Резонатор с температурной компенсацией по меньшей мере первого и втрого порядка

Изобретение относится к термокомпенсированному резонатору, который может использоваться в частотных генераторах. Технический результат - уменьшение частотного дрейфа в зависимости от температуры. Термокомпенсированный резонатор включает основу для деформации, сердцевина которой содержит первый материал, имеет по меньшей мере первое и второе покрытия, выполненные соответственно из второго и третьего материалов, причем для каждого материала изменение модуля Юнга в зависимости от температуры различное, каждая толщина первого и второго покрытий отрегулирована так, чтобы обеспечить резонатору практически нулевое изменение частоты первого и второго порядка в зависимости от температуры. 2 н. и 16 з. п. ф-лы, 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к термокомпенсированному резонатору типа балансирной пружины, микроэлектромеханической системы (МЭМС) (MEMS) или камертона, для изготовления временного или частотного генератора, температурные коэффициенты которого практически равны нулю для по меньшей мере первого и второго порядка.

Уровень техники

Патент ЕПВ №1422436 раскрывает балансирную пружину, сформированную из кремния и покрытую двуокисью кремния, чтобы получить практически нулевой температурный коэффициент вблизи температур сертификационного процесса COSC (швейцарский официальный институт хронометрического тестирования), т.е. между +8 и +38°С. Аналогично, международная заявка №WO 2008/043727 раскрывает резонатор МЭМС, который имеет сходные свойства малого дрейфа его модуля Юнга в том же самом температурном диапазоне.

Однако даже только частотный дрейф второго порядка в вышеуказанных описаниях требует сложной коррекции в зависимости от применения. Например, для электронных часов, которые могут быть сертифицированы COSC, электронная коррекция должна осуществляться на основе температурного измерения.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в преодолении всех или части из вышеупомянутых недостатков за счет обеспечения резонатора с температурной компенсацией по меньшей мере первого и второго порядка.

Поэтому изобретение относится к термокомпенсированному резонатору, который содержит основу, используемую при изгибании, при этом сердцевина основы содержит первый материал, основа включает в себя по меньшей мере первое и второе покрытия, соответственно сделанные из второго и третьего материалов, причем изменение модуля Юнга каждого материала в зависимости от температуры отличается, а каждая толщина упомянутых первого и второго покрытий регулируется так, чтобы обеспечить упомянутому резонатору возможность иметь практически нулевые изменения частоты первого и второго порядка в зависимости от температуры.

Преимущественно, согласно данному изобретению, основа резонатора, используемая при изгибании, имеет множество покрытий, когда необходимо скомпенсировать порядки температурных коэффициентов. Таким образом, в зависимости от размеров и знаков каждого порядка материалов сердцевины и каждого покрытия каждая толщина рассчитывается так, чтобы обеспечить компенсацию для каждого порядка.

В соответствии с другими преимущественными признаками изобретения:

- основа включает в себя третье покрытие, выполненное из четвертого материала, изменения модуля Юнга которого в зависимости от температуры отличны от материалов сердцевины и остальных покрытий, причем каждая толщина упомянутых трех покрытий регулируется, чтобы обеспечить упомянутому резонатору возможность иметь практически нулевые изменения частоты первого, второго и третьего порядка в зависимости от температуры;

- основа сердцевины имеет изменения модуля Юнга первого и второго порядка в зависимости от температуры, которые являются отрицательными подобно монокристаллическому кремнию;

- основа включает в себя секцию практически четырехугольной формы, грани которой покрыты в одинаковых парах или полностью;

- первое покрытие имеет изменения модуля Юнга в зависимости от температуры положительные для первого порядка и отрицательные для второго порядка, как у двуокиси кремния;

- второе покрытие имеет изменения модуля Юнга в зависимости от температуры положительные для второго порядка и отрицательные для первого порядка, как у двуокиси германия, либо имеет отрицательные изменения модуля Юнга второго порядка в зависимости от температуры;

- первое покрытие переставляется со вторым покрытием;

- нанесение упомянутых покрытий осуществляется в первую очередь на поверхности, параллельные нейтральной плоскости основы, чтобы в наибольшей степени модифицировать частоту упомянутого резонатора;

- основа представляет собой стержень, свернутый вокруг самого себя для образования балансирной пружины, и соединяется с инерционным маховиком либо включает в себя по меньшей мере два симметрично установленных стержня, чтобы образовать камертон, либо она является резонатором МЭМС.

