

Однако изменение частоты в вышеназванных описаниях может потребовать выполнения сложных корректировок в зависимости от применения. Например, для электронных кварцевых часов для прохождения сертификации в Швейцарском институте официального тестирования хронометров необходимо осуществление электронной коррекции исходя из измеренной температуры.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в устранении всех или части вышеупомянутых недостатков путем создания керамического резонатора с термокомпенсацией по меньшей мере в первом порядке.

Вследствие этого настоящее изобретение относится к термокомпенсированному резонатору, содержащему тело в деформированном виде, внутренняя часть которого выполнена из керамики, характеризующемуся тем, что по меньшей мере одна часть тела имеет по меньшей мере одно покрытие, у которого изменение модуля Юнга при изменении температуры имеет противоположней знак по отношению к керамике, использованной для изготовления внутренней части тела, так что изменение частоты резонатора с изменением температуры по существу равно нулю по меньшей мере в первом порядке.

Согласно изобретению тело резонатора, используемое в деформированном виде, предпочтительно может иметь одно покрытие для компенсации в одном или в двух порядках. Таким образом, в зависимости от величины и знака для материала покрытия в каждом порядке толщина покрытия вычисляется таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере первый порядок.

В соответствии с прочими предпочтительными признаками настоящего изобретения:

- внутренняя часть тела выполнена из стекла, металлического стекла, технической керамики или керамического стекла;

- тело имеет по существу четырехугольное сечение с идентичными парами сторон;

- тело имеет по существу четырехугольное сечение со сплошным покрытием сторон;

- упомянутое по меньшей мере одно покрытие предотвращает проникновение влаги;

- упомянутое по меньшей мере одно покрытие является электропроводным;

- тело имеет первичный слой, расположенный между внутренней частью и упомянутым по меньшей мере одним покрытием;

- тело представляет собой стержень, скрученный в виде пружины баланса и соединенный с инерционным маховиком;

- тело имеет по меньшей мере два симметрично расположенных стержня, образующих камертон;

- тело представляет собой MEMS резонатор.

И наконец, настоящее изобретение относится к часовому или частотному устройству, такому как, например, хронометр, характеризующемуся тем, что содержит по меньшей мере один резонатор согласно любому из ранее представленных вариантов.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества очевидны из нижеследующего описания, приведенного в качестве не имеющего ограничительного характера примера, проиллюстрированного прилагаемыми к описанию чертежами, на которых показано:

фиг. 1 - вид в перспективе части резонатора пружина-баланс;

фиг. 2 - типовое сечение показанной на фиг. 1 спиральной пружины;

фиг. 3 и 4 - альтернативные варианты сечения резонатора по изобретению;

фиг. 5 - общий вид в перспективе камертонного резонатора;

фиг. 6 и 7 - альтернативные варианты сечения резонатора по изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Как пояснено выше, настоящее изобретение относится к хронометру, включающему в себя резонатор, который может быть пружинно-балансного или камертонного типа или, в более общем смысле, типа микроэлектромеханической системы (MEMS). Для упрощения пояснения ниже представлены только исполнения в виде пружина-баланс и камертон. Однако специалист в данной области техники может без труда предложить другие варианты выполнения резонатора на основе изложенной ниже идеи.

В качестве определения, относительное изменение частоты резонатора вытекает из следующего отношения:

где

- $$\frac{\Delta f}{f_0}$$ - относительное изменение частоты (миллионные доли или 10^-6);

- А - постоянная, зависящая от эталонной точки (миллионные доли);

- Т₀ - опорная температура (°C);

- α - термический коэффициент первого порядка (миллионные доли на градус Цельсия);

- β - термический коэффициент второго порядка (миллионные доли на градус Цельсия);

- γ - термический коэффициент третьего порядка (миллионные доли на градус Цельсия).

При этом термический коэффициент упругости (ТЕС) представляет собой относительное изменение модуля Юнга при изменении температуры. Используемые ниже коэффициенты "α" и "β", таким образом, соответственно представляют собой термические коэффициенты первого и второго порядка, т.е. относительное изменение частоты резонатора в зависимости от температуры. Коэффициенты "α" и "β" зависят от термического коэффициента упругости тела резонатора и коэффициентов теплового расширения тела. Более того, коэффициенты "α" и "β" также учитывают коэффициенты, характерные для любого отдельного инерционного тела, такого как, например, баланс (образующий инерционный маховик) в случае резонатора пружина-баланс.

