压电式游丝和用于制造压电式游丝的方法

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

游丝的具体实施例在从属权利要求2至13中限定。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

在以下基于附图所示的非限制性实施例给出的描述中，将更清楚地看到压电式游丝的目的、优点和特征以及游丝制造方法，该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、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，在附图中：

图1以简化的方式示出了根据现有技术的包括振荡机械系统和用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路的装置，

图2示出了包括根据现有技术的装置的压电式元件的振荡机械系统的游丝的一部分，

图3示出了根据现有技术的另一类型的压电式游丝的线圈的横截面图，

图4a和4b示出了压电式游丝的线圈部分的三维局部视图，以及根据本发明的压电式游丝的第一实施例的该线圈的横截面图，

图5示出了根据本发明的压电式游丝的第二实施例的线圈的横截面图，

图6示出了根据本发明的压电式游丝的第三实施例的线圈的横截面图，

图7示出了根据本发明的压电式游丝的第四实施例的线圈的横截面图，以及

图8示出了在衬底的基底上形成压电式游丝的线圈，并且在线圈上涂覆压电层以限定根据本发明沉积在顶面上的层与侧面上的层之间的差异。

具体实施方式

图4a和4b示出了压电式游丝3的线圈部分的三维局部视图，以及压电式游丝3的第一实施例的该线圈的横截面图。游丝3通常包括多个线圈并连接到摆轮(未示出)，以形成振荡机械系统。游丝的第一端附接到摆夹板上，而第二端附接到摆轴上。游丝3在其两端之间位于一个平面内。

在此第一实施例中，压电式游丝3包括在游丝的顶面上的两对电极8a、8b、8c、8d，其中，并排的两对电极中的第一电极8a和8b直接附接到游丝的顶面上。第一压电层7附接在第一对电极中的第一电极8a和第二电极8c之间，而与第一层分开的第二压电层7’附接在第二对电极中的第一电极8b和第二电极8d之间。

优选地，将硅蚀刻到SOI(或石英)晶片上以获得绝缘体在下方的游丝3的形状，其一方面包括SiO

或者，可在玻璃晶片上制作游丝3。在这些条件下，对玻璃晶片进行激光辅助化学蚀刻的步骤以获得游丝3。通过调整游丝的制造方法，可以考虑采用其它类型的衬底，例如陶瓷或复合材料。

第一对电极中的第一电极8a和第二对电极中的第一电极8b在一个平面内设置或沉积在压电式游丝3的顶面20上。第一电极8a和8b彼此均匀地间隔开，并且各自呈从游丝的第一端朝向游丝的第二端的线圈形状。两对电极中的第一电极8a和8b的长度大致相等，并且位于从所述游丝的第一端起的游丝长度的一部分上。优选地，两对电极中的第一电极8a、8b的长度从压电式游丝3的第一端延伸到第二端。

第一压电层7直接沉积在第一对电极中的第一电极8a上，并且在压电式游丝3的至少部分长度上优选地与所述第一电极8a具有相同形状。第二压电层7’直接沉积在第二对电极中的第一电极8b上，并且在压电式游丝3的至少部分长度上优选地与所述第一电极8b具有相同形状。

最后，第一对电极中的第二电极8c直接设置或沉积在第一压电层7的与第一电极8a和第一压电层7之间的接触面相对的面上。第二对电极中的第二电极8d直接设置或沉积在第二压电层7’的与第一电极8b和第二压电层7’之间的接触面相对的面上。在此第一实施例中，每个第二电极8c、8d的形状和长度与每个第一电极8a、8b的形状和长度相同。

提供了用于制造压电式游丝的方法的两个可选实施例。由于游丝3由硅(SOI)晶片或石英晶片制成，因此可首先对硅或石英进行蚀刻以获得游丝3的基部。随后，将电极8a、8b、8c、8d和压电层7、7’沉积在已被图案化的游丝3的顶面或底面上。在玻璃晶片的情况下，可首先通过化学辅助激光切割或其它激光切割方法从晶片的顶部切割出游丝3的基部。

根据一个可选实施例，可以在图案化之前，即，在使用DRIE方法进行蚀刻以获得游丝之前或者在对玻璃晶片进行自上而下的激光辅助化学蚀刻以获得游丝3之前，将电极8a、8b、8c、8d和压电层7、7’沉积在硅或石英晶片上。在稍后的描述中将给出根据简要阐述的两个可选实施例的用于制造压电式游丝3的方法的更多细节。

