CH716696A2

CH716696A2 - Manufacturing process for watch balance springs.

Info

Publication number: CH716696A2
Application number: CH01314/19A
Authority: CH
Inventors: Glassey Marc-André; Tille Nicolas
Original assignee: Sigatec Sa
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-04-15
Also published as: CH716696B1

Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de spiraux horlogers d'une longueur L, d'une hauteur h prédéterminées et d'une raideur C recherchée, comprenant les étapes : a. Déterminér (12) le module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle les spiraux horlogers sont fabriqués ; b. Déterminer (12) sur la base du module d'élasticité E, de la hauteur h et de la longueur L, l'épaisseur e des spiraux horlogers correspondant à la raideur C recherchée ; c. Fabriquer (15, 16) les spiraux horlogers de dimensions h, L, et e.The present invention relates to a method of manufacturing clock balance springs of a length L, of a predetermined height h and of a desired stiffness C, comprising the steps: a. Determine (12) the modulus of elasticity E of the piece of material from which the watch balance springs are made; b. Determine (12) on the basis of the modulus of elasticity E, the height h and the length L, the thickness e of the watch springs corresponding to the desired stiffness C; vs. Fabricate (15, 16) the watch balance springs of dimensions h, L, and e.

Description

Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Plus précisément, elle concerne un procédé de fabrication de spiraux horlogers. En particulier, la présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de spiraux horlogers pouvant être des spiraux horlogers en silicium. Encore plus particulièrement, la présente invention se rapporte un procédé de fabrication de spiraux horlogers en silicium avec thermo-compensation. The present invention relates to the field of watchmaking. More precisely, it relates to a process for manufacturing watch balance springs. In particular, the present invention relates to a method of manufacturing watch balance springs which may be silicon watch balance springs. Even more particularly, the present invention relates to a method of manufacturing watch springs in silicon with thermocompensation.

État de la techniqueState of the art

[0002] Dans un mouvement d'horlogerie, l'organe oscillant, aussi appelé oscillateur, a pour fonction de fournir une fréquence de référence, sur la base de laquelle la mesure de l'écoulement du temps peut être effectuée. Un oscillateur mécanique classiquement utilisé en horlogerie résulte de l'association d'un spiral horloger et d'un balancier. Ce dernier est monté pivotant et joue le rôle d'un volant d'inertie, tandis que le spiral horloger est un ressort prévu pour produire un couple de rappel sur ce balancier. In a clockwork movement, the oscillating member, also called an oscillator, has the function of providing a reference frequency, on the basis of which the measurement of the passage of time can be carried out. A mechanical oscillator conventionally used in watchmaking results from the association of a watch spring and a balance. The latter is mounted to pivot and acts as a flywheel, while the watch balance spring is a spring intended to produce a return torque on this balance.

[0003] Depuis quelques années, de nouveaux matériaux, tel que par exemple le silicium, sont utilisés pour la fabrication de spiraux horlogers. Dans le document EP1422436B1, il est par exemple proposé de fabriquer un spiral horloger qui comporte une âme en silicium et qui possède une compensation thermique grâce à un revêtement fait de dioxyde de silicium. Cette compensation thermique permet de réduire les effets des changements de température sur la fréquence d'oscillation de l'oscillateur. [0003] In recent years, new materials, such as for example silicon, have been used for the manufacture of watch balance springs. In document EP1422436B1, it is for example proposed to manufacture a watch balance spring which comprises a silicon core and which has thermal compensation by virtue of a coating made of silicon dioxide. This thermal compensation helps reduce the effects of temperature changes on the oscillator oscillation frequency.

[0004] L'utilisation de nouveaux matériaux pour la fabrication de spiraux horlogers a également permis d'adopter de nouvelles techniques de fabrication telles que la gravure ionique réactive profonde (encore appelée gravure DRIE, qui est l'acronyme en anglais de Deep Reactive Ionique Etching). Ces nouvelles techniques, en particulier la gravure DRIE, ont notamment l'avantage de permettre de fabriquer plusieurs spiraux horlogers dans une même plaquette, par exemple une plaquette (ou „wafer“) de silicium, et ainsi de réduire les coûts de fabrication. The use of new materials for the manufacture of watch balance springs has also made it possible to adopt new manufacturing techniques such as deep reactive ion etching (also called DRIE etching, which is the acronym in English for Deep Reactive Ionic Etching). These new techniques, in particular DRIE etching, have the particular advantage of making it possible to manufacture several watch balance springs in the same wafer, for example a silicon wafer (or “wafer”), and thus of reducing manufacturing costs.