Ввиду того, что необходимо поддерживать колебания резонатора, предназначенного для часового или частотного устройства, зависимость от температуры может включать в себя вклад от такой системы поддержки.

Вследствие этого самым важным параметром является термический коэффициент упругости (ТЕС), который не следует путать с постоянной "СТЕ", т.е. с постоянной теплового расширения, относящейся к коэффициенту теплового расширения.

Термический коэффициент упругости (ТЕС) большинства металлов является отрицательным и имеет порядок -1000 миллионных долей на градус Цельсия. Вследствие этого невозможно использовать металлы для создания пружины баланса. Соответственно для решения этой проблемы разработаны сложные сплавы, такие как Nivarox СТ. Однако с ними трудно иметь дело, прежде всего при их производстве.

Настоящее изобретение преимущественно касается альтернативных керамических материалов для изготовления упомянутых резонаторов. Керамика может рассматриваться в качестве продукта, имеющего стекловидное или не стекловидное тело, кристаллическую или частично кристаллическую структуру или изготавливаемого из стекла, тело которого выполняется главным образом из неорганических и металлических или не металлических материалов и который выполнен из отвердевающей при охлаждении расплавленной массы или которому под воздействием тепла одновременно или последовательно придана и закреплена форма.

Предлагаемая в изобретении керамика, таким образом, включает в себя простые стекла, металлические стекла, техническую керамику, такую как карбид кремния, или керамические стекла. Соответственно согласно изобретению предпочтительно, керамический резонатор может иметь по меньшей мере одно покрытие, изменение модуля Юнга которого с изменением температуры имеет противоположный знак изменению модуля Юнга керамики, использованной для изготовления внутренней части, так что по меньшей мере изменение частоты первого порядка упомянутого резонатора по существу равно нулю.

Предпочтительно покрытие должно быть электропроводным для предотвращения возникновения электростатических сил, способных воздействовать на траекторию движения тела. И, наконец, также предпочтительно, чтобы покрытие имело проницаемость, способную сформировать барьер, предотвращающий проникновение влаги, например, чтобы покрытие было выполнено из нитрида кремния.

В примере, показанном на фиг. 1 и 2, видна пружина 1 баланса, тело 5 которой выполнено интегрально с муфтой 3, и термический коэффициент первого α или второго β порядка которой компенсируются использованием двух материалов для внутренней части 8 и покрытия 6 соответственно. На фиг. 2 более наглядно показано имеющее форму четырехугольника сечение тела 5 пружины 1 баланса. Таким образом, тело 5 может определяться его длиной l, высотой h и толщиной e.

На фиг. 2 показан пример, в котором внутренняя часть 8 имеет сплошное покрытие. Разумеется, показанный на фиг. 2 пример не носит ограничительный характер. Так, пружина 1 баланса может иметь покрытие 2, 4, 6 по меньшей мере на одной части, такой как одна или несколько сторон или на всей наружной поверхности тела 5, как показано в примерах, изображенных на фиг. 3 и 4. Для справки, покрытия 2, 4, 6 изображены не в масштабе относительно размеров внутренней части 8, чтобы более наглядно показать расположение каждой части.

Вследствие этого понятно, что предлагаемое в изобретении тело в не имеющем ограничительного характера исполнении может иметь по существу четырехугольное сечение, только одна сторона которого или идентичные стороны которого, или все стороны которого имеют идентичное или не идентичное покрытие.

Аналогично этому, на фиг. 5 показан камертонный резонатор 11, выполненный согласно настоящему изобретению. Тело 15 резонатора образовано основанием 13, которое соединено с двумя ветвями 17, 19, которые должны колебаться. В приведенном примере камертон 11 является камертоном инверсного типа, т.е. основание 13 продолжается между двумя «ластовыми» ветвями 17, 19, т.е. две ветви 17, 19 имеют на своих концах «ласты» 20, 22, и пазового типа, т.е. две ветви имеют пазы 24, 26. Однако понятно, что имеется большое количество возможных вариантов исполнения камертона, который в неисчерпывающей мере может быть инверсного, и/или пазового, и/или конического, и/или «ластового» типа.

