CH709730A2 - A method of manufacturing a composite balance spring. - Google Patents
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Abstract
L’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral compensateur composite (31) comportant une première épaisseur (E 1 ) d’un premier matériau et au moins une deuxième épaisseur (E 2 ) d’au moins un deuxième matériau, les variations du module d’Young en fonction de la température du deuxième matériau étant de signe opposé à celles du premier matériau.The invention relates to a method for manufacturing a composite compensating balance spring (31) comprising a first thickness (E 1) of a first material and at least a second thickness (E 2) of at least one second material, the variations of the Young's modulus as a function of the temperature of the second material being of opposite sign to those of the first material.
Description
Domaine de l’inventionField of the invention
[0001] L’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral compensateur composite et notamment un tel spiral destiné à coopérer avec un balancier afin de former un résonateur thermo-compensé, c’est-à-dire dont la fréquence est très peu ou pas sensible aux variations de température. The invention relates to a method of manufacturing a composite balance spring and in particular such a balance spring intended to cooperate with a balance in order to form a thermo-compensated resonator, that is to say whose frequency is very little or not sensitive to temperature variations.
Arrière-plan de l’inventionBackground of the invention
[0002] Le document EP 1 422 436 divulgue un spiral formé en silicium et recouvert de dioxyde de silicium afin de rendre le coefficient thermique sensiblement nul autour des températures de procédure COSC, c’est-à-dire entre +8 et +38 °C. L’oxyde de silicium est généralement obtenu par oxydation de l’âme en silicium ce qui rend possible la fabrication industrielle des spiraux compensateurs. [0002] Document EP 1 422 436 discloses a hairspring formed from silicon and coated with silicon dioxide in order to make the thermal coefficient substantially zero around the COSC procedure temperatures, that is to say between +8 and +38 ° vs. Silicon oxide is generally obtained by oxidation of the silicon core which makes the industrial manufacture of balance springs possible.
[0003] Toutefois, d’autres couples de matériaux sont envisageables mais sont plus difficiles à solidariser et donc à produire. [0003] However, other pairs of materials can be considered but are more difficult to join together and therefore to produce.
Résumé de l’inventionSummary of the invention
[0004] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un procédé alternatif de fabrication de spiraux compensateurs composites qui permette une plus grande possibilité de matériaux qu’uniquement du silicium avec du dioxyde de silicium. [0004] The aim of the present invention is to alleviate all or part of the drawbacks mentioned above by providing an alternative method of manufacturing composite balance springs which allows a greater possibility of materials than just silicon with silicon dioxide.
[0005] A cet effet, selon un premier mode de réalisation, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral compensateur composite comportant les étapes suivantes: a) se munir d’une première plaquette en un premier matériau; b) se munir d’au moins une deuxième plaquette en au moins un deuxième matériau dont les variations du module d’Young en fonction de la température sont de signe opposé à celles du premier matériau; c) solidariser la première plaquette à ladite au moins une deuxième plaquette afin de former un substrat; d) graver dans le substrat un motif traversant afin de former un spiral compensateur composite comportant une première épaisseur dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur dudit au moins deuxième matériau; e) libérer du substrat le spiral compensateur composite.[0005] To this end, according to a first embodiment, the invention relates to a method for manufacturing a composite balance spring comprising the following steps: a) providing a first plate made of a first material; b) provide at least a second wafer made of at least one second material whose variations in Young's modulus as a function of temperature are of opposite sign to those of the first material; c) securing the first wafer to said at least one second wafer in order to form a substrate; d) etching in the substrate a through pattern in order to form a composite balance spring comprising a first thickness of said first material and at least a second thickness of said at least second material; e) releasing the composite balance spring from the substrate.
[0006] De plus, selon un deuxième mode de réalisation, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral compensateur composite comportant les étapes suivantes: a) se munir d’une première plaquette en un premier matériau; b) se munir d’au moins une deuxième plaquette en au moins un deuxième matériau dont les variations du module d’Young en fonction de la température sont de signe opposé à celles du premier matériau; d’) graver des motifs traversants identiques dans chacune des plaquettes; c’) solidariser la première plaquette à ladite au moins une deuxième plaquette pour réaliser un substrat et, par superposition desdits même motifs, former un spiral compensateur composite comportant une première épaisseur dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur dudit au moins deuxième matériau; e) libérer du substrat le spiral compensateur composite.[0006] In addition, according to a second embodiment, the invention relates to a method of manufacturing a composite balance spring comprising the following steps: a) providing a first pad made of a first material; b) provide at least a second wafer made of at least one second material whose variations in Young's modulus as a function of temperature are of opposite sign to those of the first material; d ’) engraving identical through patterns in each of the plates; c ’) securing the first wafer to said at least one second wafer to produce a substrate and, by superimposing said same patterns, forming a composite balance spring comprising a first thickness of said first material and at least a second thickness of said at least second material; e) releasing the composite balance spring from the substrate.