[0005] Les procédés de fabrication de composants horlogers d'une seule élévation connus comme par exemple des roues d'ancre et des ancres ne sont pas suffisamment précis pour la fabrication des spiraux. Les procédés de fabrication de composants d'une seule élévation connus peuvent contenir la succession des étapes suivantes : a) Fabrication d'un masque lithographique ; b) Lithographie sur la face supérieure d'un wafer à base de silicium, par exemple un wafer SOI afin de créer un masque de gravure DRIE ; c) Gravure DRIE d'une face du wafer SOI ; d) Enlèvement des restes du masque de gravure, par exemple à l'aide d'un plasma ; e) Lissage par oxydation et désoxydation du wafer SOI, par exemple comme décrit par W. H. Juan et S. W. Pang dans l'article „Controlling sidewall smoothness for micromachined Si mirrors and lenses“ (1996) ; ou par Sunil Kumar dans sa thèse „Design and Fabrication of Micromachined Silicon Suspensionns“, University of London, (2007) f) Libération de la partie gravée du wafer SOI contenant les composants reliés à cette partie gravée par une attache, par exemple comme décrit au paragraphe 7.2.2 du livre „Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies“ (2010); et g) Une oxydation permettant un renforcement des composants peut être réalisée à la fin du procédé, comme dans le brevet EP1904901. Facultativement, pour les ressorts spiraux, l'oxydation permet la thermo-compensation.[0005] The methods of manufacturing watch components of a single elevation known, such as for example anchor wheels and anchors, are not sufficiently precise for the manufacture of balance springs. Known single-elevation component manufacturing processes may contain the following steps: a) Making a lithographic mask; b) Lithography on the upper face of a silicon-based wafer, for example an SOI wafer in order to create a DRIE etching mask; c) DRIE engraving of one face of the SOI wafer; d) Removal of the remains of the etching mask, for example using a plasma; e) Smoothing by oxidation and deoxidation of the SOI wafer, for example as described by W. H. Juan and S. W. Pang in the article “Controlling sidewall smoothness for micromachined Si mirrors and lenses” (1996); or by Sunil Kumar in his thesis „Design and Fabrication of Micromachined Silicon Suspensionns“, University of London, (2007) f) Release of the engraved part of the SOI wafer containing the components connected to this engraved part by a clip, for example as described in paragraph 7.2.2 of the book „Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies“ (2010); and g) An oxidation allowing a reinforcement of the components can be carried out at the end of the process, as in patent EP1904901. Optionally, for spiral springs, oxidation allows thermo-compensation.

[0006] Avec les procédés de fabrication de spiraux horlogers connus de l'art antérieur, en particulier avec les procédés de fabrication de spiraux horlogers en silicium, une dispersion, qui peut parfois être large, de la valeur moyenne de la raideur C des spiraux est constatée entre des spiraux émanant de différentes plaquettes. Cette dispersion est constatée même si tous les spiraux horlogers sont fabriqués en utilisant la même méthode, par exemple par gravure, et selon le même motif, c'est-à-dire selon les mêmes dimensions géométriques, dans des plaquettes apparemment identiques. With the methods of manufacturing watch springs known from the prior art, in particular with the methods of manufacturing watch springs in silicon, a dispersion, which can sometimes be wide, of the average value of the stiffness C of the springs is observed between balance springs emanating from different plates. This dispersion is observed even if all the watch balance springs are manufactured using the same method, for example by engraving, and according to the same pattern, that is to say according to the same geometric dimensions, in apparently identical plates.

[0007] Afin de circonvenir à ce problème, le document WO2015/113973 propose un procédé de fabrication d'un spiral horloger ayant une raideur prédéterminée. Dans ce procédé, une ébauche de spiral horloger, découpée selon des dimensions supérieures aux dimensions finales visées, est ajustée après découpe par un retrait de matière sur une épaisseur calculée à partir d'une mesure de la raideur sur l'ébauche du spiral horloger. La solution proposée dans ce document, nécessite, pour obtenir des résultats suffisamment précis, d'appliquer une correction individuelle à chaque spiral fabriqué. Ce procédé qui est couteux et compliqué à mettre en oeuvre ne permet donc pas de fabriquer un grand nombre de spiraux ayant tous une raideur C dans une plage de valeurs prédéterminée, sans correction. [0007] In order to circumvent this problem, document WO2015 / 113973 proposes a method of manufacturing a watch balance spring having a predetermined stiffness. In this process, a watch balance spring blank, cut to dimensions greater than the target final dimensions, is adjusted after cutting by removing material over a thickness calculated from a measurement of the stiffness on the watch balance spring blank. The solution proposed in this document requires, in order to obtain sufficiently precise results, to apply an individual correction to each hairspring manufactured. This process, which is expensive and complicated to implement, therefore does not make it possible to manufacture a large number of balance springs all having a stiffness C in a predetermined range of values, without correction.

[0008] Il existe par conséquent un besoin pour un procédé de fabrication de spiraux horlogers, en particuliers des spiraux en silicium, qui permet d'obtenir, sans correction, tous les spiraux d'un lot de fabrication ayant une raideur C dans une plage de valeurs déterminée suffisamment restreinte pour que les spiraux puissent être appariés à des balanciers, formant ainsi des oscillateurs pouvant être utilisés dans une montre. [0008] There is therefore a need for a method of manufacturing watch balance springs, in particular silicon balance springs, which makes it possible to obtain, without correction, all the balance springs of a production batch having a stiffness C in a range of determined values sufficiently restricted so that the hairsprings can be paired with balances, thus forming oscillators which can be used in a watch.

Résumé de l'inventionSummary of the invention

[0009] Un but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication de spiraux horlogers permettant de surmonter les limitations mentionnées préalablement. [0009] An aim of the present invention is therefore to provide a method for manufacturing watch balance springs which makes it possible to overcome the limitations mentioned above.

[0010] Selon l'invention, ces buts sont atteints grâce à l'objet de la revendication indépendante. Les aspects plus spécifiques de la présente invention sont décrits dans les revendications dépendantes ainsi que dans la description. According to the invention, these aims are achieved thanks to the subject of the independent claim. More specific aspects of the present invention are set out in the dependent claims as well as in the description.

[0011] De manière plus spécifique, un but de l'invention est atteint grâce à un procédé de fabrication de spiraux horlogers d'une longueur L, d'une hauteur h prédéterminées et d'une raideur C recherchée, comprenant les étapes : a. Déterminer le module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle les spiraux horlogers sont fabriqués ; b. Déterminer sur la base du module d'élasticité E, de la hauteur h et de la longueur L, l'épaisseur e des spiraux horlogers correspondant à la raideur C recherchée ; c. Fabriquer les spiraux horlogers de dimensions h, L, et e.More specifically, an object of the invention is achieved by virtue of a method of manufacturing watch balance springs of a length L, of a predetermined height h and of a desired stiffness C, comprising the steps: a . Determine the modulus of elasticity E of the piece of material from which the watch balance springs are made; b. Determine on the basis of the modulus of elasticity E, the height h and the length L, the thickness e of the watch springs corresponding to the desired stiffness C; vs. Make the watch balance springs of dimensions h, L, and e.

