CN101539754B

CN101539754B - 整体双游丝及其制造方法

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Publication number: CN101539754B
Application number: CN2009101346805A
Authority: CN
Inventors: P·-A·巴勒; M·维拉多; T·科努斯; J·-P·蒂鲍德; J·-B·彼得斯; P·库辛
Original assignee: Nivarox SA
Current assignee: Nivarox SA
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: TWI463280B; HK1136358A1; KR20090101118A; SG155864A1; JP2009229463A; JP5280903B2; US9459589B2; TW201007394A; DE602008001778D1; ATE474250T1; EP2104006B1; CN101539754A; US20090236782A1; EP2104006A1

Abstract

本发明涉及双游丝(21)，双游丝包括在硅基材料层(11)中制成的同轴安装在内桩(13，27)上的第一游丝(23)，内桩(13，27)包括从所述游丝突出的延伸部分(9)并且所述该延伸部分在硅基材料(5)的第二层中制成。根据本发明，所述延伸部分延伸(17)到与第二游丝(25)同轴的硅基材料的第三层(7)中以形成硅基材料制成的整体双游丝(21)。本发明还涉及包括这种游丝的计时器及制造这种游丝的方法。本发明涉及计时器机心领域。

Description

整体双游丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及双游丝(double balance spring)及其制造方法，更具体地涉及在单件中形成的双游丝。

背景技术

计时器的调节部件一般包括称作摆轮(balance)的惯性轮和称作游丝的谐振器。这些部分具有有关计时器的工作质量的决定性作用。实际上，它们调节机心，也就是，它们控制机心的频率。

在双游丝的情况下，材料已被测试以限制温度变化对调节部件的影响而没有解决关于装配或共振调整的困难，其中，双游丝整体形成在调节部件中。

发明内容

本发明的目的是通过如下手段克服全部或部分上述缺点：提供整体双游丝，该整体双游丝的热弹性系数可以被调整并且使用最小化装配困难的制造方法得到。

因此本发明涉及一种双游丝，其包括在硅基材料层中制成的同轴安装在内桩(collet)上的第一游丝，内桩包括从所述游丝突出的一个延伸部分，且该延伸部分在硅基材料的第二层中制成，其特征在于所述延伸部分延伸到与第二游丝同轴的硅基材料的第三层中以便形成由硅基材料制成的整体双游丝。

根据本发明的其他有利特征：

-内桩在每个所述层中具有大致相同的截面以便于调整所述双游丝；

-内桩在所述层中的至少之一上具有大致不同的截面，

-游丝包括以相同方向或斜度(pitch)缠绕的线圈，

-游丝的每一个的外曲线的端部彼此垂直(plumb)，由此单个装置可被用于将所述双游丝插接到内桩上，

-游丝具有相同的角刚度或斜度，

-游丝中的至少一个的至少一部分由二氧化硅制成，以使其具有更大的机械阻力并且调整其热弹性系数；

-游丝中的至少一个的内线圈具有Grossmann曲线以改善所述线圈的同心展开，

-内桩具有金属部分，心轴在该金属部分中被驱动。

更概括地讲，本发明涉及一种计时器，特征在于其包括根据前述变型中任何一项所述的双游丝。

最后，本发明涉及制造双游丝的方法，其包括以下步骤：

a)提供包括硅基材料的顶层和底层的衬底，

b)在顶层中选择性蚀刻至少一个空腔以限定所述双游丝的由硅基材料制成的内桩的第一部分的图案，

c)将硅基材料的附加层连接到衬底的被蚀刻的顶层，

d)在附加层中选择性蚀刻至少一个空腔以延续内桩的图案并且限定所述双游丝的由硅基材料制成的第一游丝的图案，

特征在于其进一步包括以下步骤：

-在底层中选择性蚀刻至少一个空腔以延续内桩的图案并且限定所述双游丝的由硅基材料制成的第二游丝的图案，

-从衬底分离双游丝。

根据本发明的其他有利特征：

-在步骤d)之后，其包括步骤g)：氧化硅基材料制成的第一游丝以使其具有更大的机械阻力并且调整其热弹性系数，

-在步骤e)之后，其包括步骤g’)：氧化硅基材料制成的第二游丝以使其具有更大的机械阻力并且调整其热弹性系数，

-在步骤e)之前，其包括步骤h)：将至少一个金属层选择性沉积到底层上以限定内桩上的金属部分的图案，

-步骤h)包括步骤i)：至少部分地在底层的表面上以连续金属层的方式使所述沉积生长，从而形成用于接收心轴的金属部分，心轴在金属部分中被驱动，

-步骤h)包括步骤j)：在底层中选择性蚀刻至少一个空腔以用于接收金属部分，以及步骤k)：至少部分地在所述至少一个空腔中以连续金属层的方式使所述沉积生长，从而形成金属部分，心轴在金属部分中被驱动，

