整體雙遊絲及其製造方法
2023-06-17 17:04:01 2
專利名稱：整體雙遊絲及其製造方法
整體雙遊絲及其製造方法
駄領域
本發明涉及雙遊絲(double balance spring)及其製造方法，更具體地涉 及在單件中形成的雙遊絲。
背景技術：
計時器的調節部件一般包括稱作擺輪(balance)的慣性輪和稱作遊絲的諧 振器。這些部分具有有關計時器的工作質量的決定性作用。實際上，它們調節 機心，也就是，它們控制機心的頻率。
在雙遊絲的情況下，材料已被測試以限制溫度變化對調節部件的影響而沒 有解決關於裝配或鄉調整的困難，其中，雙遊絲整體形成在調節部件中。
發明內容
本發明的目的是艦如下手段克服全部或部分戰缺點提供整體雙遊絲, 該整體雙遊絲的熱彈性係數可以被調整並且使用最小化裝配困難的製造方法得 到。
因此本發明涉及一種雙遊絲，其包括在矽S^才料層中製成的同軸安裝在內 樁(collet)上的第一遊絲，內樁包括從所述遊絲突出的一個延伸部分，且該 延伸部分在矽基材料的第二層中製成，其特徵在於所述延伸部分延伸到與第二 遊絲同軸的矽基材料的第三層中以便形成由矽基材料製成的整體雙遊絲。
根據本發明的其他有利特徵
-內樁在旨所述層中具有大致相同的截面以便於調整所述雙遊絲； -內樁在所述層中的至少之一上具有大致不同的截面， -遊絲包括以相同方向或斜度(Pitch)纏繞的線圈，
-遊絲的每一個的外曲線的端部彼此垂直(plumb)，由此單個裝置可被用於 將所，遊絲插接到內樁上，
-遊絲具有相同的角剛度或斜度，-遊絲中的至少一個的至少一部分由二氧化矽製成，以使其具有更大的機械
阻力並且調整其熱彈性係數； -遊絲中的至少一個的內線圈具有Grossmann曲線以改善所述線圈的同心展
開，
-內樁具有金屬部分，心軸在該金屬部分中被驅動。
更概括地講，本發明涉及一種計時器，特徵在於其包括根據前述變型中任 何一項所述的雙遊絲。
最後，本發明涉及制^X遊絲的方法，其包括以下步驟
a) 提供包括矽S^才料的頂層和/SM的襯底，
b) 在頂層中選擇性蝕刻至少一個空腔以限定所^^遊絲的由矽基材料製成
的內樁的第一部分的圖案，
c) 4維基材料的附加層連接到襯底的被蝕刻的頂層，
d) 在附加層中選擇性蝕刻至少一個空腔以延續內樁的圖案並且限定所述雙 遊絲的由矽St才料製成的第一 遊絲的圖案，
特徵在於其進一步包括以下步驟
-在底層中選擇性蝕刻至少一個空腔以延續內樁的圖案並且限定所述雙遊
絲的由矽基材料製成的第二遊絲的圖案， -從襯底分離雙遊絲。 根據本發明的其他有利特徵
-在步驟d)之後，其包括步驟g):氧化矽S^才料製成的第一遊絲以使其具
有更大的機械阻力並且調整其熱彈性係數， -在步驟e)之後，其包括步驟g'):氧化矽^=才料製成的第二遊絲以使其
具有更大的機械阻力並且調整其熱彈性係數， -在步驟e)之前，其包括步驟h):將至少一個金屬層選擇性沉積至IJ，上
以限定內t肚的金屬部分的圖案， -步驟h)包括步驟i):至少部分地在底層的表面上以連續金屬層的方式使所
述沉積生長，從而形成用於接收心軸的金屬部分，心軸在金屬部分中被驅
動，
-步驟h)包括步驟j):在底層中選擇性嫩侄少一個空腔以用於接收金屬部
分，以及步驟k):至少部分地在所述至少一個空腔中以連續金屬層的方式^^f述沉積生長，從而形成金屬部分，心軸在金屬部分中被驅動， _步驟h)包括最後步驟1):拋光金屬沉積，
-在同一襯底上製成多個雙遊絲，這允i努比量製造。
其他特性和特點將從以下說明中更清楚的顯現，其參考附圖通過非限制性 描述給出，在附圖中-
圖1-5顯示了根據本發明的製造方法的連續視圖6-8顯示了替代性實施例的連續步驟的視亂
圖9顯示了根據本發明的方法的流程圖10和11顯示了根據第一實施例的整體雙遊絲的透視具體實施例方式