如图4a所示，自动调节电路允许连续地或在特定时间段内在压电层7上施加匹配电压以产生压缩力-T1，或在另一压电层7’上施加相反的匹配电压以产生拉伸力T1。这允许调节振荡机械系统的振荡频率。

首先，优选地在游丝3的大部分长度上，至少在其一半长度上，例如在游丝3由晶片制成的情况下在游丝3的全部长度上，在顶面20上设置或图案化第一对电极中的第一电极8a和第二对电极中的第一电极8b两者。将第一电极8a和8b以预定间距彼此相邻设置，例如沿着游丝3的全部长度。在每个侧面22上都没有电极沉积。

然后将第一压电层7沉积和图案化在第一对电极中的第一电极8a上。优选地，将第一压电层图案化为第一对电极中的第一电极8a的侧向尺寸和长度。在制造第一压电层7的同时或在已经制成第一压电层7之后，可将第二压电层7’沉积或图案化在第二对电极中的第一电极8b上。优选地，将第二压电层7’图案化为第二对电极中的第一电极8b的侧向尺寸和长度。

一旦第一和第二压电层7、7’已经被适当地图案化在两对电极中的第一电极8a、8b上，则在第一压电层7上沉积或图案化第一对电极中的第二电极8c，其面对第一对电极中的第一电极8a。第二电极8c具有与第一对电极中的第一电极8a相同的形状和尺寸。在第二压电层7’上沉积或图案化第二对电极中的第二电极8d，其面对第二对电极中的第一电极8b。第二电极8d具有与第二对电极中的第一电极8b相同的形状和尺寸。

一旦压电式游丝3被制造完成，就可将其安装在振荡机械系统中。此实施例中的两对电极通过电压源被反向地和交替地偏置(biased)，以便特别是维持振荡系统的运动以使压电式游丝振荡。为此，第一对电极中的第一电极8a可连接到第二对电极中的第二电极8d。第二对电极中的第一电极8b可连接到第一对电极中的第二电极8c。第一电极8a和第二电极8d可连接到设置在压电式游丝3的第一端处的第一连接端子。第一电极8b和第二电极8c可连接到压电式游丝3的第一端处的第二连接端子。

还应注意，可以在两对电极中的两个第一电极8a、8b上仅沉积第一压电层7。此后，可以针对两对电极中的每个第一电极8a、8b，分离成所述的两个压电层7、7’。

压电式游丝3的电连接可以从顶部实现，其中连接端子特别是在沉积电极8a、8b、8c、8d和一个或多个压电层7、7’的同时被限定。优选地，在压电式游丝3的第一端处设置两个连接端子，以用于连接到至少两对电极中的电极8a、8b、8c、8d。连接端子设置在摆轮外桩之后，以免机械地影响游丝-摆轮机构。至少局部地在游丝附接于外桩的区域上沉积SiO

如上文所述，为了反向偏置两对电极，将电极8a和8d连接到例如表示为Vo-的第一端子，而将电极8b和8c连接到例如表示为Vo+的第二端子。电压Vo+和Vo-是与时间相关的交流电压，具有矩形或正弦信号或脉冲串，以维持压电式游丝3的振荡。

还应注意，可对每对电极施加不同振幅的电压以补偿可能的不对称，例如对第一对电极8a和8c施加电压V0，而对第二对电极8b和8d施加振幅与V0不同的反向电压V1。在这些条件下，必须在压电式游丝3的第一端处设置四个连接端子，每个连接端子连接到两对电极中的一个相应电极。

图5所示的压电式游丝3具有与图4b所示类似的特征。然而，在压电式游丝3的此第二实施例中，在两个第一电极8a、8b上仅沉积并保持一个压电层7。在压电层7上沉积每对电极中的第二电极8c、8d，其面对成对电极中的每个相应的第一电极8a、8b。然而，既在两个第一电极8a和8b的宽度上又在它们之间的空间上沉积压电层7。压电层7的形状和尺寸相当于两个第一电极8a和8b的组合形状，包括它们之间的空间。

相比侧向沉积在游丝的侧面22上的层，沉积在游丝3的顶面20上的压电层7的晶体取向提供了更好的结果。如图8所示，沉积在侧面22上的层的晶体取向是倾斜的，因此不像沉积在游丝顶面20上的压电层的晶体取向那样是垂直的。