[0007] Enfin, selon un troisième mode de réalisation, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral compensateur composite comportant les étapes suivantes: a) se munir d’une première plaquette en un premier matériau; b) se munir d’au moins une deuxième plaquette en au moins un deuxième matériau dont les variations du module d’Young en fonction de la température sont de signe opposé à celles du premier matériau; f) graver des motifs identiques dans chacune des plaquettes sur une partie seulement de l’épaisseur; g) solidariser la première plaquette à ladite au moins une deuxième plaquette pour réaliser un substrat par superposition desdits même motifs; f ́) graver lesdits motifs identiques dans le reste du substrat afin de former un spiral compensateur composite comportant une première épaisseur dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur dudit au moins deuxième matériau; e) libérer du substrat le spiral compensateur composite.[0007] Finally, according to a third embodiment, the invention relates to a method for manufacturing a composite balance spring comprising the following steps: a) providing a first plate made of a first material; b) provide at least a second wafer made of at least one second material whose variations in Young's modulus as a function of temperature are of opposite sign to those of the first material; f) engrave identical patterns in each of the plates over only part of the thickness; g) securing the first wafer to said at least one second wafer to produce a substrate by superimposing said same patterns; f ́) etching said identical patterns in the rest of the substrate in order to form a composite balance spring comprising a first thickness of said first material and at least a second thickness of said at least second material; e) releasing the composite balance spring from the substrate.
[0008] Avantageusement selon l’invention, une grande variété de matériaux peut donc être utilisée pour former des spiraux compensateurs composites de manière industrielle. Suivant les matériaux utilisés, au moins un des trois modes de réalisation est utilisable pour fabriquer un spiral compensateur composite comportant une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. [0008] Advantageously according to the invention, a wide variety of materials can therefore be used to form composite balance springs industrially. Depending on the materials used, at least one of the three embodiments can be used to manufacture a composite balance spring comprising a first thickness E1dudit first material and at least a second thickness E2dudit at least second material.
[0009] Conformément à d’autres variantes avantageuses de l’invention: le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est formé à base de silicium et comporte du silicium monocristallin, du silicium monocristallin dopé, du silicium polycristallin, du silicium polycristallin dopé, du silicium poreux, de l’oxyde de silicium, du quartz, de la silice, du nitrure de silicium ou du carbure de silicium; le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est formé à base de céramique et comporte du verre photostructurable, du borosilicate, de l’aluminosilicate, du verre de quartz, du zérodur, du corindon monocristallin, du corindon polycristallin, de l’alumine, de l’oxyde d’aluminium, du nitrure d’aluminium, du rubis monocristallin, du rubis polycristallin, de l’oxyde de zirconium, de l’oxyde de titane, du nitrure de titane, du carbure de titane, du nitrure de tungstène, du carbure de tungstène, du nitrure de bore ou du carbure de bore; le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est formé à base de métal et comporte un alliage de fer, un alliage de cuivre, du nickel ou un de ses alliages, du titane ou un de ses alliages, de l’or ou un de ses alliages, de l’argent ou un de ses alliages, du platine ou un de ses alliages, du ruthénium ou un de ses alliages, du rhodium ou un de ses alliages ou du palladium ou un de ses alliages; plusieurs spiraux compensateurs composites sont réalisés sur le même substrat.[0009] According to other advantageous variants of the invention: the first material and / or said at least one second material is formed based on silicon and comprises monocrystalline silicon, doped monocrystalline silicon, polysilicon, doped polysilicon, porous silicon, silicon oxide, quartz, silica, silicon nitride or silicon carbide; the first material and / or said at least one second material is formed from a ceramic base and comprises photostructurable glass, borosilicate, aluminosilicate, quartz glass, zerodur, monocrystalline corundum, polycrystalline corundum, l alumina, aluminum oxide, aluminum nitride, monocrystalline ruby, polycrystalline ruby, zirconium oxide, titanium oxide, titanium nitride, titanium carbide, tungsten nitride, tungsten carbide, boron nitride or boron carbide; the first material and / or said at least one second material is formed on the basis of metal and comprises an iron alloy, a copper alloy, nickel or one of its alloys, titanium or one of its alloys, gold or one of its alloys, silver or one of its alloys, platinum or one of its alloys, ruthenium or one of its alloys, rhodium or one of its alloys or palladium or one of its alloys; several composite balance springs are made on the same substrate.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
[0010] D’autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: les fig. 1 à 3 sont des vues d’étapes d’un premier mode de réalisation de l’invention en utilisant deux plaquettes; les fig. 4 à 6 sont des vues d’étapes d’un deuxième mode de réalisation de l’invention en utilisant deux plaquettes; les fig. 7 à 10 sont des vues d’étapes d’un troisième mode de réalisation de l’invention en utilisant deux plaquettes; la fig. 11 est une vue en perspective d’un spiral compensateur composite selon l’un des trois modes de réalisation de l’invention en utilisant deux plaquettes; les fig. 12 et 13 sont des vues d’étapes d’une alternative du premier mode de réalisation de l’invention en utilisant plus de deux plaquettes; les fig. 14 à 17 sont des vues d’étapes d’une alternative des deuxième et troisième modes de réalisation de l’invention en utilisant plus de deux plaquettes; la fig. 18 est une vue en perspective d’un spiral compensateur composite d’une alternative d’un des trois modes de réalisation de l’invention en utilisant plus de deux plaquettes.Other features and advantages will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: FIGS. 1 to 3 are step views of a first embodiment of the invention using two wafers; figs. 4 to 6 are step views of a second embodiment of the invention using two pads; figs. 7-10 are step views of a third embodiment of the invention using two pads; fig. 11 is a perspective view of a composite balance spring according to one of the three embodiments of the invention using two pads; figs. 12 and 13 are step views of an alternative of the first embodiment of the invention using more than two wafers; figs. 14 to 17 are step views of an alternative of the second and third embodiments of the invention using more than two wafers; fig. 18 is a perspective view of a composite balance spring of an alternative to one of the three embodiments of the invention using more than two pads.
