压电式游丝和用于制造压电式游丝的方法与流程

本发明涉及一种压电式游丝，所述压电式游丝用于以下电路：用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路，或能量回收电路，或用于致动机芯或自动维持机芯的马达电路。本发明还涉及一种用于制造压电式游丝的方法。

背景技术：

1、在钟表领域中，从机械的角度来看，振荡机械系统可以是摆轮，游丝安装在该摆轮上，该游丝的一端附接到摆轮的旋转轴上，并且其另一端附接到机板的固定元件上。该机械系统借助于典型的机械动力源保持振荡，该机械动力源可以是发条盒，其利用与旋转的擒纵叉配合的擒纵轮来驱动齿轮系。因此，其中游丝联接到擒纵机构的摆轮可形成钟表机芯的调速构件。这种完全机械调节机构在表壳中使用了大量空间，这在一些情况下构成了缺陷。

2、法国专利no.2 119 482描述了一种压电式元件的振荡机械系统。该压电式元件优选设置在连接到摆轮的游丝上。这是通过将压电材料(pzt)膜沉积在游丝的大部分长度上以及所述金属游丝的内、外表面上来实现的。使用电压转换器向压电式元件提供交流电压，以在游丝上交替产生压缩力和拉伸力，以便调节连接到游丝的摆轮的振荡。在该专利文献中，电极沿着游丝的长度设置在每个侧面上，这会使游丝的制造复杂化并且构成缺陷。

3、现有技术的图1和2示出了如欧洲专利no.2 590 035 b1中所述的装置1，该装置1包括振荡机械系统2、3和用于自动调节振荡机械系统的振荡频率fosc的电路10。在机械手表中，振荡机械系统包括摆轮2和游丝3，该摆轮2由例如通过三个臂5连接到旋转轴6的金属环形成，在游丝3上设有压电式元件或电活性聚合物元件。游丝3的第一端3a由摆夹板的外桩4保持固定。摆夹板附接到手表机芯的机板上。游丝3的第二端3b直接附接到摆轮的旋转轴6上。压电式或电活性聚合物层23、23’沉积在金属条24的两个侧面上，这会使游丝的制造复杂化。

4、如现有技术的图3所示，欧洲专利no.3 629 103 b1描述了钟表的压电式游丝70。通过截面图示出的游丝70包括由硅制成的中心体72、沉积在中心体表面处的用于游丝的温度补偿的氧化硅层74、沉积在氧化硅层上的导电层76、以及以压电层78的形式沉积在导电层76上的压电材料。两个电极20a和22a布置在分别位于游丝的两个侧面上的压电层78上。压电层的第一部分80a和第二部分80b分别在中心体72的两个侧面上延伸，并且具有关于与这两个侧面平行的中间平面84对称的相应晶体结构。在两个侧向部分80a和80b中，压电层具有两个相同的相应压电式极化轴线82a、82b，它们垂直于压电层并且方向相反。这种压电式游丝结构的制造复杂且耗时，这构成了缺陷。

5、在现有技术中，例如当在游丝上生成压电层和接触电极时会遇到一些技术难题。可能遇到的一个问题是遮蔽效应(shadowing effect)，即，一层或多层的任何沉积都会导致厚度梯度。由于压电层厚度不足，线圈底部处可能发生短路。这也导致对游丝尺寸的限制，因为必须在线圈之间提供空间以及提供足够大的长宽比以减轻遮蔽效应。

6、在溅射的情况下，能够以相对于侧壁的法线几十度的角度对压电层纹理化。这减少了压电效应，因为只有在电场方向上的投影对压电效应有贡献。

7、还应注意，摆轮-游丝机构的谐振频率对游丝的刚度很敏感，其取决于游丝的立方体厚度。沉积的典型再现性要求在压电层沉积之后的最终频率设置状态。此外，通过溅射实现的材料沉积物在衬底表面上的厚度具有几个百分点的变化，这使得难以精确地校正沉积层的厚度。

8、通常使用非标准制造方法来生产游丝，因为必须将各层沉积在图案化的晶片上，并且必须在不损坏所述各层的情况下在侧壁上图案化各电极。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路的易于制造的压电式游丝，以便使用少量部件精确地调节振荡机械系统的振荡频率并克服现有技术的上述缺陷。该压电式游丝还旨在用于能量回收电路或致动机芯或自动维持机芯的马达电路。