第一对电极中的第二电极8c设置为接收电压Vo+，而第一对电极中的第一电极8a设置为接收与电压Vo+相反的电压Vo-。第二对电极设置为利用供应给第二对电极中的第一电极8b的电压Vo+相对于第一对电极被反向偏置，而第二对电极中的第二电极8d设置为通过电压Vo-被偏置。然而，从两个连接端子供应给电极8a、8b、8c、8d的偏置电压是交流的。因此，电极8b和8c通过电压Vo+被适时交替地偏置，而电极8a和8d通过与电压Vo+相反的电压Vo-被适时交替地偏置，以维持振荡系统的运动，以用于压电式游丝3的振荡。不言而喻，可通过矩形或正弦信号来改变电极的偏置电压。

有限元计算表明，通过这种配置，能以类似于在游丝的侧面22上沉积的方式来激励游丝3。即使利用这种方法实现的压电效应低于在侧面22上沉积，也可以通过使用压电系数较高的材料(其不一定能成功地沉积在游丝3的侧面22上)来补偿。该方法特别是与所有可通过溅射沉积的压电材料(AlN、AlScN、PZT和无铅压电材料)兼容。下面将考虑和描述该制造方法的两个可选实施例。

图6示出了根据第三实施例的压电式游丝3的线圈的横截面图。与第一实施例一样，设置了至少两对电极，其中第一对电极中的第一电极8a设置成与压电式游丝3的顶面20接触，并且第一对电极中的第二电极8c设置在第一组复合层7、17、27上，该第一组复合层包括至少一个压电层7，压电层7可以是从第一组复合层的第一层到最后一层的多个层之一。第二对电极中的第一电极8b设置在线圈的顶面20上，而第二对电极中的第二电极8d设置在第二组复合层7’、17’、27’上，该第二组复合层包括至少一个压电层7’，压电层7’可以是从第二组复合层的第一层到最后一层的多个层之一。

第一组复合层和第二组复合层的多个层可以串联或并联设置在第一对电极中的两个电极8a和8c之间或第二对电极中的两个电极8b和8d之间。也可在成组复合层的每一层之间设置中间电极，以便根据所需的选择将多个层串联或并联连接或使一个或多个层短路。它也可以是功能层而不仅仅是压电层，其中成组复合层的每一层可由与下一层或所设置的其它层不同的材料制成。

最后，在图7中示出了第四实施例并与图4b进行比较。设置了两对电极，但是第一对电极中的第一和第二电极8a和8c的取向与第二对电极中的第一和第二电极8b和8d的取向不同。优选地，在此第四实施例中，第二压电层7’在第一压电层7之后或与之同时在顶面20上生成。随后，在每个压电层7、7’的两个相对侧面上沉积两对电极中的第一和第二电极8a、8c和8b、8d。

第一压电层7被设置且通过垂直于顶面20的第一对电极中的第一和第二电极8a、8c被偏置。而且，第二压电层7’被设置且通过第二对电极中的第一和第二电极8b、8d被偏置。与第二实施例或之前的实施例不同，晶体取向可平行于顶面20设置。然而，第四实施例的制造比之前的实施例更复杂。

根据所有上述实施例，每个压电层或电极都沉积在顶面20上，但是它可以沉积在底面(未示出)上。此外，可使用其它压电材料，即使它们不能在侧面22上产生令人满意的沉积，这是因为在本发明中，沉积是在晶片的顶面上或直接在压电式游丝3的顶面20上进行的。此外，对游丝的尺寸也没有额外的限制。游丝的高度以与游丝的长度相同的方式对摆轮-游丝机构的谐振频率起作用。另一方面，在顶部、特别是在顶面20上沉积比在侧面上沉积更容易控制。

现在将描述使用石英或SOI晶片和DRIE方法或使用玻璃晶片和激光辅助化学蚀刻方法来制造压电式游丝3的方法的两个可选实施例。压电式游丝3的所有四个实施例可以使用制造压电式游丝3的方法的所述两个可选实施例来获得。

如上文已经解释的并且根据用于制造压电式游丝3的方法的第一可选实施例，首先通过对SOI或石英晶片的自上而下的DRIE或者通过对玻璃晶片的脉冲激光或激光辅助化学蚀刻来生成游丝3的基部。更常规地，可以在沉积制造压电式游丝所需的压电层或电极之前，首先生成游丝。

在溅射特别是诸如AlN或AIScN或PZT的压电层7、7’以及诸如KNN(由铌酸钾(KNbO3，KN)和铌酸钠(NaNbO3，NN)形成的固溶体)的无铅压电材料的情况下，可以在游丝3的侧面22上与法线成几十度的角度对压电层进行纹理化。这降低了压电效应，因为只有在电场方向上的投影对压电效应有贡献。