本發明涉及一種用於製造計時器機心的雙遊絲21的方法，其總體上標記為 1。如圖l-9中所示，方法1包括用於形成至少一種整體雙遊絲的連續步驟，該 雙遊絲能夠完整地由矽基材料形成。
參考圖1和9，第一步驟100包括提供矽絕緣體(SOI， silicon-on-insulator)襯底3。襯底3包括頂層5和底層7，每一層都由矽基 材料形成。
雌地，在該步驟100中，襯底3被選擇使得底層7的高度與最終的雙遊 絲21的一部分的高度相匹配。
，地，頂層5相對於底層7被用作間隔裝置。因此，頂層5的高度將適 合於與雙遊絲21的外形一致。根據所遊卜形，頂層5的厚度因而可以變動，例 如，在10-20(^m之間。
在圖2所示的第二步驟101中，在矽S^才料的頂層5中例如通過DRIE (深 反應離子蝕刻)處鵬擇性地蝕亥控腔8和10。這些空腔8和10可以^i也形 成圖案9，該圖案9限定了雙遊絲的由矽基材料製成的內樁的一部分的內部輪廓 和外 廓。
在圖10和11中所示的實例中，圖案9形成^5l遊絲21的內樁27的中間部 分。如圖2所示，圖案9是具有圓臓面的大致圓筒形。然而，有利地根據方
7法l，在頂層5上的蝕刻留出關於圖案9的幾何微完全的自由度。因此，其可 以不必是圓形，而是，例如，橢圓和/或具有非圓形的內徑。
在圖3所示的第三步驟102中，矽基材料的附加層11被增加到襯底3。優 選地，附加層ll通過矽熔粘結(SFB， silicon fusion bonding)固定於頂層5。 因此，步驟102有利i艦過用很高的粘附度將圖案9的頂面粘合到附加層11的 底面來覆蓋頂層5。附力瞻11例如可具有與底層7相似的厚度。
在圖4所示的第四步驟103中，例如M與步驟101中樹以的DRIE M在 附加矽層11中選擇性蝕刻空腔12和14。這些空腔12和14形成兩個圖案13 和15，其限定了雙遊絲21的矽部分的內部輪廓和外部輪廓。
在圖4中所示的實例中，圖案13是具有圓，面的大致圓筒形，並且圖案 15是大致螺旋形。然而，有利地根據方法l，在附加層ll上的嫩ij允許關於圖 案13和15的幾何微的完全的自由度。因此，特別地，圖案15可以，例如，
包括更多的圈或者開口外曲線。
ifc^地，在附加層11中製成的圖案13與在頂層5中帝喊的圖案9有相似 的形狀和鉛垂度。這就是說分別形成圖案9和13的內徑的空腔10和12彼此相 通並且基本上是一個圖案位於另一個圖案的頂部。在圖10和11中所示的實例 中，圖案13和9分別形^5l遊絲21的內樁27的上部和中部。
4皿地，由材料16製成的至少一個夾板(bridge)被形成以在製造中將雙 遊絲21保持在襯底3上。在圖4中所示的實例中，可以看到由材料16製成的 夾板位於圖案15的外曲線和非蝕亥幅11的剩餘部分之間。
有利地，當圖案13和15同時被蝕刻時，它們在附加層11中形成整體部分。 在圖10和11中所示的實例中，圖案13和15分別形成i^遊絲21的內樁27的 頂部和第一遊絲23。
在織四步驟103後，顯然，在附加層11中懶啲圖案13和15艦圖案 13的底部以高的粘附度連接到在頂層5中蝕刻的圖案9上，並M過圖案15 的外曲線側面連接到附力瞻ll。
，地，如圖9中虛線所示，方法1可以包括第五步驟104，其包,化至 少圖案15，也就是，雙遊絲的第一遊絲23,由此使得所述第一遊絲具有更高的 機械阻力並且調整其熱彈性係數。該氧化步驟在歐洲專利EP1 422 436中作了 解釋，該專利通過參考併入本文。有利地，根據本發明，在第四步驟103後，或者雌地，在第五步驟104 後，方法1可以包括三個實施例A，B和C，如圖9所示。然而，三個實施例A，B 和C中的每一個都在同一最終步驟106處結束，該步驟106包括從襯底3分離 製造的雙遊絲21。
有利地，分離步驟106可以M^t雙遊絲21施加足夠的力以斷開由材料16 製成的夾板來簡單地實現。該力可以，例如，通 作者手動地產生或者通過 豐幾械加工產生。