Description détaillée des modes de réalisation préférésDetailed description of the preferred embodiments
[0011] Comme expliqué ci-dessus, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral compensateur composite destiné à former un résonateur thermo-compensé du type balancier-spiral. [0011] As explained above, the invention relates to a method of manufacturing a composite balance spring intended to form a thermo-compensated resonator of the balance-spring type.
[0012] A titre de définition, la variation relative de la fréquence d’un résonateur suit la relation suivante: = A + α · (T – T0) + β · (T – T0)<2>+ y · (T – T0)<3> où: – est la variation relative de fréquence (ppm ou 10<–><6>); – A une constante qui dépend du point de référence (ppm); – T0la température de référence (°C); – α le coefficient thermique du premier ordre (ppm. °C<–><1>); – β le coefficient thermique du deuxième ordre (ppm. °C<–><2>); – γ le coefficient thermique du troisième ordre (ppm. °C<–><3>). By way of definition, the relative variation of the frequency of a resonator follows the following relationship: = A + α · (T - T0) + β · (T - T0) <2> + y · (T - T0) <3> or: - is the relative variation in frequency (ppm or 10 <–> <6>); - At a constant which depends on the reference point (ppm); - T0 the reference temperature (° C); - α the first order thermal coefficient (ppm. ° C <–> <1>); - β the second order thermal coefficient (ppm. ° C <–> <2>); - γ the third order thermal coefficient (ppm. ° C <–> <3>).
[0013] De plus, le coefficient thermoélastique (CTE) représente la variation relative du module d’Young en fonction de la température. Le coefficient thermique, c’est-à-dire la variation relative de la fréquence du résonateur en fonction de la température, dépend du coefficient thermoélastique du corps du résonateur et des coefficients de dilatation du corps. De plus, le coefficient thermique prend également en compte les coefficients propres au balancier (formant un volant d’inertie) pour un résonateur balancier-spiral. Les oscillations de tout résonateur destiné à une base de temps ou de fréquence devant être entretenues, le coefficient thermique comprend également une contribution éventuelle du système d’entretien tel qu’un système d’échappement. [0013] In addition, the thermoelastic coefficient (CTE) represents the relative variation of the Young's modulus as a function of temperature. The thermal coefficient, that is, the relative variation in the frequency of the resonator as a function of temperature, depends on the thermoelastic coefficient of the resonator body and on the expansion coefficients of the body. In addition, the thermal coefficient also takes into account the coefficients specific to the balance (forming a flywheel) for a sprung balance resonator. Since the oscillations of any resonator intended for a time or frequency base must be maintained, the thermal coefficient also includes a possible contribution from the maintenance system such as an exhaust system.
[0014] Le paramètre le plus important est donc le coefficient thermoélastique (CTE) qu’il ne faut pas confondre avec l’abréviation anglaise CTE pour «Constant of Thermal Expansion» qui concerne le coefficient de dilatation. [0014] The most important parameter is therefore the thermoelastic coefficient (CTE) which should not be confused with the English abbreviation CTE for "Constant of Thermal Expansion" which relates to the coefficient of expansion.
[0015] L’invention a pour but de pouvoir fabriquer une grande variété de spiraux compensateurs composites comportant au moins deux matériaux solidarisés dont les variations du module d’Young en fonction de la température (CTE) sont de signe opposé. [0015] The aim of the invention is to be able to manufacture a wide variety of composite balance springs comprising at least two integral materials whose variations in Young's modulus as a function of temperature (CTE) are of opposite sign.