-步骤h)包括最后步骤1)：抛光金属沉积，

-在同一衬底上制成多个双游丝，这允许批量制造。

附图说明

其他特性和特点将从以下说明中更清楚的显现，其参考附图通过非限制性描述给出，在附图中：

图1-5显示了根据本发明的制造方法的连续视图；

图6-8显示了替代性实施例的连续步骤的视图；

图9显示了根据本发明的方法的流程图；

图10和11显示了根据第一实施例的整体双游丝的透视图；

具体实施方式

本发明涉及一种用于制造计时器机心的双游丝21的方法，其总体上标记为1。如图1-9中所示，方法1包括用于形成至少一种整体双游丝的连续步骤，该双游丝能够完整地由硅基材料形成。

参考图1和9，第一步骤100包括提供硅绝缘体(SOI，silicon-on-insulator)衬底3。衬底3包括顶层5和底层7，每一层都由硅基材料形成。

优选地，在该步骤100中，衬底3被选择使得底层7的高度与最终的双游丝21的一部分的高度相匹配。

优选地，顶层5相对于底层7被用作间隔装置。因此，顶层5的高度将适合于与双游丝21的外形一致。根据所述外形，顶层5的厚度因而可以变动，例如，在10-200μm之间。

在图2所示的第二步骤101中，在硅基材料的顶层5中例如通过DRIE(深反应离子蚀刻)处理选择性地蚀刻空腔8和10。这些空腔8和10可以优选地形成图案9，该图案9限定了双游丝的由硅基材料制成的内桩的一部分的内部轮廓和外部轮廓。

在图10和11中所示的实例中，图案9形成双游丝21的内桩27的中间部分。如图2所示，图案9是具有圆形截面的大致圆筒形。然而，有利地根据方法1，在顶层5上的蚀刻留出关于图案9的几何形状完全的自由度。因此，其可以不必是圆形，而是，例如，椭圆和/或具有非圆形的内径。

在图3所示的第三步骤102中，硅基材料的附加层11被增加到衬底3。优选地，附加层11通过硅熔粘结(SFB，silicon fusion bonding)固定于顶层5。因此，步骤102有利地通过用很高的粘附度将图案9的顶面粘合到附加层11的底面来覆盖顶层5。附加层11例如可具有与底层7相似的厚度。

在图4所示的第四步骤103中，例如通过与步骤101中相似的DRIE处理在附加硅层11中选择性蚀刻空腔12和14。这些空腔12和14形成两个图案13和15，其限定了双游丝21的硅部分的内部轮廓和外部轮廓。

在图4中所示的实例中，图案13是具有圆形截面的大致圆筒形，并且图案15是大致螺旋形。然而，有利地根据方法1，在附加层11上的蚀刻允许关于图案13和15的几何形状的完全的自由度。因此，特别地，图案15可以，例如，包括更多的圈或者开口外曲线。

优选地，在附加层11中制成的图案13与在顶层5中制成的图案9有相似的形状和铅垂度。这就是说分别形成图案9和13的内径的空腔10和12彼此相通并且基本上是一个图案位于另一个图案的顶部。在图10和11中所示的实例中，图案13和9分别形成双游丝21的内桩27的上部和中部。

优选地，由材料16制成的至少一个夹板(bridge)被形成以在制造中将双游丝21保持在衬底3上。在图4中所示的实例中，可以看到由材料16制成的夹板位于图案15的外曲线和非蚀刻层11的剩余部分之间。

有利地，当图案13和15同时被蚀刻时，它们在附加层11中形成整体部分。在图10和11中所示的实例中，图案13和15分别形成双游丝21的内桩27的顶部和第一游丝23。

在该第四步骤103后，显然，在附加层11中蚀刻的图案13和15通过图案13的底部以高的粘附度连接到在顶层5中蚀刻的图案9上，并且通过图案15的外曲线侧面连接到附加层11。

优选地，如图9中虚线所示，方法1可以包括第五步骤104，其包括氧化至少图案15，也就是，双游丝的第一游丝23，由此使得所述第一游丝具有更高的机械阻力并且调整其热弹性系数。该氧化步骤在欧洲专利EP1 422 436中作了解释，该专利通过参考并入本文。