根據第一實施例A，在圖5所示的第六步驟105中，例如通過與步驟101 和103中樹以的DRIE處理在矽S^才料的底層7中選擇性地鵬控腔18和20。 這些空腔18和20形成兩個圖案17和19，其限定了雙遊絲21的矽部分的內部 輪廓和外部輪廓。
在圖5所示的實例中，圖案17是具有圓,面的大致圓筒形並且圖案19 是大致的螺旋形。然而，有利地根據方法1，械層7中的嫩l」留出關於圖案 17和19的幾何微完全的自由度。因此，特別地，圖案19可以，例如，具有 更多的圈或者開口外曲線。
iM地，在底層7中製成的圖案17與在頂層5中製成的圖案9具有相似的 微和充分的鉛垂度。也就是說分別形成圖案17， 9和13的內徑的空腔18, 10 和12彼此相通並且大致為一個位於另一個頂部。在圖10和11所示的實例中， 圖案13， 9和17形成雙遊絲21的整體內樁27。
材料16製成的至少第二夾板被形成以在製造中將雙遊絲21保持 在襯底3上。圖5中所示的實例顯示了材料16製成的一個夾板位於圖案19的 外曲線與非嫩l展7的剩餘部分之間。
有利地，當圖案17和19同時蝕刻時，其在廳7中形成整體部分。在圖 10和11所示的實例中，圖案17和19分別形^X遊絲21的內樁27的底部和第 二遊絲25。
在第六步驟105之後，顯然^M 7中蝕刻的圖案17和19以高的粘附度 M圖案17的頂部連接到在頂層5中鵬啲圖案9上，並M31圖案19的外 曲線側面連接到廳7。
從而在上述的最終步驟106之後，第一實施例A製造了完全由矽S^料形 成的,雙遊絲21，如圖10和11所示。由ltkM然不再有任何裝配的問題，因為在雙遊絲21的製造中直,行裝配。雙遊絲21包括M31單個內樁27彼此同 軸連接的第一遊絲23和第二遊絲25。
如上所述，內樁27 M蝕刻連續的相應層11， 5和7由三個連續圖案13， 9和17而形成。由此顯而易見，中間圖案9適於用作第一遊絲23和第二遊絲 25之間的間隔裝置，而且也用作所述遊絲的引導裝置。有利地，根據方法1, 由此可能M^t頂層5的厚度的選擇來直接限定兩個遊絲23和25之間的空間 及其引爭性質。
相〈M也，遊絲23， 25的高度以及，附帶地，該內樁27的頂部和底部13和 17的高度(不必相等)可以通過對附加層11和底層7的厚度的選擇來直接限定。
而且，在方法1的步驟103和105中執行的蝕刻允許關於遊絲23， 25和 內樁27的幾何微的完全的自由度。因此，特別地，齡遊絲23和25可以具 有其自身的圈數、與內樁27相近似的其自身的幾何特點、其自身的繞圈方向以 及其自身的曲線幾何形狀(尤其是關於外部)。作為示例，遊絲23， 25的一個 禾口/或另一個由此可以具有開口外曲線以與指針組件配合或者在外曲線的端部 具有可以用作附接點的凸部。
依據同樣的原因，至少對於底部17、中部9和/或頂部13其中之一，內樁 27可以具有同樣特殊的或者不同的尺寸和/或幾何形狀。當然，根據心軸(內樁 27將安裝在該心軸上)，內徑在內樁27高度的全部或部分上可以具有互補形狀。 對以地，內徑和/救卜徑不必是圓形的，而可以是，例如，橢圓形和/或多邊形。
在圖10和11所示的實例中，遊絲23和25具有同樣的高度，也就是，
同樣厚度的層7和11中蝕刻並且具有同樣的圈數。其外曲線的端部相對於內樁 移動大約180度角。最後，遊絲23和25的線圈具有相反的纏繞方向。並且， 內樁27具有整體均一的高度並且是具有圓形截面的大致圓筒形。
如上所述，由於方法1允許的製造自由度，情況可以不同，也就是旨遊 絲23， 25的外曲線的端部可以相互垂直，這將有利地使單個裝置育^用於將兩 個遊絲23和25插接到內樁上。