Предпочтительно выполненный согласно настоящему изобретению камертон 11 имеет термические коэффициенты первого α или второго β порядка, которые компенсируются нанесением слоев 12, 14, 16 на внутреннюю часть 18 тела 15. На фиг. 6 и 7 представлены два неисчерпывающих примера сечений в плоскости А-А тела 15 камертона 11. Пазовые четырехугольные сечения демонстрируют внутреннюю часть 18 тела 15, по меньшей мере на часть которого, такую как одна или несколько сторон или вся наружная поверхность тела 15, нанесен по меньшей мере один слой покрытия 12, 14, 16. Как и в первом примере, покрытия 12, 14, 16 изображены не в масштабе относительно размеров внутренней части 18, чтобы более понятно показать расположение каждой части.

Внутренняя часть 8, 18 резонатора 1, 11 выполнена из керамики. В то же время имеется огромное разнообразие керамик. Вот почему предпочтение отдается керамике с низким термическим коэффициентом упругости (ТЕС) и низким коэффициентом теплового расширения (α_spi).

По этой причине возможно использование кварцевого стекла, также известного как плавленый кварц. В отличие от того, что может подразумеваться под словом "кварц", - это не кристаллический материал, а аморфный кремний.

В зависимости от способа производства плавленого кварца, получаемый термический коэффициент упругости (ТЕС) является, как правило, низким и положительным, т.е. попадающим в диапазон от 50 до 250 миллионных долей на градус Цельсия. Кроме того, коэффициент теплового расширения (α_spi) плавленого кварца составляет приблизительно 0,5 миллионных долей на градус Цельсия, что является очень низким показателем. Для примера использования плавленого кварца это означает, что покрытие 2, 4, 6, 12, 14 предпочтительно имеет отрицательный термический коэффициент упругости (ТЕС). Как указано выше, такое покрытие может при этом выполняться из металла или металлического сплава или другой керамики, такой как карбид кремния.

Разумеется, вполне возможно предусмотреть использование других стекол из семейства силикатов щелочных металлов, боросиликатов, алюмосиликатов.

Например, могут использоваться стекла Pyrex® или Schott® BF33, AF45:

где

- α_spi - коэффициент теплового расширения материала (м.д. °C^-1);

- ТЕС - термический коэффициент упругости материала (м.д. °C^-1).

Могут быть также предусмотрены фотоструктурируемые стекла, подобные описанным в WO 2007059876 (включенному в настоящую патентную заявку путем ссылки). В самом деле, фотолитографический способ изготовления очень точен с точки зрения подстройки термического коэффициента упругости (TEC). И, наконец, могут быть также предусмотрены керамические стекла, такие как церодур.

Как поясняется ниже, понятно, что керамика может иметь положительные или отрицательные термические коэффициенты упругости (ТЕС) первого и второго прядка. Вот почему покрытия 2, 4, 6, 12, 14, 16, используемые для внутренней части 8, 18, могут, в частности, иметь положительные или отрицательные термические коэффициенты упругости (ТЕС) первого и второго прядка. Таким образом, понятно, что резонатор 1, 11 может быть выполнен, например, с керамической внутренней частью, полностью или частично покрытой слоем, также выполненным из керамики.

Таким образом, в зависимости от метода осаждения покрытия 2, 4, 6, 12, 14, 16 предпочтительно выбирать материал с хорошей адгезией к керамике, такой как хром и титан. Вместе с тем в качестве альтернативы перед нанесением основного покрытия 2, 4, 6, 12, 14, 16 возможно нанесение первичного слоя, подобного слою хрома или титана, для улучшения адгезии и/или проницаемости упомянутого покрытия.

И наконец, в случае, если внутренняя часть 8, 18 имеет отрицательный термический коэффициент упругости (ТЕС) первого или второго прядка, то в качестве покрытия могут использоваться предпочтительно двуокись германия (GeO₂) и/или окиси циркония или гафния.

Поиск примеров проводился для 4 Гц резонатора с балансом, имеющим момент инерции 16 мг·см². Коэффициент теплового расширения α_{баланса} влияет на зависимость частоты резонатора от температуры.

Для пружины баланса высота h и длина l спирали фиксированы, для получения правильного момента подстраивается только ее толщина e. Толщина d покрытия при условии покрытия всех сторон выбирается такой, чтобы по меньшей мере обеспечивалась термическая компенсация частоты резонатора первого порядка α.