[0012] Grâce à un tel procédé, il est possible de supprimer, ou de fortement diminuer, la dispersion de la raideur C entre les différents spiraux produits à partir de différentes pièces de matière qui, de prime abord, semblent être identiques. Thanks to such a method, it is possible to eliminate, or greatly reduce, the dispersion of the stiffness C between the different balance springs produced from different pieces of material which, at first glance, appear to be identical.

[0013] Il est connu que la raideur C d'un ressort spiral est liée au module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle le spiral est fabriqué selon la formule : It is known that the stiffness C of a spiral spring is related to the modulus of elasticity E of the piece of material from which the spiral is manufactured according to the formula:

[0014] Afin de déterminer la raideur C d'un spiral la formule ci-dessus peut être utilisée facilement dans les cas où les valeurs de h, et e sont constantes le long de la longueur L. Dans le cas où les valeurs de h et e varient le long de la longueur L la raideur peut se déterminer par des méthodes numériques. In order to determine the stiffness C of a hairspring, the above formula can be used easily in the cases where the values of h, and e are constant along the length L. In the case where the values of h and e vary along the length L the stiffness can be determined by numerical methods.

[0015] La dispersion de E, c'est-à-dire les différences dans ses valeurs effectives, provoque une dispersion proportionnelle de la raideur C des spiraux, par pièce de matière bien que les spiraux aient tous, à priori, les mêmes dimensions géométriques. The dispersion of E, that is to say the differences in its effective values, causes a proportional dispersion of the stiffness C of the balance springs, per piece of material although the balance springs all have, a priori, the same dimensions geometric.

[0016] En mesurant le module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle les spiraux horlogers sont fabriqués avant de fabriquer les spiraux, il est possible d'adapter l'épaisseur e des spiraux à fabriquer afin que ces spiraux possèdent la raideur C recherchée. En d'autres termes, en adaptant l'épaisseur e en fonction du module d'élasticité E mesuré, il est possible de supprimer, ou tout au moins de fortement réduire, la dispersion de la raideur C des spiraux fabriqués. Le procédé inventif consiste donc à compenser les différences de module d'élasticité E par des variations d'épaisseurs e. By measuring the modulus of elasticity E of the piece of material from which the watch springs are manufactured before manufacturing the balance-springs, it is possible to adapt the thickness e of the balance-springs to be manufactured so that these balance-springs have the desired stiffness C. In other words, by adapting the thickness e as a function of the measured modulus of elasticity E, it is possible to eliminate, or at least greatly reduce, the dispersion of the stiffness C of the produced balance springs. The inventive process therefore consists in compensating for the differences in modulus of elasticity E by variations in thicknesses e.

[0017] En particulier le procédé inventif permet d'obtenir, sans correction, les spiraux d'une fabrication dans une plage de raideur déterminée suffisamment restreinte pour être appariés à des balanciers. Il permet, de plus, de manière tout à fait classique, le classement des balanciers et des spiraux sur une machine de type „Omega-Metric“ et l'appairage de ces derniers pour obtenir une fréquence proche de la fréquence de référence désirée. L'ajustement final de la fréquence pourra se faire en variant l'inertie des balanciers à l'aide de masselottes ou de vis. L'utilisation d'une raquetterie peut également permettre cet ajustement. [0017] In particular, the inventive method makes it possible to obtain, without correction, the hairsprings of a manufacture within a determined stiffness range which is sufficiently restricted to be paired with balances. It also allows, in a completely conventional way, the classification of balances and hairsprings on an "Omega-Metric" type machine and the pairing of the latter to obtain a frequency close to the desired reference frequency. The final frequency adjustment can be done by varying the inertia of the balances using weights or screws. The use of a snowshoe can also allow this adjustment.

[0018] Dans un premier mode de réalisation préféré de la présente invention, la pièce de matière est sous forme d'une plaquette S, en particulier une plaquette S à base de silicium, avantageusement une plaquette de type SOI (pour „Silicon On Insulator“, qui est une plaquette comprenant une couche d'oxyde de silicium entre deux couches de silicium). Il est ainsi possible, grâce au procédé de la présente invention, de fabriquer des spiraux en silicium ayant tous une raideur C recherchée dans une plage de valeurs prédéterminée. In a first preferred embodiment of the present invention, the piece of material is in the form of a wafer S, in particular a wafer S based on silicon, advantageously an SOI type wafer (for „Silicon On Insulator “, Which is a wafer comprising a layer of silicon oxide between two layers of silicon). It is thus possible, by virtue of the method of the present invention, to manufacture silicon balance springs all having a desired stiffness C within a predetermined range of values.

[0019] Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, les spiraux horlogers sont fabriqués à l'étape c. en utilisant un masque lithographique M. Grâce à un masque lithographique, il est possible de fabriquer des spiraux horlogers d'une grande précision géométrique ce qui permet de réduire d'avantage la dispersion de la raideur C des spiraux fabriqués. De plus, la lithographie est un procédé simple et peu coûteux qui, si nécessaire, peut être implémenté dans des salles blanches. In another preferred embodiment of the present invention, the watch springs are manufactured in step c. using a lithographic mask M. Thanks to a lithographic mask, it is possible to manufacture watch springs with high geometric precision, which makes it possible to further reduce the dispersion of the stiffness C of the hairsprings produced. In addition, lithography is a simple and inexpensive process which, if necessary, can be implemented in clean rooms.