有利地，根据本发明，在第四步骤103后，或者优选地，在第五步骤104后，方法1可以包括三个实施例A，B和C，如图9所示。然而，三个实施例A，B和C中的每一个都在同一最终步骤106处结束，该步骤106包括从衬底3分离制造的双游丝21。

有利地，分离步骤106可以通过对双游丝21施加足够的力以断开由材料16制成的夹板来简单地实现。该力可以，例如，通过操作者手动地产生或者通过机械加工产生。

根据第一实施例A，在图5所示的第六步骤105中，例如通过与步骤101和103中相似的DRIE处理在硅基材料的底层7中选择性地蚀刻空腔18和20。这些空腔18和20形成两个图案17和19，其限定了双游丝21的硅部分的内部轮廓和外部轮廓。

在图5所示的实例中，图案17是具有圆形截面的大致圆筒形并且图案19是大致的螺旋形。然而，有利地根据方法1，在底层7中的蚀刻留出关于图案17和19的几何形状完全的自由度。因此，特别地，图案19可以，例如，具有更多的圈或者开口外曲线。

优选地，在底层7中制成的图案17与在顶层5中制成的图案9具有相似的形状和充分的铅垂度。也就是说分别形成图案17，9和13的内径的空腔18，10和12彼此相通并且大致为一个位于另一个顶部。在图10和11所示的实例中，图案13，9和17形成双游丝21的整体内桩27。

优选地，材料16制成的至少第二夹板被形成以在制造中将双游丝21保持在衬底3上。图5中所示的实例显示了材料16制成的一个夹板位于图案19的外曲线与非蚀刻层7的剩余部分之间。

有利地，当图案17和19同时蚀刻时，其在底层7中形成整体部分。在图10和11所示的实例中，图案17和19分别形成双游丝21的内桩27的底部和第二游丝25。

在第六步骤105之后，显然在底层7中蚀刻的图案17和19以高的粘附度通过图案17的顶部连接到在顶层5中蚀刻的图案9上，并且通过图案19的外曲线侧面连接到底层7。

从而在上述的最终步骤106之后，第一实施例A制造了完全由硅基材料形成的整体双游丝21，如图10和11所示。由此显然不再有任何装配的问题，因为在双游丝21的制造中直接执行装配。双游丝21包括通过单个内桩27彼此同轴连接的第一游丝23和第二游丝25。

如上所述，内桩27通过蚀刻连续的相应层11，5和7由三个连续图案13，9和17而形成。由此显而易见，中间图案9适于用作第一游丝23和第二游丝25之间的间隔装置，而且也用作所述游丝的引导装置。有利地，根据方法1，由此可能通过对顶层5的厚度的选择来直接限定两个游丝23和25之间的空间及其引导性质。

相似地，游丝23，25的高度以及，附带地，该内桩27的顶部和底部13和17的高度(不必相等)可以通过对附加层11和底层7的厚度的选择来直接限定。

而且，在方法1的步骤103和105中执行的蚀刻允许关于游丝23，25和内桩27的几何形状的完全的自由度。因此，特别地，每个游丝23和25可以具有其自身的圈数、与内桩27相近似的其自身的几何特点、其自身的绕圈方向以及其自身的曲线几何形状(尤其是关于外部)。作为示例，游丝23，25的一个和/或另一个由此可以具有开口外曲线以与指针组件配合或者在外曲线的端部具有可以用作附接点的凸部。

依据同样的原因，至少对于底部17、中部9和/或顶部13其中之一，内桩27可以具有同样特殊的或者不同的尺寸和/或几何形状。当然，根据心轴(内桩27将安装在该心轴上)，内径在内桩27高度的全部或部分上可以具有互补形状。类似地，内径和/或外径不必是圆形的，而可以是，例如，椭圆形和/或多边形。

在图10和11所示的实例中，游丝23和25具有同样的高度，也就是其在同样厚度的层7和11中蚀刻并且具有同样的圈数。其外曲线的端部相对于内桩移动大约180度角。最后，游丝23和25的线圈具有相反的缠绕方向。并且，内桩27具有整体均一的高度并且是具有圆形截面的大致圆筒形。

如上所述，由于方法1允许的制造自由度，情况可以不同，也就是每个游丝23，25的外曲线的端部可以相互垂直，这将有利地使单个装置能够用于将两个游丝23和25插接到内桩上。

还应当注意到，深反应离子蚀刻的非常好的结构精度减小了每个游丝23和25的起始半径，也就是内桩27的外径，这说明内桩27的内径和外径可以小型化。由此显然，双游丝21能够有利地通过其空腔18，10和12接收心轴，该心轴的直径比当前通常制造的心轴的直径小。