還應當注意到，深反應離子t喊啲非常好的結構精度減小了每個遊絲23和 25的起始半徑，也就是內樁27的外徑，這說明內樁27的內徑和外徑可以小型 化。由M然，雙遊絲21肖鏃有利 31其空腔18， 10和12接收心軸，該心 軸的直徑比當前通常製造的心軸的直徑小。27的內徑18禾口/或10禾口/或12。 {頓在 矽內樁27中蝕刻的彈性裝置可以實現緊固。這種彈性裝置可以，例如，具有在 歐洲專利EP1 655 642的圖10A-10E中公開的彈性裝置或者在歐洲專利EP1 584 994的圖l， 3和5中公開的彈性裝置的形式，所述的專利m參考併入本文。
根據第二實施例B，在步驟103或104之後，方法1包括圖6所示的第六步 驟107,包括實施LIGA處理(來自德語"r5ntgenLithogr鄰hie, Galvanoformung & Abf ornrnng ")。該處理包括一系列步驟，其用於使用光致結構 (photostructured)的樹脂將金屬以特定皿電鍍至!J襯底3的底層7上。由於 LIGA處理是公知的，這裡不再更詳細地描述。,地，被沉積的金屬可以是， 例如，金或鎳或這些金屬的合金。
在圖6所示實例中，步驟107可以包括沉積圓筒體29。在圖6所示的實例 中，圓筒體29用於接收心軸，心軸有利地在圓筒體29中被驅動。當然，矽的 一個缺點是其具有非常小的彈性範圍和塑性範圍，使其非常易碎。本發明因此 打算不抵靠矽內樁27來安紫L、軸，例如擺軸，而是將其安裝至贓步驟107中被 電鍍的金屬圓筒體29的內徑28。
有利地，根據方法l， M電鍍得到的圓筒體29允許關於其幾何形伏的完 全的自由度。因此，特別地，內徑28不必是圓形的，而是例如多邊形的，這可 以在與具有匹配皿的心軸的旋轉中改善應力的傳遞。
在第七步驟108中，與圖5所示的步驟105相似，例如通過DRIE方法在矽 St才料的底層7中選擇性地蝕刻空腔。這些空腔允許形成用於第二遊絲和內樁 的圖案，與第一實施例A的圖案19和17相似。
在JlM終步驟106之後，第二實施例B因此偉咄了由矽S^才料形成的整 體雙遊絲，其具有附加的金屬部分29，該第二實施例具有與實施例A同樣的優 點。因此顯然不再有招可裝配問題，因為在雙遊絲的製造中直接執行裝配。最 後，有利地，心軸可以 金屬部分29的內徑28被驅動。因此可以設想空腔 10和12包括比金屬部分29的內徑28更大尺寸的截面，以避免心軸以推入配合 的方式與內樁27接觸。
根據第三實施例C，在步驟103或104之後，方法1包括圖7中顯示的第六 步驟109，包括在矽基材料的底層7中例如ilii DRIE處自擇性蝕刻空腔30 到有限的深度。空腔30形成凹部以用作金屬部分的容器。在如圖7所示的實例中，得到的空腔30可以具有圓盤的形式。然而，有利地根據方法l,對底層7 的蝕刻允許關於空腔30的幾何形狀的完全的自由度。
在第七步驟110中，如圖8所示，方法1包括根據特定的金屬形狀實施用 於填充空腔30的電生長(galvanic growth)或者LIGA處理。皿地，被沉積
的金屬可以是，例如，金或者鎳。
在圖8所示的實例中，步驟110可以包括在空腔30中沉積圓筒體31。圓筒 體31用於接收心軸，心軸有利地在圓筒體31中被驅動。當然，如上所述，本 發明的一個優點在於不是抵靠內樁27的矽S^才料，而是抵靠步驟110中所電鍍 的金屬圓筒體31的內徑32緊固心軸，例如擺軸。
有利地根據方法1 ，由電鍍得到的圓筒體31允許關於其幾何形狀的完全的 自由度。因此，特別地，內徑32不必是圓形，而是，例如，多邊形，這可以在 與具有匹配形狀的心軸的旋轉中改善應力的傳遞。
，也，方法1包括第八步驟111，包括拋光在步驟110中製成的金屬沉積 31以便^^/f述沉積變平。
在第九步驟112中，與圖5中所示的步驟105相似，在矽St才料的底層7 中例如艦DRIEM総擇性嫩控腔。這些空腔形麟二遊絲和內樁的圖案， 與第一實施例A中的圖案19和17相似。