[0020] Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, n masques lithographiques M (M1, M2, ..., Mi, ..., Mn) et correspondant à n épaisseurs e (e1, e2, ..., ei, ..., en) sont fabriqués avant une des étapes a. ou b.. Grâce à ceci, les masques lithographiques nécessaires à la fabrication des spiraux horlogers de raideur C recherchée sont à disposition lorsqu'ils doivent être utilisés. De manière générale, le masque M, correspondra à une épaisseur eiet le masque Mi+1correspondra à une épaisseur ei+1= ei+ Δ, Δ étant un incrément, et ainsi de suite jusqu'au masque Mn, créant ainsi tout un ensemble de masques M correspondant à toute une plage de raideurs C possibles. De manière avantageuse l'incrément Δ a une valeur entre 0.1 µm et 0.5µm, de préférence entre 0.2µm et 0.4µm, de manière encore plus avantageuse 0.3µm. In a preferred embodiment of the present invention, n lithographic masks M (M1, M2, ..., Mi, ..., Mn) and corresponding to n thicknesses e (e1, e2, ..., ei, ..., en) are made before one of steps a. or b .. By virtue of this, the lithographic masks necessary for the manufacture of watch balance springs of the desired stiffness C are available when they must be used. In general, the mask M, will correspond to a thickness e and the mask Mi + 1 will correspond to a thickness ei + 1 = ei + Δ, Δ being an increment, and so on up to the mask Mn, thus creating a whole set of masks M corresponding to a whole range of possible stiffnesses C. Advantageously, the increment Δ has a value between 0.1 μm and 0.5 μm, preferably between 0.2 μm and 0.4 μm, even more advantageously 0.3 μm.

[0021] Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, l'étape c. est effectuée en utilisant le masque lithographique M, correspondant à l'épaisseur e déterminée à l'étape b.. Grâce à ceci on peut, à l'aide du masque lithographique M, fabriquer des spiraux horlogers possédant la raideur C recherchée. Afin de déterminer quel masque M doit être utilisé, il peut être favorable de réaliser un tableau de correspondance déterminant le masque à utiliser selon la mesure du module élasticité E permettant ainsi de viser la raideur C recherchée. In another preferred embodiment of the present invention, step c. is carried out using the lithographic mask M, corresponding to the thickness e determined in step b .. Thanks to this, it is possible, using the lithographic mask M, to manufacture watch balance springs having the desired stiffness C. In order to determine which mask M should be used, it may be favorable to produce a correspondence table determining the mask to be used according to the measurement of the elasticity modulus E, thus making it possible to target the desired stiffness C.

[0022] Dans encore un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, le masque lithographique M correspondant à l'épaisseur e est fabriqué après l'étape b.. Grâce à ce mode de réalisation, il est possible d'éviter de constituer, à priori, une série de masques lithographiques correspondant à toute une plage d'épaisseurs. Le masque lithographique M nécessaire pour la fabrication des spiraux possédant la raideur C recherchée est, dans ce mode de réalisation, fabriqué après la mesure du module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle les spiraux sont fabriqués. Il est ainsi possible de faire correspondre plus précisément l'épaisseur e du masque M avec la raideur C recherchée. In yet another preferred embodiment of the present invention, the lithographic mask M corresponding to the thickness e is manufactured after step b .. Thanks to this embodiment, it is possible to avoid constituting , a priori, a series of lithographic masks corresponding to a whole range of thicknesses. The lithographic mask M necessary for the manufacture of the balance-springs having the desired stiffness C is, in this embodiment, manufactured after the measurement of the modulus of elasticity E of the piece of material from which the balance-springs are made. It is thus possible to make the thickness e of the mask M correspond more precisely with the desired stiffness C.

[0023] Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le procédé comprend une ou plusieurs étapes de finition, par exemple une ou plusieurs étapes d'oxydation et de désoxydation de lissage suivi par une étape de libération de la partie gravée du wafer SOI contenant les composants reliés à cette partie gravée par une attache. Après libération des spiraux ceux-ci peuvent avantageusement être soumis à une oxydation de thermo-compensation. Cela permet par exemple de fabriquer des spiraux thermocompensés. In a preferred embodiment of the present invention, the method comprises one or more finishing steps, for example one or more smoothing oxidation and deoxidation steps followed by a step of releasing the etched part of the wafer SOI containing the components connected to this engraved part by a clip. After release of the balance springs, the latter can advantageously be subjected to thermo-compensation oxidation. This makes it possible, for example, to manufacture thermocompensated balance springs.

[0024] Dans un mode de réalisation préféré les composants libérés sont liés les uns aux autres par une attache à une épargne et les spiraux sont détachés de leur épargne après une étape d'oxydation de thermo-compensation. Cela permet de pouvoir effectuer l'étape de d'oxydation de thermo-compensation sur des spiraux qui sont encore liés par une attache en une seule étape. In a preferred embodiment the released components are linked to each other by an attachment to a savings and the balance springs are detached from their savings after a thermo-compensation oxidation step. This makes it possible to carry out the thermo-compensation oxidation step on balance springs which are still linked by a fastener in a single step.

[0025] Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, l'épaisseur e déterminée à l'étape b. prend en compte la valeur du module d'élasticité E des spiraux après une ou plusieurs étapes de finition. En effet, les étapes de finition et, en particulier, des étapes d'oxydation et/ou de désoxydation peuvent avoir une influence sur la raideur finale des spiraux. En prenant en compte l'effet des étapes de finition sur la raideur des spiraux, il est possible de fabriquer les spiraux avec une raideur C transitoire légèrement différente de celle recherchée au finale sachant que cette raideur C transitoire va être modifiée pendant la ou les étapes de finition. En choisissant de manière adéquate la valeur de la raideur C transitoire et en sachant l'effet des étapes de finition sur la raideur des spiraux fabriqués, il est donc possible d'atteindre précisément la raideur finale recherchée. In another preferred embodiment of the present invention, the thickness e determined in step b. takes into account the value of the elasticity modulus E of the balance springs after one or more finishing steps. Indeed, the finishing steps and, in particular, oxidation and / or deoxidation steps can have an influence on the final stiffness of the balance springs. By taking into account the effect of the finishing steps on the stiffness of the hairsprings, it is possible to manufacture the hairsprings with a transient stiffness C slightly different from that sought at the final knowing that this transient stiffness C will be modified during the step (s). finishing. By adequately choosing the value of the transient stiffness C and knowing the effect of the finishing steps on the stiffness of the produced balance springs, it is therefore possible to precisely achieve the desired final stiffness.