然而，如果将压电材料KNN沉积在游丝3的顶面20上，则使用该压电材料KNN是有利的，因为它能容易地沉积足够的厚度，例如5μm。

在第二可选实施例的制造方法的第一系列步骤中，首先可在SOI或石英晶片的顶面上生成具有所编程的形状和长度的压电层或电极，之后可得到压电式游丝。一旦已经在SOI、石英或玻璃晶片的顶面20上获得了连接到压电层的成组电极，就可以对游丝进行蚀刻或图案化，特别是到达游丝的特定蚀刻深度。在最后的制造步骤中，还通过DRIE(深度反应离子蚀刻)去除SOI晶片的基底。此时得到压电式游丝，该压电式游丝已经包含布置在游丝的顶面20上的电极和压电层。

当使用压电式游丝3来提取电力或为马达电路供电时，可能需要更大和更长的游丝。

还应注意，较大的压电表面积意味着在等效电压下运动幅度更大。这通常对马达有利。然而，可以以适当的传动比在几百赫兹的较高频率和较小振幅下工作。在这种情况下，可使用总体尺寸相似的游丝。相反，可以在手表中使用更少的零件，例如更高的发条盒等级或更小的发条盒。具有宽线圈的马达游丝的典型外径约为7mm，相比之下，常规时计游丝的外径约为5mm。很明显，这仍然小于摆轮的直径。

可以容易地增加压电层的厚度，或者可以容易地增加游丝本身的长度，例如目的是调整振荡频率。然而，不会触及能够导致开裂问题的线圈边缘处的边沿。将压电层布置在顶面或底面中的一者上要容易得多。如果增加游丝的厚度，则必须增加游丝的长度，以保持相同的谐振或振荡频率。另一个结果是，能够以这种方式在游丝上添加多个层，并且游丝的几何形状几乎没有变化或没有变化。在侧面上沉积的效应要大得多，并且需要对游丝的几何形状进行更大的调整。

还可以指出，当预混合靶不可用时，更容易使用难以在侧面上图案化或可能需要共沉积多种不同材料的压电材料，例如AIScN。

另一个优点是，顶面具有更好的垂直晶体取向，而侧面具有倾斜的晶体取向。整个晶片和每个线圈上的沉积物的均匀性要高得多。

比较而言，在游丝侧面上的沉积物厚度还取决于游丝线圈之间的间距，这与上文所述的遮蔽效应有关。线圈越靠近，则侧面上沉积的厚度越小，并且侧面上的厚度梯度越大。在自上而下沉积的情况下，压电层的厚度在每个线圈上几乎相同。这在控制制造精度方面是一个优势，并限制了所产生的设计与现实之间的差距。

所使用的电极对的数量不限于两个。例如，可以使用三对或四对电极。在具有若干对电极的情况下，可以对多个层施加不同的电压序列，例如对中心成对电极进行电激励以校正手表振幅的漂移，并且对两个外侧成对电极进行能量回收或收集。

或者，可以使用奇数对电极，例如三对电极，其中中心成对电极仅用作集电器，而外层作用在游丝上。这样，可以使用不同的校正电路，其中根据在中心层上收集的信息进行直接反馈。

对于该方法的第一或第二可选实施例，该方法的最后一个步骤可以是去除形成绝缘体的一部分的基础硅板。随后，可将硅游丝连接到用于自动调节振荡频率的电路、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。此外，可将它连接到印刷电路板，以连接到其它系统部件。将压电式游丝的一端处的两个连接端子连接到设置在压电式游丝3的顶面20上的至少两对电极8a、8b、8c、8d。将电极8a和8d连接到第一连接端子，而将电极8b和8c连接到第二连接端子。

如上文所述，通过在顶面上生成电极和压电层，很容易增加游丝上的压电层的厚度甚至长度。它可以很容易地在顶部制成3μm厚，而在侧面上仅可以控制1μm。这些值对应于使用AIN作为压电层。某些其它材料如KNN可沉积到多达5μm。图案化可能会出现一些困难，但使用此类具有更高压电系数的材料则不会。

应注意的是，两对电极中的电极和压电层可以仅在从连接端子所在的游丝第一端起的游丝的第一线圈上延伸。这对于低功率自动调节电路是有利的。

此外，由于制造方法的不同，相继沉积在游丝顶面上的电极和压电层的尺寸，主要是宽度，可能会有几个μm的轻微差异。因此，直接沉积在顶面上的每个第一电极比沉积在该层上的第二电极可以稍宽。

根据刚才给出的描述，可以生成压电式游丝的若干其它实施例，而不会脱离通过权利要求限定的本发明的范围。在压电式游丝的顶面上可以使用由不同材料制成的两个压电层。