Наконец, изобретение относится также к временному или частотному генератору, такому, например, как хронометр, отличающемуся тем, что он включает в себя по меньшей мере один резонатор по любому из предшествующих вариантов.

Краткое описание чертежей

Прочие признаки и преимущества станут ясны из нижеследующего описания, данного посредством неограничивающей иллюстрации со ссылкой на приложенные чертежи, где:

фиг.1 является общей перспективной схемой балансирной пружины;

фиг.2 является эквивалентным сечением балансирной пружины по Фиг.1;

фиг.3 является схемой нескольких вариантов осуществления по изобретению;

фиг.4 является графиком, показывающим модули упругости каждого материала по

первому варианту осуществления изобретения;

фиг.5 является графиком, показывающим модули упругости каждого материала по второму варианту осуществления изобретения;

фиг.6 является графиком, показывающим отсутствие изменения частоты в резонаторе по изобретению;

фиг.7 является графиком, показывающим изменения температурного коэффициента первого и второго порядка в кремниевой балансирной пружине, покрытой двуокисью кремния;

фиг.8 является графиком, показывающим изменения температурного коэффициента первого и второго порядка в кремниевой балансирной пружине, покрытой двуокисью германия;

фиг.9 является графиком, показывающим изменения температурного коэффициента первого и второго порядка в кремниевой балансирной пружине, покрытой двуокисью кремния и двуокисью германия.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Как пояснено выше, изобретение относится к резонатору, который может быть балансирной пружиной, камертоном или, в более общем виде, резонатором МЭМС (микроэлектромеханической системы). Для упрощения пояснения изобретения ниже представлено только применение в балансирной пружине. Однако специалисты без чрезмерных затруднений могут выполнить другие применения резонатора подобно указанным выше из представленного далее описания.

Аналогично, пояснение относится к сердцевине, в нашем случае балансирной пружины, сформированной из монокристаллического кремния. Однако материал сердцевины не ограничивается монокристаллическим кремнием, но может быть расширен до различных типов материалов, таких как, например, поликремний, стекло, нитрид, алмаз, монокристаллический кварц или металл.

График на Фиг.6 показывает характеристику температурного дрейфа для существующих резонаторов в зависимости от температуры. Первая кривая в виде сплошной линии, названная «Кварц с Z-срезом», показывает частотный дрейф монокристаллического кварцевого камертона на 32 кГц, сделанного в слегка повернутом Z-срезе. Вторая кривая в виде пунктира, названная «Si-SiO₂», показывает частотный дрейф кремниевого резонатора МЭМС, покрытого двуокисью кремния.

Для обеих этих кривых видно, что дрейф является ненулевым в широком температурном диапазоне, в частности между -20 и +80°С. Этот частотный дрейф, главным образом, связан с изменением модуля Юнга в зависимости от температуры. Однако даже низкий частотный дрейф между +10 и +40°С двух ныне изготавливаемых примеров может потребовать внешней коррекции резонатора. Это случай, например, электронных часов, которые содержат кварцевый камертон, корректируемый электронным образом на основе температурного измерения часов для сертификации COSC.

Таким образом, преимущественно, цель изобретения состоит в том, чтобы предложить резонатор, в котором частотный дрейф в зависимости от температуры был еще более минимизирован, как показано штрихпунктирной линией, названной «составной», масштаб которой умышленно выдержан одинаковым относительно двух других кривых, чтобы показать значительное различие в дрейфе. Конкретнее, основа резонатора согласно изобретению включает в себя множество покрытий, когда имеются температурные коэффициенты, которые надо скомпенсировать.

Предпочтительно, основа резонатора поэтому включает в себя по меньшей мере два покрытия и, возможно, третье покрытие, если компенсация второго порядка все же вызывает неприемлемый частотный дрейф. Однако после компенсации третьего порядка частотный дрейф для любого резонатора становится пренебрежимым. Таким образом, в зависимости от размеров и знаков каждого порядка материалов сердцевины и каждого покрытия каждая толщина рассчитывается так, чтобы обеспечивать компенсацию для каждого порядка.