[0026] Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, le module d'élasticité E est déterminé à l'étape a., par exemple, par nanoindentation, par mesure de la résistivité électrique, par mesure d'un prélèvement d'une structure flexible oscillante qui serait prélevée sur le wafer avant la fabrication des spiraux. Cette structure peut typiquement être sciée sur un bord du wafer. De ce prélèvement on extraira la partie d'épaisseur correspondant au spiraux dont on déterminera le module d'élasticité avec des moyens de mesure classiques, par exemple, par traction ou flexion. Une combinaison de ces méthodes peut également être réalisée. Il est ainsi possible de mesurer rapidement et/ou avec grande précision le module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle les spiraux sont fabriqués. Plus la mesure du module d'élasticité E est précise, plus il est possible de limiter la dispersion de la raideur C des spiraux. In another preferred embodiment of the present invention, the modulus of elasticity E is determined in step a., For example, by nanoindentation, by measuring the electrical resistivity, by measuring a sample d 'a flexible oscillating structure which would be taken from the wafer before the production of the balance springs. This structure can typically be sawn off one edge of the wafer. From this sample, the part of thickness corresponding to the balance-springs, the modulus of elasticity of which will be determined with conventional measuring means, for example by traction or bending, will be extracted. A combination of these methods can also be carried out. It is thus possible to measure quickly and / or with great precision the modulus of elasticity E of the piece of material from which the balance springs are made. The more precise the measurement of the modulus of elasticity E, the more it is possible to limit the dispersion of the stiffness C of the balance springs.

[0027] Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'épaisseur e est déterminée à l'étape b. grâce à la formule : In a preferred embodiment of the present invention, the thickness e is determined in step b. thanks to the formula:

[0028] A l'aide de cette formule, il est particulièrement aisé de déterminer en fonction du module d'élasticité E, de la hauteur h et de la longueur L, l'épaisseur e que doit avoir les spiraux pour atteindre la raideur C recherchée. Using this formula, it is particularly easy to determine as a function of the modulus of elasticity E, of the height h and of the length L, the thickness e that the balance-springs must have in order to reach the stiffness C sought.

[0029] Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, les spiraux horlogers sont fabriqués à l'étape c., par gravure, plus particulièrement par gravure ionique réactive profonde Grâce à ces méthodes de fabrication, il est possible de fabriquer rapidement et avec une haute précision un grand nombre de spiraux dans une même pièce de matière. In another preferred embodiment of the present invention, the watch balance springs are manufactured in step c., By etching, more particularly by deep reactive ion etching. Thanks to these manufacturing methods, it is possible to manufacture quickly and with high precision a large number of balance springs in the same piece of material.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

[0030] Les particularités et les avantages de la présente invention apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec deux exemples de réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif en référence aux cinq figures ci-annexées qui représentent : La figure 1 représente une vue schématique du dessus d'un ressort spiral ; La figure 2a représente une vue en coupe transversale d'un ressort spiral ; La figure 2b représente une vue en coupe longitudinale d'un ressort spiral ; La figure 3 représente un procédé de fabrication de spiraux horlogers selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; et La figure 4 représente un procédé de fabrication de spiraux horlogers selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention.The features and advantages of the present invention will become apparent in more detail in the context of the description which follows with two exemplary embodiments given by way of illustration and not limitation with reference to the five appended figures which represent: Figure 1 shows a schematic top view of a spiral spring; Figure 2a shows a cross-sectional view of a spiral spring; FIG. 2b represents a view in longitudinal section of a spiral spring; FIG. 3 represents a method for manufacturing watch balance springs according to a first embodiment of the present invention; and FIG. 4 represents a method for manufacturing watch balance springs according to a second embodiment of the present invention.

Description détailléedetailed description

[0031] La figure 1 présente une vue schématique du dessus d'un ressort spiral 1 et les figures 2a et 2b illustrent respectivement une vue en coupe transversale et une vue en coupe longitudinale du ressort spiral 1. Le ressort spiral 1 comprend un brin 2 qui, comme illustré dans la figure 1, a une forme hélicoïdale, ou en spirale, et comprend au moins une spire de section rectangulaire d'épaisseur e et de hauteur h. On comprendra cependant que la géométrie du brin peut être autre que celle illustrée dans cet exemple, par exemple, le brin 2 peut avoir une section carrée. La longueur totale du brin 2 est définie comme étant la longueur L. Figure 1 shows a schematic top view of a spiral spring 1 and Figures 2a and 2b respectively illustrate a cross-sectional view and a longitudinal sectional view of the spiral spring 1. The spiral spring 1 comprises a strand 2 which, as illustrated in FIG. 1, has a helical or spiral shape, and comprises at least one turn of rectangular section of thickness e and height h. It will be understood, however, that the geometry of the strand may be other than that illustrated in this example, for example, the strand 2 may have a square section. The total length of strand 2 is defined as being the length L.