2、为此，本发明涉及一种压电式游丝，其用于以下电路：用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路，或能量回收电路，或用于致动机芯或用于自动维持机芯的马达电路，该压电式游丝包括独立权利要求1中提到的特征。

3、游丝的具体实施例在从属权利要求2至13中限定。

4、根据本发明的这种压电式游丝的一个优点是它可以容易地生产，因为如果压电层被沉积在顶面上或甚至底面上，则易于控制压电层的沉积。通过在顶面或底面上执行沉积，还容易增加压电层的厚度或增加其长度。

5、有利地，不会触及可能引起包括压电层开裂在内的问题的游丝线圈的边缘的边沿；由于整体沉积在顶面或底面上，因此减少了开裂问题。

6、在顶面上沉积压电层的另一个优点是，与在侧面上的取向倾斜的沉积相比，在顶面上产生了更好的、通常垂直的晶体取向。在整个晶片和每个线圈上的沉积物的均匀性要高得多。其并不取决于游丝的各个线圈之间的空间。另一方面，当在侧面上沉积压电层时，线圈之间的空间越小，越难以在这些侧面上沉积这样的层。在这种情况下，对于在侧面上沉积各个层存在遮蔽效应，所述各个层也可能太薄并且厚度不够的层可能发生短路。因此，将压电层沉积在顶面上对于控制制造精度并限制设计与实际之间的差距是有利的。

7、另一个优点是，与沉积在侧面上相比，更容易将由难以图案化的材料制成的压电层沉积在顶面上。总体而言，整体的自上而下的制造方法，包括各层的图案化以及图案的蚀刻和保护，比线圈侧壁的非标准图案化更容易。

8、为此，本发明还涉及一种用于制造压电式游丝的方法，该方法包括独立权利要求14和15之一的特征。

9、根据本发明所提出的方法，例如由soi(绝缘体上硅)制成的基板形式的衬底可用作第一步骤。一旦该第一步骤完成就可以蚀刻游丝，如下文更详细说明的，或者可以在蚀刻第一硅层之前将电极、压电层和压电层上方的其它电极沉积并图案化。

技术特征：

1.一种压电式游丝(3)，所述压电式游丝(3)用于自动调节振荡机械系统(2，3)的振荡频率的电路(10)，或用于能量回收电路，或用于致动机芯或自动维持机芯的马达电路，

2.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一对电极中的第一电极(8a)连接到第二对电极中的第二电极(8d)，并且第一对电极中的第二电极(8c)连接到第二对电极中的第一电极(8b)。

3.根据权利要求1或2所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一对电极中的第一电极(8a)和第二对电极中的第二电极(8d)连接到所述压电式游丝(3)的第一端处的第一连接端子，并且第二对电极中的第一电极(8b)和第一对电极中的第二电极(8c)连接到所述压电式游丝(3)的第一端处的第二连接端子。

4.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，两对电极中的所有电极(8a，8b，8c，8d)各自连接到所述压电式游丝(3)的第一端处的相应连接端子。

5.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一对电极中的第一电极(8a)直接沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，第二对电极中的第一电极(8b)直接沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，两对电极中的第一电极(8a；8b)彼此均匀地间隔开，并且均具有从所述压电式游丝(3)的第一端朝向所述压电式游丝(3)的第二端的线圈形状。

6.根据权利要求5所述的压电式游丝(3)，其特征在于，两对电极中的第一电极(8a；8b)和第二电极(8c；8d)从所述压电式游丝(3)的第一端沿着所述压电式游丝(3)的全部长度的一半以上延伸。

7.根据权利要求5所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一压电层(7)沉积在第一对电极中的第一电极(8a)上，第二压电层(7’)沉积在第二对电极中的第一电极(8b)上，第一压电层(7)的形状和尺寸与第一对电极中的第一电极(8a)的形状和尺寸相同，并且第二压电层(7’)的形状和尺寸与第二对电极中的第一电极(8b)的形状和尺寸相同。

8.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，两对电极中的第一电极(8a；8b)和第二电极(8c；8d)以及压电层(7)从所述压电式游丝(3)的第一端起在所述压电式游丝(3)的第一线圈上延伸。