По определению относительное изменение частоты резонатора подчиняется следующему соотношению:

$$\frac{\Delta f}{f_0}=A+\alpha \cdot \left(T-T_0\right)+\beta \cdot {\left(T-T_0\right)}^2+\gamma \cdot {\left(T-T_0\right)}^3$$ ,

где

- $$\frac{\Delta f}{f_0}$$ - относительное изменение частоты, выраженное в ppm, т.е. в миллионных долях (10⁶);

- A - постоянная, которая зависит от точки отсчета, в ppm (10^-6);

- Т₀ - исходная температура отсчета, в °С;

- α - температурный коэффициент первого порядка, выраженный в ppm·°С^-1;

- β - температурный коэффициент второго порядка, выраженный в ppm·°С^-2;

- γ - температурный коэффициент третьего порядка, выраженный в ppm·°С^-3.

Кроме того, температурный коэффициент упругости (ТКУ) (СТЕ) представляет относительное изменение модуля Юнга в зависимости от температуры. Выражения «α» и «β», которые используются ниже, представляют таким образом, соответственно, температурные коэффициенты первого и второго порядка, т.е. относительное изменение частоты резонатора в зависимости от температуры. Выражения «α» и «β» зависят от температурного коэффициента упругости основы резонатора и коэффициента расширения основы. Кроме того, выражения «α» и «β» также учитывают коэффициенты, специфичные для любого отдельного инерционного блока, такого как, например, балансир в резонаторе на балансирной пружине. Поскольку колебания любого резонатора, предназначенного для временного или частотного генератора, должны поддерживаться, температурная зависимость может также включать в себя вклад от системы их поддержания. Предпочтительно, основа резонатора представляет собой сердцевину 3, покрытую по меньшей мере двумя покрытиями 4, 5.

Пример, проиллюстрированный на фиг.1-3, показывает балансирную пружину 1, выполненную заедино с гнездом 2, в которой температурные коэффициенты первого и второго порядка основы компенсируются. Фиг.2 предлагает поперечное сечение основы балансирной пружины, которое более ясно показывает ее прямоугольное сечение. Основа может, таким образом, определяться своими длиной l, высотой h и толщиной е. Фиг.3 показывает возможные, но не ограничивающие альтернативы А, А', В, С и D. Разумеется, покрытия 4 и 5 даны не в масштабе относительно измерений сердцевины 3, чтобы показать более ясно расположение каждой части 3, 4 и 5.

В первой альтернативе А единственная поверхность секции последовательно покрыта покрытием 4, а затем покрытием 5. Порядок, в котором покрытия 4 и 5 накладываются, не установлен, т.е. покрытия 4 и 5 могут переставляться. Кроме того, когда поверхности, которые покрыты, параллельны нейтральной плоскости F стержня, это видоизменяет частоту упомянутого резонатора более сильно, чем если нанесение осуществляется на поверхностях, перпендикулярных плоскости F изгиба. Разумеется, возможно также предусмотреть, чтобы каждое покрытие 4, 5 было представлено на отличной поверхности, как иллюстрируется в альтернативе А'.

Во второй альтернативе В или С сечение основы включает в себя пары одинаковых поверхностей. Таким образом, любые две параллельные поверхности включают в себя два покрытия 4, 5, наложенные не в конкретном порядке, т.е. покрытия 4 и 5 могут переставляться, как в примере В, либо каждая из параллельных поверхностей имеет одно из покрытий 4, 5, как в примере С. Разумеется, можно также предусмотреть, чтобы покрытие 4 было представлено на двух смежных поверхностях, а другие две поверхности были покрыты покрытием 5.

В третьей альтернативе D сечение основы включает в себя поверхности, которые полностью покрыты последовательно покрытием 4, а затем покрытием 5. Порядок, в котором нанесены покрытия 4 и 5, не имеет, однако, никакого значения, т.е. покрытия 4 и 5 могут переставляться.