[0032] Le brin 2 peut être fabriqué par exemple à partir d'une plaquette S (non montrée ici) de silicium monocristallin, avec une orientation telle que {001}, {111} ou autre, ou encore il peut être fabriqué dans un matériau polycristallin ou amorphe. Ou encore il peut être fabriqué dans un silicium dopé, de préférence avec un dopage élevé au bore ou au phosphore, ou encore un dopage correspondant à une résistivité plus petite que 0.01 ohm·cm, ou encore une résistivité de 0.005 ohm·cm. Typiquement les caractéristiques de matériau décrites ci-dessus sont préférablement utilisées pour les spiraux en silicium mais également pour tous les composants horlogers en silicium. Plus précisément les composants horlogers sont, entre autre, des ancres ou des roues d'échappement. Le choix d'utiliser ces types de dopage sont motivés notamment par des expériences et par les recherches publiées dans les articles : „Effects of heavy phosphorus-doping on mechanical properties of Czochralski silicon“, Z. Zeng et al., Journal of applied physics, 107, 123503, 2010. et : „Measurement of fracture stress, young's modulus, and intrinsic stress of heavily boron-doped silicon microstructures“, K. Najafi et K. Szuki, Thin Solid Films, 181, 1-2, 1989.The strand 2 can be made for example from a wafer S (not shown here) of monocrystalline silicon, with an orientation such as {001}, {111} or other, or it can be made in a polycrystalline or amorphous material. Or it can be manufactured in a doped silicon, preferably with a high doping with boron or with phosphorus, or else a doping corresponding to a resistivity smaller than 0.01 ohm · cm, or else a resistivity of 0.005 ohm · cm. Typically, the material characteristics described above are preferably used for silicon balance springs but also for all watch components made of silicon. More precisely, the watch components are, among other things, anchors or escape wheels. The choice to use these types of doping is motivated in particular by experiments and by research published in the articles: „Effects of heavy phosphorus-doping on mechanical properties of Czochralski silicon“, Z. Zeng et al., Journal of applied physics , 107, 123503, 2010. and: „Measurement of fracture stress, young's modulus, and intrinsic stress of heavily boron-doped silicon microstructures“, K. Najafi and K. Szuki, Thin Solid Films, 181, 1-2, 1989.

[0033] Comme mentionné ci-dessus, la raideur C du spiral 1 est liée au module d'élasticité E de la pièce de matière à partir de laquelle le spiral 1 est fabriqué, à son épaisseur e, à sa hauteur h et à sa longueur L selon la formule (1). As mentioned above, the stiffness C of the hairspring 1 is related to the modulus of elasticity E of the piece of material from which the hairspring 1 is made, to its thickness e, to its height h and to its length L according to formula (1).

[0034] Avec les méthodes modernes de fabrication, il est possible d'atteindre une grande précision dans les dimensions géométriques du spiral 1. En d'autres termes, l'épaisseur e, la hauteur h et la longueur L peuvent être prédéterminés avec grande précision. La dispersion des valeurs de la raideur C de spiraux horlogers tous fabriqués selon le même motif géométrique est, ainsi, principalement attribuée à des valeurs différentes du module d'élasticité E de la pièce de matière, par exemple des plaquettes S de silicium, et ceci même si les pièces de matière semblent toutes être identiques. With modern manufacturing methods, it is possible to achieve great precision in the geometric dimensions of the hairspring 1. In other words, the thickness e, the height h and the length L can be predetermined with great precision. The dispersion of the values of the stiffness C of watch balance springs all manufactured according to the same geometric pattern is, therefore, mainly attributed to different values of the modulus of elasticity E of the piece of material, for example silicon wafers S, and this even though the pieces of material all seem to be the same.

[0035] La figure 3 illustre un procédé de fabrication 10 de spiraux horlogers, permettant d'atteindre des spiraux ayant tous une raideur C prédéterminée, selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Le procédé 10 comprend les étapes 11 à 15 de : 11 : Fabriquer un nombre n de masques lithographiques M pour spiraux d'une longueur L et d'une hauteur h prédéterminées et correspondants à des spiraux de différentes épaisseurs e ; 12 : Déterminer le module d'élasticité E d'une plaquette de silicium S à partir de laquelle les spiraux vont être fabriqués ; 13 : Déterminer sur la base de E, h et L l'épaisseur e qui correspondant à la raideur C des spiraux recherchée ; 14 : Déterminer parmi les n masques lithographiques fabriqués le masque M qui correspond à l'épaisseur e ; et 15 : Utiliser le masque M pour fabriquer les spiraux dans la plaquette de silicium S.[0035] FIG. 3 illustrates a method of manufacturing watch springs, making it possible to achieve balance springs all having a predetermined stiffness C, according to a first embodiment of the present invention. The method 10 comprises steps 11 to 15 of: 11: Making a number n of lithographic masks M for balance-springs of a length L and of a height h predetermined and corresponding to balance-springs of different thickness e; 12: Determine the modulus of elasticity E of a silicon wafer S from which the balance springs will be made; 13: Determine on the basis of E, h and L the thickness e which corresponds to the stiffness C of the desired balance springs; 14: Determine from among the n lithographic masks produced the mask M which corresponds to the thickness e; and 15: Use the mask M to manufacture the balance-springs in the silicon wafer S.

[0036] Grâce au procédé de fabrication selon le premier mode de réalisation de la présente invention, il est possible de fabriquer des spiraux en silicium ayant tous une raideur C dans une plage de valeurs prédéterminée et ceci même si les plaquettes S de silicium à partir desquelles les spiraux sont fabriqués ont des modules d'élasticité E différents. En effet, et en se référant à la formule (1) ci-dessus, si h et L sont des paramètres géométriques qui sont prédéterminés et identiques pour tous les spiraux qui doivent être fabriqués, il est possible de déterminer quelle épaisseur e correspond à la raideur C recherchée. En d'autres termes le masque lithographique M correspondant à l'épaisseur e est déterminé sur la base de la valeur de E et ce masque est utilisé pour la fabrication des spiraux à partir de la plaquette de silicium S dont la valeur E a été déterminée. Lorsqu'une autre plaquette doit être utilisée, par exemple parce que la première a été utilisée, le module d'élasticité E de cette nouvelle plaquette est déterminé et le masque correspondant à l'épaisseur e, respectivement la raideur C, recherchée est utilisé. Thanks to the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, it is possible to manufacture silicon balance springs all having a stiffness C within a predetermined range of values and this even if the silicon S wafers from from which the balance springs are made have different moduli of elasticity E. Indeed, and by referring to formula (1) above, if h and L are geometric parameters which are predetermined and identical for all the balance springs which are to be manufactured, it is possible to determine which thickness e corresponds to the desired stiffness C. In other words, the lithographic mask M corresponding to the thickness e is determined on the basis of the value of E and this mask is used for the manufacture of the balance-springs from the silicon wafer S whose value E has been determined. . When another wafer must be used, for example because the first one has been used, the modulus of elasticity E of this new wafer is determined and the mask corresponding to the thickness e, respectively the stiffness C, sought is used.