优选地，所述心轴可以固定于内桩27的内径18和/或10和/或12。使用在硅内桩27中蚀刻的弹性转置可以实现紧固。这种弹性装置可以，例如，具有在欧洲专利EP1655642的图10A-10E中公开的弹性装置或者在欧洲专利EP1 584994的图1，3和5中公开的弹性装置的形式，所述的专利通过参考并入本文。

根据第二实施例B，在步骤103或104之后，方法1包括图6所示的第六步骤107，包括实施LIGA处理(来自德语“Galvanoformung& Abformung”)。该处理包括一系列步骤，其用于使用光致结构(photostructured)的树脂将金属以特定形状电镀到衬底3的底层7上。由于LIGA处理是公知的，这里不再更详细地描述。优选地，被沉积的金属可以是，例如，金或镍或这些金属的合金。

在图6所示实例中，步骤107可以包括沉积圆筒体29。在图6所示的实例中，圆筒体29用于接收心轴，心轴有利地在圆筒体29中被驱动。当然，硅的一个缺点是其具有非常小的弹性范围和塑性范围，使其非常易碎。本发明因此打算不抵靠硅内桩27来安装心轴，例如摆轴，而是将其安装到在步骤107中被电镀的金属圆筒体29的内径28。

有利地，根据方法1，通过电镀得到的圆筒体29允许关于其几何形状的完全的自由度。因此，特别地，内径28不必是圆形的，而是例如多边形的，这可以在与具有匹配形状的心轴的旋转中改善应力的传递。

在第七步骤108中，与图5所示的步骤105相似，例如通过DRIE方法在硅基材料的底层7中选择性地蚀刻空腔。这些空腔允许形成用于第二游丝和内桩的图案，与第一实施例A的图案19和17相似。

在上述最终步骤106之后，第二实施例B因此制出了由硅基材料形成的整体双游丝，其具有附加的金属部分29，该第二实施例具有与实施例A同样的优点。因此显然不再有任何装配问题，因为在双游丝的制造中直接执行装配。最后，有利地，心轴可以抵靠金属部分29的内径28被驱动。因此可以设想空腔10和12包括比金属部分29的内径28更大尺寸的截面，以避免心轴以推入配合的方式与内桩27接触。

根据第三实施例C，在步骤103或104之后，方法1包括图7中显示的第六步骤109，包括在硅基材料的底层7中例如通过DRIE处理选择性蚀刻空腔30到有限的深度。空腔30形成凹部以用作金属部分的容器。在如图7所示的实例中，得到的空腔30可以具有圆盘的形式。然而，有利地根据方法1，对底层7的蚀刻允许关于空腔30的几何形状的完全的自由度。

在第七步骤110中，如图8所示，方法1包括根据特定的金属形状实施用于填充空腔30的电生长(galvanic growth)或者LIGA处理。优选地，被沉积的金属可以是，例如，金或者镍。

在图8所示的实例中，步骤110可以包括在空腔30中沉积圆筒体31。圆筒体31用于接收心轴，心轴有利地在圆筒体31中被驱动。当然，如上所述，本发明的一个优点在于不是抵靠内桩27的硅基材料，而是抵靠步骤110中所电镀的金属圆筒体31的内径32紧固心轴，例如摆轴。

有利地根据方法1，由电镀得到的圆筒体31允许关于其几何形状的完全的自由度。因此，特别地，内径32不必是圆形，而是，例如，多边形，这可以在与具有匹配形状的心轴的旋转中改善应力的传递。

优选地，方法1包括第八步骤111，包括抛光在步骤110中制成的金属沉积31以便使所述沉积变平。

在第九步骤112中，与图5中所示的步骤105相似，在硅基材料的底层7中例如通过DRIE处理来选择性蚀刻空腔。这些空腔形成第二游丝和内桩的图案，与第一实施例A中的图案19和17相似。

在上述最终步骤106之后，第三实施例C制出了由硅基材料形成的整体双游丝，其具有与实施例A具有同样的优点：具有附加的金属部分31。由此显然不再有任何装配问题，因为在双游丝的制造中直接执行装配。最后，有利地，心轴可以抵靠金属部分的内径32被驱动。因此可以优选地设想空腔10和12包括比金属部分31的内径32更大尺寸的截面，以避免心轴以推入配合的方式与内桩27接触。