Фиг.4 показывает график, иллюстрирующий температурную зависимость модуля Юнга каждого материала, чтобы проиллюстрировать вариант осуществления изобретения, который использует кремний, двуокись кремния и двуокись германия. Таким образом, модуль Юнга кремния уменьшается при увеличении температуры, когда модуль Юнга двух других материалов возрастает при нарастании температуры. Кроме того, увеличение более заметно для двуокиси кремния нежели двуокиси германия между двумя значениями температуры, т.е. между -20°С и +80°С.

Фактически температурный коэффициент упругости кремния отрицателен для первого и второго порядка, когда температурные коэффициенты упругости двух других материалов положительны для первого порядка. Однако температурный коэффициент упругости второго порядка отрицателен для двуокиси кремния, тогда как для двуокиси германия он положителен.

Однако данная интерпретация фиг.4 сосредоточена на температурном коэффициенте упругости материалов. Необходимо также учесть коэффициенты расширения материалов и эффект поддерживающей колебания системы, чтобы окончательно получить коэффициенты α, β изменения частоты резонатора. Для понимания этой последней интерпретации ее два коэффициента показаны на фиг.7 и 8.

Так, на фиг.7 сердцевина 3 имеет отрицательные температурные коэффициенты упругости первого и второго порядка, подобно кремнию, и покрыта покрытием 4, которое включает в себя положительный первого порядка и отрицательный второго порядка температурные коэффициенты упругости, как у двуокиси кремния. Коэффициенты расширения этих материалов, в частности, баланса (18 ppm/°C) также учтены. Эффект поддерживающей колебания системы здесь пренебрежим. Фиг.7 также показывает, что единица порядков α (непрерывные линии) и порядков β (прерывистые линии) не одна и та же. Можно видеть, что α первого порядка скомпенсирована после некоторой толщины покрытия, т.е. пересекает линию 0, однако β второго порядка просто уменьшается по отношению к материалу одной сердцевины. Таким образом, ясно, что хотя α первого порядка можно скомпенсировать, но это не для случая β второго порядка.

На фиг.8 сердцевина 34 имеет отрицательные температурные коэффициенты упругости первого и второго порядка, подобно кремнию, покрыта покрытием 5, которое имеет положительные температурные коэффициенты упругости первого и второго порядка, как у двуокиси германия. Как и на фиг.7, фиг.8 показывает, что единица порядков α (непрерывные линии) и порядков β (прерывистые линии) не одна и та же. Можно видеть, что с тонкой толщины покрытия β второго порядка скомпенсирована, т.е. пересекает линию 0, однако α первого порядка скомпенсирована для большей толщины. Однако важно для обоих порядков α и β скомпенсировать в зависимости от толщины единственного материала.

Это имеет место вследствие разности в размерах температурных коэффициентов упругости каждого материала на каждом порядке. Таким образом, хотя может показаться иллюзорным найти материал для покрытия, который был бы точно «обратным» сердцевине, который позволял бы наносить единственный компенсационный слой, изобретение предлагает добавлять покрытие для каждого порядка, подлежащего компенсации. Каждое покрытие не предназначено далее для «прямой» коррекции порядка, но для улучшения каждой из компенсаций.

На фиг.9 посредством примера показаны расчеты. В этом примере сердцевина 3 имеет отрицательные температурные коэффициенты упругости первого и второго порядков, подобно кремнию. Сердцевина 3 покрыта первым покрытием 4, которое имеет положительные температурные коэффициенты упругости первого порядка и отрицательные температурные коэффициенты упругости второго порядка, как у двуокиси кремния. Первое покрытие 4 в свою очередь покрыто вторым покрытием 5, которое имеет положительные температурные коэффициенты упругости первого и второго порядков, как у двуокиси германия.

Фиг.9 показывает, что с помощью расчета становится возможным регулировать толщину каждого покрытия 4, 5, чтобы компенсация порядков α и β сходилась на практически одной и той же конечной толщине, т.е. чтобы две кривые α и β пересекали линию 0 на одной и той же толщине. В примере по фиг.9 сердцевина 3, первое покрытие 4 и второе покрытие 5 имеют, таким образом, соответственные толщины примерно 40, 3,5 и 3,6 микрометров.