[0037] La détermination de l'épaisseur e correspondant à la raideur C déterminée pendant l'étape 13 se fait de manière avantageuse sur la base de la formule (1). De manière avantageuse, l'étape 14 se fait à l'aide d'un tableau de correspondance de masque lithographique correspondant au module d'élasticité E et permettant d'obtenir des spiraux ayant une raideur C dans une plage déterminée. The determination of the thickness e corresponding to the stiffness C determined during step 13 is advantageously carried out on the basis of formula (1). Advantageously, step 14 is carried out using a lithographic mask correspondence table corresponding to the modulus of elasticity E and making it possible to obtain balance springs having a stiffness C in a determined range.

[0038] L'étape 12 et donc la détermination du module d'élasticité E de la plaquette S, par exemple une plaquette de silicium, peut se faire, entre autre, par nanoindentation, par la mesure de la résistivité ou par la mesure d'un prélèvement d'une structure flexible ou oscillante. Step 12 and therefore the determination of the modulus of elasticity E of the wafer S, for example a silicon wafer, can be done, among other things, by nanoindentation, by measuring the resistivity or by measuring d 'a sample of a flexible or oscillating structure.

[0039] L'étape 15 de fabrication en tant que telle des spiraux peut être effectuée par n'importe quelle méthode appropriée telle que la gravure DRIE. Bien que la gravure DRIE produise en général un léger angle par rapport à la perpendiculaire à la base de la plaquette de silicium, la répétabilité de e est suffisante entre les plaquettes afin d'obtenir une dispersion de la raideur C suffisamment petite. [0039] Step 15 of manufacture as such of the balance springs can be carried out by any suitable method such as DRIE etching. Although the DRIE etching generally produces a slight angle with respect to the perpendicular to the base of the silicon wafer, the repeatability of e is sufficient between the wafers in order to obtain a sufficiently small dispersion of the stiffness C.

[0040] Comme illustré dans la figure 3, le procédé de fabrication 10 peut comprendre une étape ou plusieurs étapes de finition 16, par exemple une étape d'oxydation et/ou désoxydation du spiral dite de lissage qui permet d'éliminer les marques de gravure et/ou une étape d'oxydation dite de thermo-compensation qui permet de créer une couche de silicium dioxyde thermocompensant autour du brin 2 du spiral 1. As illustrated in Figure 3, the manufacturing process 10 can include one or more finishing steps 16, for example an oxidation and / or deoxidation step of the so-called smoothing hairspring which makes it possible to remove the marks of etching and / or a so-called thermo-compensation oxidation step which makes it possible to create a thermocompensating silicon dioxide layer around the strand 2 of the hairspring 1.

[0041] Si des étapes d'oxydation et/ou désoxydation sont prévues dans le procédé de fabrication 10, la valeur de la raideur C du spiral fabriqué selon les étapes 11 à 15 peut être déterminée en prenant en compte la modification de la valeur de la raideur C lors des étapes de finition 16. If oxidation and / or deoxidation steps are provided in the manufacturing process 10, the value of the stiffness C of the hairspring manufactured according to steps 11 to 15 can be determined by taking into account the modification of the value of the stiffness C during the finishing steps 16.

[0042] La figure 4 illustre un procédé de fabrication 20 de spiraux horlogers, permettant d'atteindre des spiraux ayant tous une raideur C prédéterminée, selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Le procédé 20 comprend les étapes 21 à 24 de : 21 : Déterminer le module d'élasticité E de la plaquette de silicium S à partir de laquelle les spiraux doivent être fabriqués ; 22 : Déterminer sur la base de E, h et L l'épaisseur e qui correspondant à la raideur C des spiraux recherchée ; 23 : Fabriquer un masque lithographique M pour fabriquer un spiral d'une longueur L et d'une hauteur h prédéterminées et correspondant à l'épaisseur e déterminée à l'étape précédente ; 24 : Utiliser le masque lithographique M fabriqué à l'étape précédente pour fabriquer les spiraux dans la plaquette de silicium S.[0042] FIG. 4 illustrates a method of manufacturing watch balance springs, making it possible to achieve balance springs all having a predetermined stiffness C, according to a second embodiment of the present invention. The method 20 comprises the steps 21 to 24 of: 21: Determining the modulus of elasticity E of the silicon wafer S from which the balance springs are to be manufactured; 22: Determine on the basis of E, h and L the thickness e which corresponds to the stiffness C of the desired balance springs; 23: Producing a lithographic mask M to fabricate a hairspring with a length L and a height h predetermined and corresponding to the thickness e determined in the previous step; 24: Use the lithographic mask M made in the previous step to make the balance-springs in the silicon wafer S.