9.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一对电极中的第一电极(8a)直接沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，第二对电极中的第一电极(8b)直接沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，并且压电层(7)在两个第一电极(8a；8b)的宽度和两个第一电极(8a；8b)之间的空间两者上沉积在第一电极(8a；8b)上。

10.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一对电极中的第一电极(8a)设置成与所述压电式游丝(3)的顶面(20)相接触，而第一对电极中的第二电极(8c)设置在安装于第一对电极中的第一电极(8a)上的第一组复合层(7，17，27)上，所述第一组复合层中的至少一层是压电层(7)；并且，第二对电极中的第一电极(8b)设置在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，而第二对电极中的第二电极(8d)设置在安装于第二对电极中的第一电极(8b)上的第二组复合层(7’，17’，27’)上，所述第二组复合层中的至少一层是压电层(7’)。

11.根据权利要求10所述的压电式游丝(3)，其特征在于，在每组复合层(7，7’，17，17’，27，27’)中的每个层之间设置有中间电极，以便根据所需的选择将各层串联或并联连接或者使一层或多层短路。

12.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，第一压电层(7)沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，第二压电层(7’)与第一压电层(7)间隔开地沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，第一对电极中的第一电极(8a)设置在第一压电层(7)的一个侧面上，而第一对电极中的第二电极(8c)设置在第一压电层(7)的对向侧面上，第二对电极中的第一电极(8b)设置在第二压电层(7’)的一个侧面上，而第二对电极中的第二电极(8d)设置在第二压电层(7’)的对向侧面上。

13.根据权利要求1所述的压电式游丝(3)，其特征在于，设置在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上的每个压电层(7，7’)是称为ain、aiscn、pzt或knn层的层。

14.一种用于在soi晶片、石英晶片或玻璃晶片的基底(30)上制造根据前述权利要求中任一项所述的压电式游丝(3)的方法，其特征在于，首先通过对所述soi晶片或石英晶片的自上而下的drie或通过对所述玻璃晶片的自上而下的激光辅助化学蚀刻来生成所述压电式游丝(3)的基部，并且一旦已经通过drie或通过激光辅助化学蚀刻在留下晶片的基底(30)或完全去除晶片的基底(30)的情况下生成所述压电式游丝(3)的形状，则将一个或多个压电层(7，7’)沉积在所述压电式游丝(3)的顶面(20)上，并根据所编程的形状和尺寸沉积与所述一个或多个压电层(7，7’)组合的两对电极中的第一和第二电极(8a，8b，8c，8d)。

15.一种用于在soi晶片、石英晶片或玻璃晶片的基底(30)上制造根据权利要求1至13中任一项所述的压电式游丝(3)的方法，其特征在于，直接在所述soi晶片、石英晶片或玻璃晶片的粗制顶面上执行该方法，一个或多个压电层(7，7’)的沉积物采取线圈的所编程形状和长度，两对电极中的第一和第二电极(8a，8b，8c，8d)的沉积物采取与所述一个或多个压电层(7，7’)组合的线圈的所编程形状和长度，并且一旦已经将每对电极中的各电极(8a，8b，8c，8d)设置在所述粗制顶面(20)上的一个或两个压电层(7，7’)的或者一组或两组复合层(7，7’，17，17’，27，27)的两个对向表面上，则根据所编程的总长度和形状对所述压电式游丝(3)的soi晶片或石英晶片进行自上而下的drie操作，或对玻璃晶片进行自上而下的激光辅助化学蚀刻操作，并且，执行最终的drie操作或激光辅助化学蚀刻操作以完全去除晶片的基底(30)，以便获得最终的压电式游丝(3)。

技术总结本发明提供一种压电式游丝(3)，其用于自动调节振荡机械系统(2，3)的振荡频率的电路(10)，或能量回收电路，或致动机芯或自动维持机芯的马达电路。所述压电式游丝(3)包括设置在处于一个平面内的所述游丝的一定数量的线圈的顶面(20)或底面上的至少一个压电层(7，7’，17，17’，27，27’)，以及至少两对电极(8a，8b，8c，8d)，其中，每对电极中的各电极设置在同一压电层或两个压电层的两个对向表面上，以便在每对电极上施加反向偏置电压。技术研发人员：A·迪迪埃,F·古艾萨兹,E·拉福热受保护的技术使用者：斯沃奇集团研究和开发有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/13