[0016] De plus, lesdits au moins deux matériaux peuvent également comporter, de manière optionnelle, un matériau intermédiaire destiné à favoriser la solidarisation entre deux matériaux difficiles à attacher. Ainsi, suivant la technique de solidarisation choisie, ce matériau intermédiaire peut être assimilé à une brasure destinée à attacher deux matériaux par adhérence conjointe sur le matériau intermédiaire, ou former une couche destinée à induire un échauffement suffisamment intense pour générer la fusion des deux matériaux. Bien entendu, en cas d’utilisation d’un tel matériau optionnel intermédiaire, ce dernier doit être également pris en compte pour la compensation globale du coefficient thermique de l’oscillateur. [0016] In addition, said at least two materials may also optionally include an intermediate material intended to promote the connection between two materials that are difficult to attach. Thus, depending on the joining technique chosen, this intermediate material can be likened to a solder intended to attach two materials by joint adhesion to the intermediate material, or to form a layer intended to induce sufficiently intense heating to generate the fusion of the two materials. Of course, when using such an optional intermediate material, the latter must also be taken into account for the overall compensation of the thermal coefficient of the oscillator.
[0017] Selon un premier mode de réalisation de l’invention illustré aux fig. 1 à 3 , le procédé de fabrication comporte une première étape a) destinée à se munir d’une première plaquette 1 en un premier matériau. Une deuxième étape b) est destinée à se munir d’au moins une deuxième plaquette 3 en au moins un deuxième matériau dont les variations du module d’Young en fonction de la température (CTE) sont de signe opposé à celles (CTE) du premier matériau. [0017] According to a first embodiment of the invention illustrated in FIGS. 1 to 3, the manufacturing process comprises a first step a) intended to provide a first plate 1 made of a first material. A second step b) is intended to be provided with at least a second wafer 3 made of at least one second material whose variations in Young's modulus as a function of temperature (CTE) are of opposite sign to those (CTE) of first material.
[0018] Comme visible à la fig. 2 , une troisième étape c) est destinée à solidariser la première plaquette 1 à ladite au moins une deuxième plaquette 3 afin de former un substrat 2. Suivant les matériaux utilisés, plusieurs solidarisations sont possibles. A titre nullement limitatif, on peut citer le soudage direct des surfaces par rayonnement électromagnétique au moyen d’un laser comme, par exemple, expliqué dans le document EP 1 436 830 incorporé par référence dans la présente description. Il est également parfaitement envisageable de recourir à une solidarisation par champ électrique (anodic bonding), une solidarisation par fusion (fusion bonding), une solidarisation par thermocompression (thermocompression bonding), une solidarisation par refusion (reflow bonding), une solidarisation eutectique (eutectic bonding), une solidarisation par ondes vibratoires (ultrasonic bonding) ou une solidarisation combinant chauffage, ondes vibratoires et compression (thermosonic bonding). As visible in FIG. 2, a third step c) is intended to secure the first wafer 1 to said at least one second wafer 3 in order to form a substrate 2. Depending on the materials used, several connections are possible. By way of non-limiting example, mention may be made of the direct welding of surfaces by electromagnetic radiation using a laser as, for example, explained in document EP 1 436 830 incorporated by reference in the present description. It is also perfectly conceivable to use an electric field bonding (anodic bonding), a fusion bonding (fusion bonding), a thermocompression bonding (thermocompression bonding), a reflow bonding, a eutectic bonding (eutectic) bonding), a bonding by vibratory waves (ultrasonic bonding) or a bonding combining heating, vibratory waves and compression (thermosonic bonding).
[0019] Le procédé selon le premier mode de réalisation se poursuit avec une quatrième étape d) destinée à graver dans le substrat un motif 4 traversant afin de former un spiral compensateur composite 31 comportant une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. Suivant les matériaux utilisés, plusieurs gravages sont possibles. A titre nullement limitatif, on peut citer un gravage sec comme un gravage ionique réactif profond (DRIE), un gravage laser ou un gravage par plasma. Il est également parfaitement envisageable de recourir à un gravage humide comme un gravage chimique. Enfin, une photostructuration mêlant une photolithographie d’une résine suivie d’un gravage sec ou humide peut également être réalisée. The method according to the first embodiment continues with a fourth step d) intended to etch in the substrate a through pattern 4 in order to form a composite balance spring 31 comprising a first thickness E1dudit first material and at least a second thickness E2dudits at least second material. Depending on the materials used, several engravings are possible. In no way limiting, there may be mentioned dry etching such as deep reactive ion etching (DRIE), laser etching or plasma etching. It is also perfectly conceivable to use wet etching such as chemical etching. Finally, a photostructuring combining a photolithography of a resin followed by dry or wet etching can also be carried out.