在J^最終步驟106之後，第三實施例C制出了由矽^=才料形成的整體雙 遊絲，其具有與實施例A具有同樣的優點具有附加的金屬部分31。由itkM然 不再有任何裝配問題，因為在雙遊絲的製造中直微行裝配。最後，有利地， 心軸可以， 金屬部分的內徑32被驅動。因此可以，地設想空腔10和12包 括比金屬部分31的內徑32更大尺寸的截面，以避免心軸以推入配合的方式與 內樁27接觸。
根據所述三個實施例A，B和C，應當理解，最終的雙遊絲21在被結構化之 前被裝配，也就是，在被蝕刻和/或艦電鍍而改變之前被裝配。這有利地使當 前裝配兩個遊絲所產生的偏差最小化，從而提高調節部件所依賴的精度。
有利地，根據本發明，顯然在同一襯底3上製造多個雙遊絲21是可能的， 這允辯比量生產。
而且，也可以同樣iM者賴蟲地由附加層11和/或頂層5製造與金屬沉積 29禾口/或31同# 的驅動插入件。還可以設想兩個遊絲23和25被氧化以使得其具有更高的機械阻力並且調整其熱彈性係數。還可以將傳導層沉積到雙遊
絲21的至少一部分上以防止等時性問題。該層可以是歐洲專利EP1 837 722中 公開的類型，該專利通過參考併入本文。最後，類似於步驟111的拋光步驟也 可以在步驟107和步驟108之間被執行，如圖9中虛線所示。
權利要求
1、一種雙遊絲(21)，包括在矽基材料層(11)中製成的同軸安裝在內樁(13，27)上的第一遊絲(23)，其特徵在於內樁(13，27)包括從所述遊絲突出的在矽基材料的第二層(5)中製成的一個延伸部分(9)，所述延伸部分延伸(17)到與第二遊絲(25)同軸的矽基材料的第三層(7)中，從而形成由矽基材料製成的整體雙遊絲(21)。
2、 根據權利要求1所述的雙遊絲，其特徵在於內樁(13， 9， 17， 27)在^h所述層中具有大致相同的截面以便於調整所m遊絲。
3、 根據權禾腰求1所述的雙遊絲，其特徵在於內樁媳(5， 7， 11)的至 少之一上具有實質上不同的截面。
4、 根據前述權利要求中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23， 25) 包括以相同方向纏繞的線圈。
5、 根據權禾頓求1-3中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23， 25)包括以不同方向纏繞的線圈。
6、 根據前述權利要求中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23, 25) 的每一個的外曲線的端部彼此垂直以允許使用單個裝置將所述雙遊絲插接到內 樁上。
7、 根據前述權利要求中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23， 25)具有相同的角剛度。
8、 根據權利要求1-6中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23， 25) 各自具有不同的角剛度。
9、 根據前述權利要求中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23， 25) 中的至少一個具有至少一個二氧化矽基部分以使得所述遊絲具有更大的機械阻 力以及調整所述遊絲的熱彈性係數。
10、 根據前述權利要求中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於遊絲(23， 25) 中的至少一個的內線圈具有Grossmann曲線以改善所述雙遊絲的同心展開。
11、 根據前述權利要求中任一項所述的雙遊絲，其特徵在於內樁(27)具 有用於接收心軸的金屬部分(29， 31),心軸^B/f述金屬部分中被驅動。
12、 一種計時器，其特徵在於包括根據上述^i利要求中任一項所述的雙遊