[0043] De manière similaire au procédé 10, le procédé de fabrication 20 peut comprendre une étape ou plusieurs étapes de finition 25, par exemple une étape d'oxydation et/ou désoxydation des spiraux dite de lissage qui permet d'éliminer les marques de gravure et/ou une étape d'oxydation dite de thermo-compensation qui permet de créer une couche de silicium dioxyde thermocompensant autour du brin 2 du spiral 1. Similarly to method 10, the manufacturing method 20 may comprise one or more finishing steps 25, for example a step of oxidation and / or deoxidation of the so-called smoothing hairsprings which makes it possible to remove the marks of etching and / or a so-called thermo-compensation oxidation step which makes it possible to create a thermocompensating silicon dioxide layer around the strand 2 of the hairspring 1.

[0044] Si des étapes d'oxydation et/ou désoxydation sont prévues dans le procédé de fabrication 20, la valeur de la raideur C du spiral fabriqué selon les étapes 21 à 24 peut être déterminée en prenant en compte la modification de la valeur de la raideur C lors des étapes de finition 25. If oxidation and / or deoxidation steps are provided in the manufacturing process 20, the value of the stiffness C of the hairspring manufactured according to steps 21 to 24 can be determined by taking into account the modification of the value of the stiffness C during the finishing steps 25.

[0045] Contrairement au procédé de fabrication 10, il est prévu dans le procédé de fabrication 20 de fabriquer le masque de lithographie M correspondant à l'épaisseur e de façon ad hoc. Cela permet d'utiliser des plaquettes S ayant des modules d'élasticité E très différents. En effet, pour chaque plaquette S le module d'élasticité E est déterminé. L'épaisseur e du spiral correspondant à la raideur C prédéterminée peut être alors, sur la base de la formule (1) et du module d'élasticité E, déterminée et le masque M nécessaire fabriqué. Bien entendu, si un masque lithographique correspondant au motif géométrique du spiral et à l'épaisseur e est déjà à disposition ce masque peut être utilisé. En d'autres termes l'étape 23 peut être dans ce cas de figure omise. Unlike the manufacturing process 10, it is provided in the manufacturing process 20 to manufacture the lithography mask M corresponding to the thickness e in an ad hoc manner. This makes it possible to use plates S having very different moduli of elasticity E. Indeed, for each plate S the modulus of elasticity E is determined. The thickness e of the hairspring corresponding to the predetermined stiffness C can then be, on the basis of formula (1) and of the modulus of elasticity E, determined and the necessary mask M manufactured. Of course, if a lithographic mask corresponding to the geometric pattern of the balance spring and to the thickness e is already available, this mask can be used. In other words, step 23 can be omitted in this case.

[0046] Il est évident que la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en oeuvre. Bien que deux modes de réalisation non limitatifs aient étés décrits à titre d'exemple, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive toutes les variations possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. Toutes ces modifications font partie des connaissances communes d'un homme du métier dans le domaine technique de la fabrication de spiraux horlogers par des méthodes de micro/nano fabrication. It is obvious that the present invention is subject to numerous variations as to its implementation. Although two non-limiting embodiments have been described by way of example, it will be understood that it is not conceivable to identify exhaustively all the possible variations. It is of course conceivable to replace a means described by an equivalent means without departing from the scope of the present invention. All these modifications form part of the common knowledge of a person skilled in the art in the technical field of the manufacture of watch balance springs by micro / nano-manufacturing methods.

[0047] De plus, un homme du métier reconnaîtra sans peine que le procédé de fabrication de la présente invention peut aussi être appliqué pour fabriquer toutes sortes de structures oscillantes, tel que par exemple des diapasons ayant une raideur dans une plage déterminée. In addition, a person skilled in the art will readily recognize that the manufacturing method of the present invention can also be applied to manufacture all kinds of oscillating structures, such as for example tuning forks having a stiffness in a determined range.

Claims

1. A method of manufacturing watch balance springs (1) of a length L, of a predetermined height h and of a desired stiffness C, comprising the steps: at. Determine the modulus of elasticity E of the piece of material from which the watch balance springs (1) are made; b. Determine on the basis of the modulus of elasticity E, of the height h and of the length L, the thickness e of the watch springs (1) corresponding to the desired stiffness C; vs. Make the watch balance springs (1) of dimensions h, L, and e.

2. Method according to claim 1, wherein the piece of material is in the form of a wafer S, in particular a wafer S based on silicon and advantageously an SOI type wafer.

3. Method according to one of claims 1 or 2, wherein the watch springs (1) are manufactured in step c. using an M.

4. The method of claim 3, wherein a number n of lithographic masks M (M1, M2, ..., Mi, ..., Mn) and corresponding to n thicknesses e (e1, e2, ..., ei , ..., en) are made before one of steps a. or b.

5. The method of claim 4, wherein step c. is performed using the lithographic mask M, corresponding to the thickness e determined in step b.

6. The method of claim 3, wherein the lithographic mask M corresponding to the thickness e is manufactured after step b.

7. Method according to any one of the preceding claims, comprising one or more finishing steps, for example one or more oxidation and / or deoxidation steps and / or a step of releasing the spirals from the wafer.

8. The method of claim 7 comprising, after the operation of releasing the etched part of the SOI wafer containing the components connected to this etched part by a clip, a thermo-compensation oxidation step.

9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the released balance springs are linked to each other by an attachment to a savings and that the balance springs are detached from their savings after a thermo-compensation oxidation step. .

10. Method according to one of claims 7 or 8, wherein the thickness e determined in step b. takes into account the modulus of elasticity value E of the balance springs after one or more finishing steps.

11. Method according to any one of the preceding claims, in which the modulus of elasticity E is determined in step a. by nanoindentation, by measuring the electrical resistivity, by measuring a sample of a flexible oscillating structure in the piece of material or by a combination of these methods.

12. Method according to any one of the preceding claims, in which the thickness e is determined in step b. thanks to the formula:

13. Method according to any one of the preceding claims, in which the watch springs (1) are manufactured in step c. by etching, more particularly by deep reactive ionic etching.