根据所述三个实施例A，B和C，应当理解，最终的双游丝21在被结构化之前被装配，也就是，在被蚀刻和/或通过电镀而改变之前被装配。这有利地使当前装配两个游丝所产生的偏差最小化，从而提高调节部件所依赖的精度。

有利地，根据本发明，显然在同一衬底3上制造多个双游丝21是可能的，这允许批量生产。

而且，也可以同样地或者单独地由附加层11和/或顶层5制造与金属沉积29和/或31同样类型的驱动插入件。还可以设想两个游丝23和25被氧化以使得其具有更高的机械阻力并且调整其热弹性系数。还可以将传导层沉积到双游丝21的至少一部分上以防止等时性问题。该层可以是欧洲专利EP1837722中公开的类型，该专利通过参考并入本文。最后，类似于步骤111的抛光步骤也可以在步骤107和步骤108之间被执行，如图9中虚线所示。

Claims

1.一种双游丝(21)，包括在硅基材料层(11)中制成的同轴安装在内桩(13，27)上的第一游丝(23)，其特征在于内桩(13，27)包括从所述游丝突出的在硅基材料的第二层(5)中制成的一个延伸部分(9)，所述延伸部分延伸(17)到与第二游丝(25)同轴的硅基材料的第三层(7)中，从而形成由硅基材料制成的整体双游丝(21)。

2.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于内桩(13，9，17，27)在每个所述层中具有大致相同的截面以便于调整所述双游丝。

3.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于内桩在层(5，7，11)的至少之一上具有实质上不同的截面。

4.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)包括以相同方向缠绕的线圈。

5.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)包括以不同方向缠绕的线圈。

6.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)的每一个的外曲线的端部彼此垂直以允许使用单个装置将所述双游丝插接到内桩上。

7.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)具有相同的角刚度。

8.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)各自具有不同的角刚度。

9.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)中的至少一个具有至少一个二氧化硅基部分以使得所述游丝具有更大的机械阻力以及调整所述游丝的热弹性系数。

10.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于游丝(23，25)中的至少一个的内线圈具有Grossmann曲线以改善所述双游丝的同心展开。

11.根据权利要求1所述的双游丝，其特征在于内桩(27)具有用于接收心轴的金属部分(29，31)，心轴在所述金属部分中被驱动。

12.一种计时器，其特征在于包括根据上述权利要求中任一项所述的双游丝。

13.一种制造双游丝(21)的方法(1)，包括以下步骤：

a)提供(100)包括硅基材料的顶层(5)和底层(7)的衬底(3)，

b)在顶层(5)中选择性蚀刻(101)至少一个空腔(8，10)以限定所述双游丝的由硅基材料制成的内桩(27)的第一部分的图案(9)，

其特征在于进一步包括以下步骤：

c)将硅基材料的附加层(11)连接(102)到衬底(3)的被蚀刻的顶层(5)，

d)在附加层(11)中选择性蚀刻(103)至少一个空腔(12，14)以延续内桩(27)的图案并且限定所述双游丝的由硅基材料制成的第一游丝(23)的图案(15)，

e)在底层(7)中选择性蚀刻(105，108，112)至少一个空腔(18，20)以延续内桩(27)的图案并且限定所述双游丝的由硅基材料制成的第二游丝(25)的图案(19)，以及

f)从衬底(3)分离双游丝(21)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤d)之后，进一步包括以下步骤：

g)氧化硅基材料制成的第一游丝(23)以使得所述游丝具有更大的机械阻力并且调整其热弹性系数。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤e)之后，进一步包括以下步骤：

g’)氧化硅基材料制成的第二游丝(25)以使得所述游丝具有更大的机械阻力并且调整其热弹性系数。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤e)之前，进一步包括以下步骤：

h)将至少一个金属层选择性沉积(107，110)到底层(7)上以限定内桩(27)上的金属部分(29，31)的图案。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于步骤h)包括以下方面：

i)至少部分地在底层(7)的表面上以连续金属层的方式使所述沉积生长(107)，从而形成用于接收心轴的金属部分(29)，心轴在所述金属部分(29)中被驱动。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于步骤h)包括以下方面：

j)在底层(7)中选择性蚀刻(109)至少一个空腔(30)以用于接收金属部分(31)；

k)至少部分地在所述至少一个空腔中以连续金属层的方式使所述沉积生长(110)，从而形成用于接收心轴的金属部分(31)，心轴在所述金属部分(31)中被驱动。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于步骤h)包括以下的最后方面：

l)抛光(111)金属部分(29，31)。

20.根据权利要求13-19中任一项所述的方法，其特征在于在同一衬底(3)上制造多个双游丝(21)。