一种钟表游丝的检测和制造方法技术

本发明专利技术涉及一种游丝或布置成游丝的游丝坯件的检测方法，所述游丝需具有至少一个预设振荡频率，所述检测方法包括以下步骤：a.对游丝或游丝坯件施加时变振动激励，以覆盖预设频率范围；b.在预设频率范围内的振动激励过程中，确定游丝或游丝坯件振荡频率的至少一个特征，如共振峰；c.将步骤b中确定的振荡频率特征提供给预测机，以确定游丝或游丝坯件的刚度并且/或者确定是否需要对游丝或游丝坯件进行尺寸修正以达到预设振荡频率。寸修正以达到预设振荡频率。寸修正以达到预设振荡频率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种钟表游丝的检测和制造方法


[0001]本专利技术涉及钟表零部件的检测和制造领域，具体涉及一种钟表游丝(又称为振荡器)的检测和制造方法。

技术介绍

[0002]机械表机芯是通过由振荡器组成的机械调节器来调节的，振荡器是一种可弹性变形的部件，其振荡决定了手表的速率。例如，许多手表的调节器包括一个作为振荡器的游丝，安装在摆轮的轴上，并通过擒纵机构进行振荡。摆轮游丝对的自然频率使手表能够被调节，特别是取决于摆轮游丝的刚度。
[0003]事实上，由刚度为R的游丝与惯性为I的摆轮耦合而成的调节机构的频率f由公式给出：
[0004][方程1][0005][0006]游丝的刚度也定义了其固有的振动特性，如自然频率和振荡频率。在目前的应用中，一个弹性系统(单独的振荡器或振荡器
‑
平衡对)的自然频率是这个系统在自由演化时，即没有激励力时的振荡频率。此外，弹性系统的振荡频率是一个频率，在这个频率上可以测量到弹性系统的一个给定点的局部最大位移幅度。换句话说，如果弹性系统在一段时间内被可变频率的激励源所激励，那么在这个振荡频率之前，位移幅度呈上升斜率，之后则呈下降斜率，在任何不对应于振动节点的点。通常，在这样的检测中，记录位移幅度作为激励频率的函数，示出出一个位移幅度峰值或共振峰，它与振荡频率相关或具有振荡频率的特征。
[0007]游丝振荡器的刚度通常取决于材料特性，以及它的尺寸，特别是沿外桩的螺旋线圈的厚度(即宽度)。更具体地说，刚度由以下公式给出：
[0008][方程2][0009][0010]式中：
[0011]弹簧扭转角；
[0012]M：游丝回位扭矩；
[0013]式中，对于由特定材料制成的恒定截面外桩，M的计算方式如下：
[0014][方程3][0015][0016]式中：
[0017]E：外桩所用材料的杨氏模量；
[0018]L：外桩长度；
[0019]h：外桩高度；
[0020]e：外桩厚度或宽度。
[0021]由刚度为R的游丝与惯性为I的平衡轮耦合形成的调节元件的自然频率尤其与游丝刚度的平方根成正比。游丝的主要规格是它的刚度，它必须在一个明确的范围内，以便与构成振荡器惯性元件的平衡轮配对。这种配对操作对于准确设置机械振荡器的频率至关重要。
[0022]非常重要的是，振荡器的特性要尽可能的稳定，这样手表的运动也会稳定。在现代环境中，磁场的重要性促使制表商在一些年中使用硅质游丝，它对磁干扰的敏感度低于金属游丝。
[0023]现在有可能利用微细加工技术在一块晶圆上制造几百个硅游丝。特别是，已知使用光刻和加工/蚀刻方法在硅晶圆中以非常高的精度生产多个硅振荡器。生产这些机械振荡器的方法通常使用单晶硅片，但也可以使用其他材料制成的硅片，例如多晶硅或非晶硅、其他半导体材料、玻璃、陶瓷、碳、碳纳米管或包括这些材料的复合材料。单晶硅属于m3m立方晶体类，它具有各向同性的热膨胀系数(α)。
[0024]硅的第一个热弹性系数是一个非常负的值，因此，硅振荡器的刚度，以及它的自然频率，随温度变化很大。为了至少部分地补偿这一缺点，文件EP1422436、EP2215531和WO2016128694描述了一种由单晶硅芯(或WO2016128694中的两个芯)制成的游丝型机械振荡器，其杨氏模量的温度变化通过围绕芯(或芯)的一层无定形氧化硅(SiO2)来补偿、这是少数具有正热弹性系数的材料之一。
[0025]当游丝由硅或其他材料在晶圆上集体制造时，最终的功能效率将由其刚度与配对间隙相对应的游丝的数量除以晶圆上的游丝总数得出。
[0026]然而，在晶圆上制造游丝时使用的微细加工步骤，特别是蚀刻步骤，通常会导致同一晶圆上的游丝尺寸之间出现明显的几何分散，因此，尽管每个游丝的蚀刻图案都是相同的，但它们的刚度之间也有明显的分散。测量的刚度分散通常遵循高斯分布。为了优化制造产量，我们有兴趣将高斯分布的平均值集中在一个标称的刚度值上，同时减少这个高斯的标准偏差。
[0027]此外，在不同时间按照相同的方法规范雕刻的两个晶圆的游丝之间，刚度的分散性甚至更大。这示出在图1中，其中示出了三个不同晶圆上的游丝的刚度分散曲线Rd1、Rd2和Rd3。一般来说，对于每块板来说，刚度R(相对于具有该刚度的游丝数量N)的分布遵循正态或高斯分布，每条分散曲线都以其各自的平均值Rm1、Rm2和Rm3为中心。
[0028]文件WO2015113973和EP3181938提出通过以下方式补救这一问题：形成尺寸大于获得具有预设刚度的游丝所需尺寸的游丝，通过将其与具有预设惯性的平衡轮耦合来测量该形成的游丝的刚度，计算为获得具有预设刚度的游丝所需尺寸而需要去除的材料厚度，并从游丝中去除该厚度。以类似的方式，EP3181939提出通过形成尺寸小于获得具有预设刚度的游丝所需尺寸的游丝，通过与具有预设惯性的平衡轮耦合来确定该形成的游丝的刚度，计算为获得具有预设刚度的游丝所需尺寸而添加的材料厚度，并将该材料厚度添加到该游丝上，来补救同样的问题。
[0029]通过这种方式，如图2所示，尽管在给定的晶圆上有平均刚度R
平均
1、R
平均
2等，但相对于公称刚度R
公称
而言，刚度分散曲线Rd1、Rd2等可以是近期的。
[0030]在测量游丝的频率以确定其刚度时，这种方法需要高度的准确性。特别是，测量误差可能是由摆轮的预设惯性或使用的组件造成的。然后必须进行一个步骤来计算要去除的厚度，以便再次以高度的准确性去除计算的厚度。此外，应该指出的是，将游丝与具有预设惯性的摆轮耦合，需要细致的操作和大量的准备时间。最后，还应该指出，在仍然存在于晶圆上的部件或坯件上进行的任何装配操作都会大大增加污染的风险(例如，存在处理过程中产生的细小硅颗粒(碎片))。
[0031]本专利技术的目的是提出一种没有上述缺点的方法，它允许更快的生产流程和/或更少的污染风险，和/或更多的取样，和/或更精确的测量，从而对晶圆游丝进行更个性化的修正。