Свойства материалов, используемых для внутренней части или покрытия пружины баланса, сведены в приведенную ниже таблицу:

Первый пример заключается в покрытии металлом (в данном случае слоем алюминия) спиральной пружины из церодура, поставляемой компанией Schott®, с практически нулевым коэффициентом теплового расширения.

Такое стекло может быть также покрыто слоем химически осажденного из паровой фазы (CVD) карбида кремния SiC. Химически осажденный из паровой фазы карбид кремния является поликристаллическим материалом, считающимся механически и химически стойким. SiC существует также в форме кристалла, например, в гексагональной форме, под наименованием 6H-SiC. Свойства последнего отличаются от свойств поликристаллического карбида кремния. В приведенном ниже примере это компенсируется двуокисью кремния SiO₂.

И, наконец, в последнем примере металлическое стекло компенсировано слоем TeO₂.

В приведенной ниже таблице различные примеры сведены воедино:

Изобретение относится к термокомпенсированному резонатору и может использоваться в генераторе опорной частоты, в хронометре. Достигаемый технический результат - осуществление термокомпенсации по меньшей мере первого порядка. Термокомпенсированный резонатор содержит тело в деформированном виде, внутренняя часть которого выполнена из керамики, при этом по меньшей мере одна часть тела содержит покрытие, у которого изменение модуля Юнга при изменении температуры и низком термическом коэффициенте упругости (TEC) противоположно по знаку по сравнению с ТЕС керамики, использованной для изготовления внутренней части, так что изменение частоты резонатора при изменении температуры по существу равно нулю по меньшей мере в первом порядке. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Термокомпенсированный резонатор (1, 11), содержащий тело (5, 15) в деформированном виде, внутренняя часть (8, 18) которого выполнена из керамики, отличающийся тем, что по меньшей мере одна часть тела (5, 15) содержит покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16), у которого изменение модуля Юнга при изменении температуры (ТЕС) противоположно по знаку по сравнению с ТЕС керамики, использованной для внутренней части (8, 18), так что изменение частоты при изменении температуры резонатора по существу равно нулю по меньшей мере в первом порядке (α, β).

2. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит стекло.

3. Резонатор (1, 11) по п. 2, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) выполнена из плавленого кварца.

4. Резонатор (1, 11) по п. 3, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит металл, металлический сплав или карбид кремния.

5. Резонатор (1, 11) по п. 2, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) выполнена из боросиликатного или алюмосиликатного стекла.

6. Резонатор (1, 11) по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит хром или титан.

7. Резонатор (1, 11) по п. 2, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) выполнена из фотоструктурированного стекла.

8. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит керамическое стекло.

9. Резонатор (1, 11) по п. 8, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) выполнена из церодура.

10. Резонатор (1, 11) по п. 9, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит металл или карбид кремния.

11. Резонатор (1, 11) по п. 8, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит хром, алюминий или титан.

12. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит техническую керамику.

13. Резонатор (1, 11) по п. 12, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) выполнена из карбида кремния в кристаллической форме.

14. Резонатор (1, 11) по п. 13, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит диоксид кремния.

15. Резонатор (1, 11) по п. 12 или 13, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит хром или титан.

16. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит металлическое стекло.

17. Резонатор (1, 11) по п. 16, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит диоксид теллура.

18. Резонатор (1, 11) по п. 16, отличающийся тем, что покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит хром или титан.

19. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что тело (5, 15) имеет по существу четырехугольное сечение с попарно идентичными сторонами.

20. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что тело (5, 15) имеет по существу четырехугольное сечение, при этом стороны тела полностью закрыты покрытием.

21. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что тело (5, 15) содержит первичный слой между внутренней частью (8, 18) и покрытием (2, 4, 6, 12, 14, 16).

22. Резонатор (1) по п. 1, отличающийся тем, что тело является стержнем, скрученным с образованием пружины баланса и соединенным с инерционным маховиком.

23. Резонатор (11) по п. 1, отличающийся тем, что тело (15) содержит по меньшей мере два симметрично установленных стержня (17, 19) для образования камертона.

24. Резонатор (1, 11) по п. 1, отличающийся тем, что тело представляет собой резонатор микроэлектромеханической системы.

25. Хронометр, характеризующийся тем, что он содержит по меньшей мере один резонатор (1, 11) по любому из пп. 1-24.