[0020] Enfin, le procédé comporte une étape finale e) destinée à libérer du substrat 2 le spiral compensateur composite 31. Avantageusement selon l’invention, une grande variété de matériaux peut donc être utilisée pour former des spiraux compensateurs composites de manière industrielle. Comme illustré à la fig. 11 , le spiral compensateur composite 31 comporte une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. Finally, the method includes a final step e) intended to release the composite balance spring 31 from the substrate 2. Advantageously according to the invention, a wide variety of materials can therefore be used to form composite balance springs in an industrial manner. As shown in fig. 11, the composite balance spring 31 comprises a first thickness E1dudit first material and at least a second thickness E2dudit at least second material.
[0021] Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention illustré aux fig. 4 à 6 , le procédé de fabrication comporte une première étape a) destinée à se munir d’une première plaquette 11 en un premier matériau. Une deuxième étape b) est destinée à se munir d’au moins une deuxième plaquette 13 en au moins un deuxième matériau dont les variations du module d’Young en fonction de la température (CTE) sont de signe opposé à celles (CTE) du premier matériau. [0021] According to a second embodiment of the invention illustrated in FIGS. 4 to 6, the manufacturing process comprises a first step a) intended to provide a first plate 11 made of a first material. A second step b) is intended to be provided with at least a second wafer 13 made of at least one second material whose variations in Young's modulus as a function of temperature (CTE) are of opposite sign to those (CTE) of first material.
[0022] Comme visible aux fig. 4 et 5 , une troisième étape d’) est destinée à graver des motifs traversants identiques 14, 16, dans chacune des plaquettes 11, 13. Suivant les matériaux utilisés, plusieurs gravages sont possibles. A titre nullement limitatif, on peut citer un gravage sec comme un gravage ionique réactif profond (DRIE), un gravage laser ou un gravage par plasma. Il est également parfaitement envisageable de recourir à un gravage humide comme un gravage chimique. Enfin, une photostructuration mêlant une photolithographie d’une résine suivie d’un gravage sec ou humide peut également être réalisée. As visible in FIGS. 4 and 5, a third step of ’) is intended to engrave identical through patterns 14, 16, in each of the plates 11, 13. Depending on the materials used, several engravings are possible. In no way limiting, there may be mentioned a dry etching such as a deep reactive ionic etching (DRIE), a laser etching or a plasma etching. It is also perfectly conceivable to use wet etching such as chemical etching. Finally, photostructuring combining a photolithography of a resin followed by dry or wet etching can also be carried out.
[0023] Le procédé selon le deuxième mode de réalisation se poursuit avec une quatrième étape c ́) destinée à solidariser la première plaquette 11 à ladite au moins une deuxième plaquette 13 pour réaliser un substrat 12 et, par superposition desdits même motifs 14, 16, former un spiral composite 31 comportant une première épaisseur Et dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. The method according to the second embodiment continues with a fourth step c ́) intended to secure the first wafer 11 to said at least one second wafer 13 to produce a substrate 12 and, by superposition of said same patterns 14, 16 , forming a composite hairspring 31 comprising a first thickness Et of said first material and at least a second thickness E2dudit at least second material.
[0024] Suivant les matériaux utilisés, plusieurs solidarisations sont possibles. A titre nullement limitatif, on peut citer le soudage direct des surfaces par rayonnement électromagnétique au moyen d’un laser comme, par exemple, expliqué dans le document EP 1 436 830 incorporé par référence dans la présente description. Il est également parfaitement envisageable de recourir à une solidarisation par champ électrique (anodic bonding), une solidarisation par fusion (fusion bonding), une solidarisation par thermocompression (thermocompression bonding), une solidarisation par refusion (reflow bonding), une solidarisation eutectique (eutectic bonding), une solidarisation par ondes vibratoires (ultrasonic bonding) ou une solidarisation combinant chauffage, ondes vibratoires et compression (thermosonic bonding). [0024] Depending on the materials used, several connections are possible. By way of non-limiting example, mention may be made of the direct welding of surfaces by electromagnetic radiation using a laser as, for example, explained in document EP 1 436 830 incorporated by reference in the present description. It is also perfectly conceivable to use an electric field bonding (anodic bonding), a fusion bonding (fusion bonding), a thermocompression bonding (thermocompression bonding), a reflow bonding, a eutectic bonding (eutectic) bonding), a bonding by vibratory waves (ultrasonic bonding) or a bonding combining heating, vibratory waves and compression (thermosonic bonding).
[0025] Enfin, le procédé comporte une étape finale e) destinée à libérer du substrat 12 le spiral compensateur composite 31. Avantageusement selon l’invention, une grande variété de matériaux peut donc être utilisée pour former des spiraux compensateurs composites de manière industrielle. Comme illustré à la fig. 11 , le spiral compensateur composite 31 comporte une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. Finally, the method includes a final step e) intended to release the composite balance spring 31 from the substrate 12. Advantageously according to the invention, a wide variety of materials can therefore be used to form composite balance springs on an industrial scale. As shown in fig. 11, the composite balance spring 31 comprises a first thickness E1dudit first material and at least a second thickness E2dudit at least second material.