13、 一種制M遊絲(21)的方法(1)，包括以下步驟a) 提供(100)包括矽基材料的頂層(5)和底層(7)的襯底(3)，b) 在頂層(5)中選擇性蝕刻(101)至少一個空腔(8， 10)以限 定所述雙遊絲的由矽基材料串喊的內樁(27)的第一部分的圖 案(9)，其特徵在於進一步包括以下步驟c) ^=才料的附加層(11)連接(102)到襯底(3)的被 廿 的頂層(5)，d) 在附加層(11)中選擇性嫩lj (103)至少一個空腔(12， 14) 以延續內樁(27)的圖案並且限定所，遊絲的由矽基材料制 成的第一遊絲(23)的圖案(15)，e) 在底層(7)中選擇性蝕刻(105， 108， 112)至少一個空腔(18， 20)以延續內樁(27)的圖案並且限定所述雙遊絲的由矽S^才 料製成的第二遊絲(25)的圖案(19)，以及f) 從襯底(3)分離雙遊絲(21)。
14、 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，在步驟d)之後，進一步包括以下步驟g) 氧化矽S^才料製成的第一遊絲(23)以使得所述遊絲具有更大的機械阻 力並且調整其熱彈性係數。
15、 根據權利要求13或14所述的方法，其特徵在於，在步驟e)之後，進一步包括以下步驟g，)氧化矽S^才料製成的第二遊絲(25)以使得所述遊絲具有更大的機械阻 力並且調整其熱彈性係數。
16、 根據權利要求13-15中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟e)之前，進一步包括以下步驟h) 將至少一個金屬層選擇性沉積(107， 110)到底層(7)上以限定內樁 (27)上的金屬部分(29, 31)的圖案。
17、 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於步驟h)包括以下方面-i) 至少部分地在底層(7)的表面上以連續金屬層的方式^^f述沉積生長(107)，從而形成用於接收心軸的金屬部分(29),心軸在所述金屬部分(29) 中被驅動。
18、 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於步驟h)包括以下方面j)在底層(7)中選擇性 " (109)至少一個空腔(30)以用於接收金屬 部分(31);k)至少部分地在所述至少一個空腔中以連續金屬層的方式使所述沉積生 長(110)，從而形成用於接收心軸的金屬部分(31)，心軸在所j^屬部 分(31)中被驅動。
19、 根據權利要求16-18中任一項所述的方法，其特徵在於步驟h)包括以 下的最後方面1)拋光(111)金屬沉積(29， 31)。
20、 根據權利要求13-19中任一項所述的方法，其特徵在於在同一襯底(3) 上製造多個雙遊絲(21)。
全文摘要
本發明涉及雙遊絲(21)，雙遊絲包括在矽基材料層(11)中製成的同軸安裝在內樁(13，27)上的第一遊絲(23)，內樁(13，27)包括從所述遊絲突出的延伸部分(9)並且所述該延伸部分在矽基材料(5)的第二層中製成。根據本發明，所述延伸部分延伸(17)到與第二遊絲(25)同軸的矽基材料的第三層(7)中以形成矽基材料製成的整體雙遊絲(21)。本發明還涉及包括這種遊絲的計時器及製造這種遊絲的方法。本發明涉及計時器機心領域。
文檔編號G04B17/00GK101539754SQ200910134680
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月19日 優先權日2008年3月20日
發明者J·-B·彼得斯, J·-P·蒂鮑德, M·維拉多, P·-A·巴勒, P·庫辛, T·科努斯 申請人:尼瓦羅克斯-法爾股份公司