CN101213497B - 强化的微机械部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机械部件例如钟表机芯部件,其包括硅核心(1)。所述硅核心的表面(3)的部分或全部覆盖有厚的非晶态材料(2)。所述材料优选地是二氧化硅,并且厚度至少比原生二氧化硅大五倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种由硅制成的微机械部件,所述部件已经过处理以便具有提高的机械特性。所述部件例如-但不局限于-是用于钟表机械机芯的微机械部件,即,具有例如用于传递和/或转换能量以驱动指针以便与表盘相结合来提供时间指示的主动功能的部件,或者被动部件,其例如用于定位轮副。
背景技术
硅是在机械部件尤其是微机械部件的制造中被越来越多地使用的材料,所述部件为“受约束”部件即保持连接到基底上的部件,所述部件在该基底上形成,或者“自由”部件例如属于钟表机芯的运动链系的部件。
与通常用于制造微机械部件例如齿轮、铰接部件或弹簧的金属或金属合金相比,硅的优点是其密度低3到4倍,从而惯性大大减小并且对磁场不敏感。这些优点在钟表学领域在能源由弹簧形成时对于钟表的等时性和工作持续时间尤其重要。
但是,已知硅对冲击敏感,而冲击在组装时是必要的,在工作中会不可避免地发生、或者当例如用户的手表敲击在某物上时或者手表跌落时会偶然发生。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种旨在提高硅微机械部件的机械抗性尤其是抗冲击性的解决方案。
因此,本发明涉及一种硅部件,该硅部件的全部表面或者部分表面覆盖有厚的非晶态材料,所述部件是或不是在钟表机芯内移动的部件。该非晶态材料例如是硅的氧化物、氮化物或碳化物,或者钛的碳化物。二氧化硅是优选材料,在此情况下,该二氧化硅的厚度至少比原生二氧化硅的厚度大五倍。
本发明还涉及一种方法,该方法能够在二氧化硅的情况下尤其通过热氧化形成厚的非晶态层,这大大提高了所述部件的机械特性,对此将在下文详细说明。
附图说明
本发明的其他特征和优点在下文对示例性实施例的说明中更加显而易见,该示例是参照附图仅作为非限制性的举例给出的,在附图中:
图1示出硅游丝的初始剖视图;
图2对应于在沉积非晶态材料之后的图1;以及
图3示出沉积耐磨涂层的附加步骤。
具体实施方式
安装在钟表机芯内的游丝在此被作为示例,如下文将说明的,可以非常容易地检测游丝的故障,即,仅通过观察机芯停止就可知游丝发生断裂。
利用已知的微机械加工技术用硅钢薄板(silicon plate)获得游丝,该硅钢薄板的厚度稍小于游丝的预期最终高度。
如在国际专利申请WO 2004/070476中公开的,例如可使用反应离子蚀刻技术(RIE)并且使该游丝具有被认为最合适的形状。
考虑到游丝具有非常小的尺寸,可在同一个板上一次制造出一批游丝。
图1示出具有由硅制成的核心的游丝的剖视图,标号3指示初始外表面。当此游丝被留置在周围空气中一定时间时,该游丝本身自然地覆盖被称为“原生氧化物”的二氧化硅(未示出),该二氧化硅的厚度大致在1到10nm之间。
图2示出在根据本发明通过900℃到1200℃之间的表面热氧化对游丝进行处理之后的游丝的同一剖视图。为此,采用公报“Semiconductorsdevices:physics and technology(ed.John Wiley & Sons,ISBN0-471-87424-8,01.011985,p.341-355)”中公开的协议。因此,在1100℃的温度下花费大约10个小时来获得大约1.9微米的二氧化硅厚度。从图2可见,二氧化硅利用硅形成,所述硅的表面3向后移动以便产生具有所形成的SiO2的新界面5。相反地,鉴于SiO2具有较低的密度,SiO2的外表面7延伸到游丝的初始表面以外。这些分隔线3、5和7的位置没有按比例示出,但是很明显,对Si和SiO2的物理特性以及对热处理性能的了解使得能够计算用于蚀刻游丝的初始尺寸,以便在该处理结束时获得预期的尺寸。
在第一组测试期间,从制造阶段到组装阶段测试未被氧化的硅部件和被氧化的硅部件的机械抗性。