[0026] Selon un troisième mode de réalisation de l’invention illustré aux fig. 7 à 10 , le procédé de fabrication comporte une première étape a) destinée à se munir d’une première plaquette 21 en un premier matériau. Une deuxième étape b) est destinée à se munir d’au moins une deuxième plaquette 23 en au moins un deuxième matériau dont les variations du module d’Young en fonction de la température (CTE) sont de signe opposé à celles (CTE) du premier matériau. According to a third embodiment of the invention illustrated in FIGS. 7 to 10, the manufacturing process comprises a first step a) intended to provide a first plate 21 made of a first material. A second step b) is intended to be provided with at least a second wafer 23 made of at least one second material whose variations in Young's modulus as a function of temperature (CTE) are of opposite sign to those (CTE) of first material.
[0027] Comme visible aux fig. 7 et 8 , une troisième étape f) est destinée à graver des motifs identiques 24, 26 dans chacune des plaquettes 21, 23 sur une partie seulement de l’épaisseur de chaque plaquette 21, 23. A titre nullement limitatif, on peut citer un gravage sec comme un gravage ionique réactif profond (DRIE), un gravage laser ou un gravage par plasma. Il est également parfaitement envisageable de recourir à un gravage humide comme un gravage chimique. Enfin, une photostructuration mêlant une photolithographie d’une résine suivie d’un gravage sec ou humide peut également être réalisée. As visible in FIGS. 7 and 8, a third step f) is intended to engrave identical patterns 24, 26 in each of the plates 21, 23 over only a part of the thickness of each plate 21, 23. In no way limiting, there may be mentioned a dry etching such as deep reactive ion etching (DRIE), laser etching or plasma etching. It is also perfectly conceivable to use wet etching such as chemical etching. Finally, photostructuring combining a photolithography of a resin followed by dry or wet etching can also be carried out.
[0028] Le procédé selon le troisième mode de réalisation se poursuit avec une quatrième étape g) destinée à solidariser la première plaquette 21 à ladite au moins une deuxième plaquette 23 pour réaliser un substrat 22 par superposition desdits même motifs comme visible à la fig. 9 . Suivant les matériaux utilisés, plusieurs solidarisations sont possibles. A titre nullement limitatif, on peut citer le soudage direct des surfaces par rayonnement électromagnétique au moyen d’un laser comme, par exemple, expliqué dans le document EP 1 436 830 incorporé par référence dans la présente description. Il est également parfaitement envisageable de recourir à une solidarisation par champ électrique (anodic bonding), une solidarisation par fusion (fusion bonding), une solidarisation par thermocompression (thermocompression bonding), une solidarisation par refusion (reflow bonding), une solidarisation eutectique (eutectic bonding), une solidarisation par ondes vibratoires (ultrasonic bonding) ou une solidarisation combinant chauffage, ondes vibratoires et compression (thermosonic bonding). The method according to the third embodiment continues with a fourth step g) intended to secure the first wafer 21 to said at least one second wafer 23 to produce a substrate 22 by superimposing said same patterns as visible in FIG. 9. Depending on the materials used, several connections are possible. By way of non-limiting example, mention may be made of the direct welding of surfaces by electromagnetic radiation using a laser as, for example, explained in document EP 1 436 830 incorporated by reference in the present description. It is also perfectly conceivable to use an electric field bonding (anodic bonding), a fusion bonding (fusion bonding), a thermocompression bonding (thermocompression bonding), a reflow bonding, a eutectic bonding (eutectic) bonding), a bonding by vibratory waves (ultrasonic bonding) or a bonding combining heating, vibratory waves and compression (thermosonic bonding).
[0029] Le procédé selon le troisième mode de réalisation continue avec une cinquième étape f ́) destinée à graver lesdits motifs identiques 24, 26 dans le reste du substrat 22 afin de former un spiral compensateur composite 31 comportant une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. L’étape f ́ d ́) peut être réalisé avec les mêmes techniques citées pour l’étape f) ci-dessus. The method according to the third embodiment continues with a fifth step f ') intended to etch said identical patterns 24, 26 in the rest of the substrate 22 in order to form a composite balance spring 31 comprising a first thickness E1dudit first material and at least one second thickness E2dudit at least second material. Step f ́ d) can be carried out with the same techniques mentioned for step f) above.
[0030] Enfin, le procédé comporte une étape finale e) destinée à libérer du substrat 22 le spiral compensateur composite 31. Avantageusement selon l’invention, une grande variété de matériaux peut donc être utilisée pour former des spiraux compensateurs composites de manière industrielle. Ce troisième mode de réalisation peut être particulièrement utile lorsque les valeurs de dilatation entre les deux corps rendent habituellement difficile leur assemblage. Comme illustré à la fig. 11 , le spiral compensateur composite 31 comporte une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. Finally, the method comprises a final step e) intended to release the composite balance spring 31 from the substrate 22. Advantageously according to the invention, a wide variety of materials can therefore be used to form composite balance springs in an industrial manner. This third embodiment can be particularly useful when the expansion values between the two bodies usually make them difficult to assemble. As shown in fig. 11, the composite balance spring 31 comprises a first thickness E1dudit first material and at least a second thickness E2dudit at least second material.