技术实现思路

[0032]本专利技术具体涉及一种游丝或布置成游丝的游丝坯件的检测方法，游丝需具有至少一个预设振荡频率，其包括以下步骤：
[0033]a.对游丝或游丝坯件施加时变振动激励，以覆盖预设频率范围；
[0034]b.在预设频率范围内的振动激励过程中，确定游丝或游丝坯件振荡频率的至少一个特征，如共振峰；
[0035]c.将步骤b中确定的振荡频率特征提供给预测机，以确定游丝或游丝坯件的刚度并且/或者确定是否需要对游丝或游丝坯件进行尺寸修正以达到预设振荡频率。
[0036]根据上述实施例，该方法包括对游丝或游丝坯件进行振动激励和测量振荡频率的特征，然后通过预测推断出刚度和/或是否需要进行尺寸修正的步骤。不需要与摆轮或其他部件组装，这就节省了时间。此外，测量仅在游丝或坯件上进行，这限制了由其他部件或其装配引起的误差，以及任何污染。由于其他部件或污染引起本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种游丝或布置成游丝的游丝坯件的检测方法，所述游丝需具有至少一个预设振荡频率，所述检测方法包括以下步骤：a.对游丝或游丝坯件施加时变振动激励，以覆盖预设频率范围；b.在预设频率范围内的振动激励过程中，确定游丝或游丝坯件振荡频率的至少一个特征，如共振峰；c.将步骤b中确定的振荡频率特征提供给预测机，以确定游丝或游丝坯件的刚度并且/或者确定是否需要对游丝或游丝坯件进行尺寸修正以达到预设振荡频率。2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述频率范围被预先设定为涵盖至少一个频率范围：
‑
所述频率范围以预设振荡频率为中心；
‑
以及，所述频率范围涵盖预设振荡频率的至少30％范围。3.根据权利要求1至2中任一项所述的检测方法，所述游丝具有至少两个预设振荡频率，其特征在于，所述频率范围被预先设定为涵盖至少两个预设振荡频率。4.根据权利要求1至3中任一项所述的检测方法，其特征在于，所述步骤b是基于对游丝或游丝坯件的至少一个点的位移幅度、速度或加速度进行时变测量，所述测量优选在步骤a中至少部分实施。5.根据权利要求1至4中任一项所述的检测方法，所述游丝或游丝坯件设于一个基面，其特征在于，所述步骤b包括以下子步骤：
‑
子步骤b'：在所述基面的法线方向上，测量游丝或游丝坯件的至少一个点的位移幅度、速度或加速度；
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以及/或者，子步骤b”：在所述基面所包含的方向上，测量游丝或游丝坯件的至少一个点的位移幅度、速度或加速度。6.根据权利要求4至5中任一项所述的检测方法，其特征在于，所述步骤b包括：
‑
子步骤：根据游丝或游丝坯件的至少一个点的位移幅度或速度，确定游丝或游丝坯件的共振峰。7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述振荡频率是基于共振峰的宽度而确定的，为共振峰最大值的一半。8.根据权利要求1至7中任一项所述的检测方法，其特征在于，如需修正尺寸，所述方法包括一个步骤：d.使用预测机并基于步骤b中确定的振荡特征，计算出需实施的尺寸修正。9.根据权利要求1到8中任一项所述的检测方法，其特征在于，所述预测机采用多项式公式以预测是否需要进行尺寸修正。10.根据权利要求1至9中任一项所述的检测方法，其特征在于，所述预测机实施了例如由神经元网络进行的分类，以预测是否需要进行尺寸修正。11.根据权利要求1至10中任一项所述的检测方法，所述游丝坯件形成于晶圆上，所述晶圆包括分布在晶圆的多个扇形区域的多个游丝坯件；其特征在于，所述步骤b包括一个子步骤，即：确定每个扇形区域上的至少一个游丝坯件振荡频率的至少一个特征；以及，所述步骤c包括一个子步骤，即：确定每...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫，
申请(专利权)人：里奇蒙特国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：