在一批硅部件的制造期间,需要在不同的制造阶段对该部件进行操控。针对此报告中所述的特定情况,对源自已经历相同步骤的两个硅钢薄板的硅部件予以考虑。
所述部件随后已被安装在机芯内。在该测试期间,所述部件被附装在钢制心轴上,并且被镊子和测量装置夹紧。在最终组装到机芯期间,所述部件的中心被穿在固体心轴上。
下表总结了对19个未被氧化部件和36个被氧化部件执行的所述测试的结果。
在此测试期间,整个一系列操作的成功率的比较清楚地表明,被氧化的硅部件比没有氧化的相同部件更不易碎。
此外,在使用5000g的冲击摆锤的冲击试验中在组装之后的真实状况下比较普通硅游丝(图1)和根据本发明改型的游丝(图2)的机械特性。
已经对两个相同的机芯进行此机械抗性实验,在该两个机芯中已经安装了未被处理的游丝和根据本发明改型的游丝。
装有未被氧化的游丝或者具有非常薄的原生氧化物沉积层的机芯由于该游丝受到冲击发生断裂而迅速停止。
装有根据本发明的游丝的机芯在长时间内经受住了冲击并且保持工作,尽管受到磨损,但是该机芯的等时性在多于30周的时间内保持令人满意。
因此,尽管人们可能在逻辑上认为用较低密度的材料二氧化硅代替材料硅会导致机械抗性减小,但是令人惊讶的是,这反而增加了机械抗性。
在刚刚描述的示例中,“厚的非晶态层”是二氧化硅。同样地,所述层可通过其他沉积方法、使用其他材料例如硅的氮化物或碳化物或者钛的碳化物或氮化物形成。
此示例示出所述部件的所有外表面均匀地覆盖有厚的非晶态沉积物。当然,使用合适的掩膜可以仅在该部件的被选定的部分上、即被特别施加机械应力的部分上进行沉积。相反,例如在完成SiO2的涂层之后,例如出于美观原因或者为了形成另一种涂层,可利用BHF通过化学蚀刻清除该涂层的特定部分。
图3示出一种变型,其中附加步骤在厚的非晶态层上添加了涂层4,该涂层4由为摩擦学特性选择的材料形成。
前文以用于钟表机芯的游丝作为示例进行了说明,但是很明显,对于手表机芯的任何其他部件(齿轮,擒纵轮,擒纵叉,枢转部件等),更概括地说任何微机械部件,都可以获得相同的优点而不会背离本发明的范围。
Claims (14)
1.一种将被集成在钟表机构内的硅微机械部件,其特征在于,所述部件在整个表面上覆盖有二氧化硅的涂层,并且所述涂层的厚度比原生二氧化硅的厚度大五倍。
2.根据权利要求1的部件,其特征在于,所述部件为枢转部件。
3.根据权利要求2的部件,其特征在于,所述部件为选自齿轮、擒纵轮和擒纵叉的枢转部件。
4.根据权利要求1的部件,其特征在于,所述部件为被动部件。
5.一种用于制造强化的硅微机械部件的方法,所述方法包括以下步骤:
-在硅钢薄板内蚀刻所述部件或一批所述部件,
-在一个或多个步骤中,在所述部件的整个表面上沉积二氧化硅层,所述沉积是通过在900℃到1200℃的温度下对所述部件的表面进行足够长时间的热氧化以获得二氧化硅层实现的,所述二氧化硅层的厚度至少比原生二氧化硅的厚度大五倍。
6.根据权利要求5的方法,其特征在于,所述部件为枢转部件。
7.根据权利要求6的方法,其特征在于,所述部件为选自齿轮、擒纵轮和擒纵叉的枢转部件。
8.根据权利要求5的方法,其特征在于,所述部件为被动部件。
9.根据权利要求5的方法,其特征在于,在所述方法的第一步骤中,将所述部件蚀刻成具有比预期最终尺寸稍小的尺寸。
10.根据权利要求5的方法,其特征在于,所述方法还包括附加步骤,在该附加步骤中利用为摩擦学特性选择的材料的涂层至少部分地覆盖所述二氧化硅沉积物。
11.根据权利要求5的方法,其特征在于,在沉积二氧化硅层的步骤之后,所述方法包括利用BHF通过化学蚀刻清除所述层的特定部分的步骤。
12.一种将被集成在钟表机构内的硅微机械部件,其特征在于,所述部件是通过根据权利要求5-11中任一项的方法获得的。
13.根据权利要求1或12的部件,其特征在于,所述二氧化硅的涂层的厚度大于50nm。
14.根据权利要求1或12的部件,其特征在于,所述二氧化硅的涂层在与运动链系的其他部件接触的部分上还至少部分地覆盖有为摩擦学特性而选择的涂层。
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