[0031] Avantageusement selon l’invention, suivant les matériaux utilisés, au moins un des trois modes de réalisation est utilisable pour fabriquer un spiral compensateur composite 31 comportant une première épaisseur E1dudit premier matériau et au moins une deuxième épaisseur E2dudit au moins deuxième matériau. On comprend également que plusieurs spiraux compensateurs composites 31 peuvent être réalisés sur le même substrat 2, 12, 22, chaque spiral compensateur composite pouvant être réalisé selon le même motif 4, 14, 16, 24, 26 ou selon des motifs distincts. Advantageously according to the invention, depending on the materials used, at least one of the three embodiments can be used to manufacture a composite balance spring 31 comprising a first thickness E1dudit first material and at least a second thickness E2dudit at least second material. It is also understood that several composite balance springs 31 can be made on the same substrate 2, 12, 22, each composite balance spring can be made in the same pattern 4, 14, 16, 24, 26 or in separate patterns.
[0032] Préférentiellement selon l’invention, le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est formé à base de silicium ou à base de céramique. Ainsi, quand le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est à base de silicium, il(s) comporte(nt), de manière préférée, du silicium monocristallin, du silicium monocristallin dopé, du silicium polycristallin, du silicium polycristallin dopé, du silicium poreux, de l’oxyde de silicium, du quartz, de la silice, du nitrure de silicium ou du carbure de silicium. [0032] Preferably according to the invention, the first material and / or said at least one second material is formed based on silicon or based on ceramic. Thus, when the first material and / or said at least one second material is based on silicon, it (these) preferably comprises (s) monocrystalline silicon, doped monocrystalline silicon, polysilicon, polysilicon doped, porous silicon, silicon oxide, quartz, silica, silicon nitride or silicon carbide.
[0033] Alors que, quand le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est à base de céramique, il(s) comporte(nt), de manière préférée, du verre photostructurable, du borosilicate, de l’aluminosilicate, du verre de quartz, du zérodur, du corindon monocristallin, du corindon polycristallin, de l’alumine, de l’oxyde d’aluminium, du nitrure d’aluminium, du rubis monocristallin, du rubis polycristallin, de l’oxyde de zirconium, de l’oxyde de titane, du nitrure de titane, du carbure de titane, du nitrure de tungstène, du carbure de tungstène, du nitrure de bore ou du carbure de bore. While, when the first material and / or said at least one second material is ceramic-based, it (these) preferably comprises photostructurable glass, borosilicate, aluminosilicate, quartz glass, zerodur, monocrystalline corundum, polycrystalline corundum, alumina, aluminum oxide, aluminum nitride, monocrystalline ruby, polycrystalline ruby, zirconium oxide, titanium oxide, titanium nitride, titanium carbide, tungsten nitride, tungsten carbide, boron nitride or boron carbide.
[0034] Enfin, quand le premier matériau et/ou ledit au moins un deuxième matériau est à base de métal, il(s) comporte(nt), de manière préférée, un alliage de fer comme de l’acier 15P, 20AP ou 316L, un alliage de cuivre comme du laiton, un alliage de nickel comme du maillechort, du titane ou un de ses alliages, de l’or ou un de ses alliages, de l’argent ou un de ses alliages, du platine ou un de ses alliages, du ruthénium ou un de ses alliages, du rhodium ou un de ses alliages ou du palladium ou un de ses alliages. Finally, when the first material and / or said at least one second material is metal-based, it (s) preferably comprise (s) an iron alloy such as 15P, 20AP or steel. 316L, a copper alloy such as brass, a nickel alloy such as nickel silver, titanium or one of its alloys, gold or one of its alloys, silver or one of its alloys, platinum or a of its alloys, ruthenium or one of its alloys, rhodium or one of its alloys or palladium or one of its alloys.
[0035] Selon une alternative du premier mode de réalisation illustrée aux fig. 12 et 13 , l’étape b) peut consister à former plusieurs deuxièmes plaquettes 3, 3 ́ formé à partir du même matériau ou de plusieurs matériaux différents. Les fig. illustrent deux plaquettes toutefois, un plus grand nombre de deuxièmes plaquettes peut être prévu. [0035] According to an alternative of the first embodiment illustrated in FIGS. 12 and 13, step b) can consist of forming several second plates 3, 3 ́ formed from the same material or from several different materials. Figs. show two wafers however, a larger number of second wafers can be provided.