Таким образом, в зависимости от желательной толщины сердцевины 3 или желательного конечного сечения возможно предложить резонатор со значительно улучшенной температурной компенсацией по сравнению с «Кварцем с Z-срезом» или «Si-SiO₂», показанным на фиг.6.

Конечно, данное изобретение не ограничивается проиллюстрированным примером, но способно дать различные варианты и альтернативы, которые будут ясны специалистам. В частности, для сердцевины 3 или покрытий 4, 5 можно предусматривать иные материалы, чтобы получать улучшенную температурную компенсацию.

Например, в высшей степени вероятно, что материал, который назовем Х (наподобие стабилизированных окислов циркония или гафния), имеющий отрицательный температурный коэффициент упругости первого порядка (как в случае большинства материалов) и положительный температурный коэффициент упругости второго порядка, может обеспечить температурную компенсацию. Этот пример иллюстрируется на фиг.5. Поэтому ясно, для данного типа материала, что первое покрытие имеет большую толщину, чем в варианте осуществления по фиг.4.

1. Термокомпенсированный резонатор (1), включающий в себя основу, используемую при деформации, при этом сердцевина (3) основы содержит первый материал, отличающийся тем, что основа имеет по меньшей мере первое и второе покрытия (4, 5), соответственно выполненные из второго и третьего материалов, причем для каждого материала изменение модуля Юнга в зависимости от температуры различное, а каждая толщина упомянутых первого и второго покрытий отрегулированы так, чтобы обеспечить резонатору практически нулевое изменение частоты первого и второго порядка (α и β) в зависимости от температуры.

2. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что основа включает в себя третье покрытие, выполненное из четвертого материала, для которого изменение модуля Юнга в зависимости от температуры отличается от материалов сердцевины (3) и остальных покрытий (4, 5), причем каждая толщина упомянутых трех покрытий отрегулирована так, чтобы обеспечить резонатору практически нулевое изменение частоты первого, второго и третьего порядка (α, β, γ) в зависимости от температуры.

3. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что сердцевина (3) основы имеет отрицательные изменения модуля Юнга первого и второго порядка в зависимости от температуры.

4. Резонатор (1) по п.3, отличающийся тем, что сердцевина (3) основы включает в себя монокристаллический кремний.

5. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что основа имеет секцию практически четырехугольной формы с парами одинаковых граней.

6. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что основа имеет сечение практически четырехугольной формы, поверхности которого полностью покрыты.

7. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что первое покрытие (4) имеет положительные для первого порядка и отрицательные для второго порядка изменения модуля Юнга в зависимости от температуры.

8. Резонатор (1) по п.7, отличающийся тем, что первое покрытие (4) включает в себя двуокись кремния.

9. Резонатор (1) по п.7, отличающийся тем, что второе покрытие (5) имеет положительное второго порядка изменение модуля Юнга в зависимости от температуры.

10. Резонатор (1) по п.9, отличающийся тем, что второе покрытие (5) имеет положительное первого порядка изменение модуля Юнга в зависимости от температуры.

11. Резонатор (1) по п.10, отличающийся тем, что второе покрытие (5) включает в себя двуокись германия.

12. Резонатор (1) по п.9, отличающийся тем, что второе покрытие (5) имеет отрицательное первого порядка изменение модуля Юнга в зависимости от температуры.

13. Резонатор (1) по п.9, отличающийся тем, что первое покрытие (4) и второе покрытие (5) выполнены в обратной последовательности.

14. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что упомянутые покрытия нанесены в первую очередь на поверхности, параллельные нейтральной плоскости (F) основы, с тем чтобы в наибольшей степени модифицировать частоту упомянутого резонатора.

15. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что основа представляет собой свернутый стержень для образования балансирной пружины и соединена с инерционным маховиком.

16. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что основа включает в себя по меньшей мере два симметрично установленных стержня для образования камертона.

17. Резонатор (1) по п.1, отличающийся тем, что основа является резонатором микроэлектромеханической системы (МЭМС).

18. Хронометр, отличающийся тем, что включает в себя по меньшей мере один резонатор по любому из пп.1-17.