[0036] Dans cette alternative du premier mode de réalisation, on comprend donc qu’on obtient lors de l’étape c) un substrat 2 ́ avec trois plaquettes 3, 1, 3 ́ solidarisées comme illustré à la fig. 12 . Comme visible à la fig. 13 , l’étape d) de gravage permet alors de former un spiral compensateur composite 41 comportant une première épaisseur E1dudit premier matériau et deux deuxièmes épaisseurs E2, E ́2formées à partir du même matériau ou de plusieurs matériaux différents. Un tel spiral compensateur composite 41 est représenté à la fig. 18 . In this alternative of the first embodiment, it is therefore understood that one obtains during step c) a substrate 2 'with three plates 3, 1, 3' secured as illustrated in FIG. 12. As visible in fig. 13, etching step d) then makes it possible to form a composite balance spring 41 comprising a first thickness E1dudit first material and two second thicknesses E2, E ́2 formed from the same material or from several different materials. Such a composite balance spring 41 is shown in FIG. 18.
[0037] Selon une alternative des deuxième et troisième modes de réalisation illustrée aux fig. 14 à 17 , l’étape b) peut consister à former plusieurs deuxièmes plaquettes 13, 13 ́, 23, 23 ́ formé à partir du même matériau ou de plusieurs matériaux différents. Les figures illustrent deux plaquettes toutefois, un plus grand nombre de deuxièmes plaquettes peut être prévu. [0037] According to an alternative of the second and third embodiments illustrated in FIGS. 14 to 17, step b) can consist of forming several second plates 13, 13 ́, 23, 23 ́ formed from the same material or from several different materials. The figures show two wafers however, a larger number of second wafers can be provided.
[0038] Dans cette alternative des deuxième et troisième modes de réalisation, on comprend donc qu’on obtient lors de l’étape c ́) ou g) un substrat 12 ́, 22 ́ avec trois plaquettes 13, 11, 13 ́, 23, 21, 23 ́, solidarisées. Comme visible à la fig. 13 , l’étape d ́), f) ou f ́) de gravage permet alors de former un spiral compensateur composite 41 comportant une première épaisseur E1dudit premier matériau et deux deuxièmes épaisseurs E2i E ́2formées à partir du même matériau ou de plusieurs matériaux différents. Un tel spiral compensateur composite 41 est représenté à la fig. 18 . In this alternative of the second and third embodiments, it is therefore understood that one obtains during step c ́) or g) a substrate 12 ́, 22 ́ with three plates 13, 11, 13 ́, 23 , 21, 23 ́, joined together. As visible in fig. 13, the etching step d ́), f) or f ́) then makes it possible to form a composite balance spring 41 comprising a first thickness E1 of said first material and two second thicknesses E2i E ́2 formed from the same material or from several different materials . Such a composite balance spring 41 is shown in FIG. 18.
[0039] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l’exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l’homme de l’art. En particulier, d’autres applications pour un résonateur sont réalisables pour un homme du métier sans difficultés excessives à partir de l’enseignement ci-dessus. A titre d’exemple, un diapason ou plus généralement un résonateur du type MEMS (abréviation provenant des termes anglais «Micro Electro-Mechanical System») pourraient être formés à la place d’un spiral compensateur composite. [0039] Of course, the present invention is not limited to the example illustrated but is susceptible of various variations and modifications which will be apparent to those skilled in the art. In particular, other applications for a resonator are feasible for a person skilled in the art without undue difficulty from the above teaching. For example, a tuning fork or more generally a resonator of the MEMS type (abbreviation from the English terms "Micro Electro-Mechanical System") could be formed in place of a composite balance spring.
[0040] Il est également envisageable de recourir à des méthodes de solidarisation alternatives telles que le collage ou le brasage, et/ou des méthodes de gravage alternatives telles que l’usinage mécanique, la découpe par jet d’eau ou une découpe combinant le jet d’eau et le laser. It is also conceivable to use alternative joining methods such as bonding or brazing, and / or alternative engraving methods such as mechanical machining, water jet cutting or cutting combining the water jet and laser.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH00850/14A CH709730A2 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | A method of manufacturing a composite balance spring. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH00850/14A CH709730A2 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | A method of manufacturing a composite balance spring. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH709730A2 true CH709730A2 (en) | 2015-12-15 |
Family
ID=54782970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH00850/14A CH709730A2 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | A method of manufacturing a composite balance spring. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH709730A2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11420866B2 (en) * | 2020-03-23 | 2022-08-23 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Composite spring structure to reinforce mechanical robustness of a MEMS device |
-
2014
- 2014-06-03 CH CH00850/14A patent/CH709730A2/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11420866B2 (en) * | 2020-03-23 | 2022-08-23 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Composite spring structure to reinforce mechanical robustness of a MEMS device |
| US11993510B2 (en) | 2020-03-23 | 2024-05-28 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Composite spring structure to reinforce mechanical robustness of a MEMS device |
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