CN101625541B - 制造微机械部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造机械部件(51)的方法(1)，包括如下步骤：a)提供(3)由可微加工材料制成的基片(53)；b)借助于光刻法，在所述整个基片上蚀刻(5)包含所述部件的图案(50)；根据本发明，该方法还包括如下步骤：c)将所述蚀刻的基片安装(7)在支座(55’)上，使得可容易接近所述基片的顶面和底面；d)在所述部件外表面上沉积(9，C’)比所述可微加工材料摩擦质量好的涂层；e)将部件从基片上分离(11)。本发明涉及时钟制造领域。
Description
技术领域
本发明涉及制造由可微加工材料制成的机械部件的方法，以及更具体而言，涉及可用于制造时钟的这种类型的部件。
背景技术
在晶体硅基材料上制造时钟部件是周知的。实际上，使用如晶体硅的可微加工材料在制造精度方面有优势，这归功于当前方法的进步，特别是在电子领域中。但是，由于可微加工材料的摩擦性能不足，因此，尽管也许能够制造摆轮游丝，但还不能将其用于所有时钟部件。此外，当前制造方法实现起来依然复杂，而且要直接操作制造的部件，有损坏这种部件的危险。
发明内容
本发明的一个目的是，通过提出一种允许简单的、高质量制造能够用于大部分机械时钟部件的微机械部件的方法，克服上述所有或部分缺点。此外，该方法可以对部件进行简单、可靠的预组装，避免了对其功能部分的任何操作，使得该部件可随时安装到例如时钟的装置上而不必被触碰到。
因此本发明涉及一种制造机械部件的方法，包括如下步骤：
a)提供由可微加工材料制成的基片；
b)借助于光刻法，在所述整个基片上蚀刻包含所述部件的图案；
特征在于，其还包括如下步骤：
c)将所述蚀刻的基片安装在支座上，使得所述基片的顶面和底面容易接近；
d)在所述部件外表面上沉积比所述可微加工材料摩擦质量好的涂层；
e)将部件从基片上分离。
根据本发明其它有利的特点：
-步骤c)包括这些步骤：f)使用对准装置相对于所述支座导引基片，以可靠地定向所述基片，以及g)使基片靠着固定到支座的至少一个销滑动，直到基片紧靠所述至少一个销的轴肩，销的轴肩被制成与所述支座有一定距离，以将基片保持成相对于所述支座是高的；
-对准装置放置成高于所述至少一个销和所述叉子，以保证步骤f)和随后g)的连续；
-支座包括多个对准装置，以改进步骤f)中的导引；
-在步骤b)中在图案中蚀刻至少一个材料桥以将该部件保持固定于基片；
-所述至少一个材料桥包括在连接到所述部件的端部的窄部分，以产生能够便于步骤e)的薄弱的区域；
-通过基片和部件之间的相对移动，以断开所述至少一个材料桥以实现步骤e)；
-在步骤e)之后，该方法包括步骤h)，在所述部件上组装卡夹，使得所述部件随时可被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部分；
-步骤h)包括这些步骤：i)将装配有叉子的反向支座安装在所述支座上，使得叉子与所述部件配合，j)将反向支座-支座组件翻转，随后移走支座，以使所述部件靠着叉子滑动，以及k)在部件上安装卡夹；
-步骤i)包括这些步骤：使用对准装置相对于所述支座导引反向支座以将所述反向支座可靠地定向，并使至少一个管子和叉子分别靠着固定到支座的销和部件滑动，直到它们紧靠所述销的轴肩，以为翻转反向支座-支座组件作准备；
-可颠倒步骤e)和d)；
-可由同一基片制造多个部件；
-所述可微加工材料包括晶体硅、结晶二氧化硅和结晶矾土。
附图说明
从下文的以非限制性表述方式的描述，并参照附图，可更清楚的看到其它特点和优点。
图1为光刻和蚀刻步骤后的基片图；
图2为图1的一部分的放大；
图3是根据本发明组装到支座上的步骤图；
图4为涂层沉积步骤图；
图5为根据本发明的反向支座组装步骤图；
图6为根据本发明的翻转步骤图；
图7为根据本发明的卡夹组装步骤图；
图8为本发明方法的流程图。
具体实施方式
示于图8的实例示出了大体上以附图标记1示出的方法的流程图。方法1主要包括用于制造机械部件51的6个步骤3、5、7、9、11和13，机械部件51的核心由可微加工材料基板制成。实际上，可微加工材料由于具有小于1微米的精度，因此特别有利于制造例如钟表部件，并有利地取代了通常使用的金属材料。
在下文的说明中，该可微加工材料可为晶体硅基材料，例如单晶硅；结晶二氧化硅，例如石英；或结晶矾土，例如刚玉(也称为人造蓝宝石)。显然，可想到其它可微加工材料。
步骤3包括获取基片53，基片53由类似于例如用于制造电子元件的单晶硅晶片的可微加工材料制成。优选地，在步骤3设有薄化阶段以调整部件51的最终厚度。这个阶段通常可由机械或化学背减薄技术实现。
步骤5包括通过在整个基片53上光刻、随后蚀刻来制作图案50，图案包括待制造的机械部件51。有利地，正如能够在图1和2中看到的，相对于部件51的尺寸而言，基片53的较大尺寸可以蚀刻多个图案50，从而可以在同一基片53上制造出多个部件51。
在图1和2示出的实例中，每个机械部件51都是用于时钟的擒纵轮。当然，方法1可以制造其它时钟部件，而且，如下文说明的，方法1可以在同一基片53上制造多个不同部件。
步骤7包括将蚀刻的基片53安装到支座55’上，使得容易接近基片的顶面和底面。这个步骤方便了步骤9的实现，步骤9包括在部件51的外表面上沉积比所述可微加工材料摩擦质量好的涂层。实际上，将基片53放置得高于支座55’便于沉积涂层，因为其允许接近每个部件51的顶部、任意厚度处和底部。
步骤9可以沉积涂层，涂层有利地取代了可微加工材料的任何摩擦质量的不足。
这种涂层可为例如碳同素异形体基涂层。人们也能想到通过化学气相沉积(CVD)来沉积类似于人造金刚石的晶体碳。也可由物理气相沉积(PVD)来沉积非晶质碳，例如类金刚石(DLC)。当然，也可用一种或多个种其它材料作为碳的取代物或附加物。也能够想到其它沉积方法。
步骤11包括从基片53上分离每一个部件51。从而，在图中示出的实例中，根据方法1，可在同一基片53上得到许多机械部件51。步骤13包括使用反向支座81’在部件51上组装卡夹91’，使得该预组装部件51随时可被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部件。
在图1到图7示出的实例中，人们于是可得到例如擒纵轮，其核心由单晶硅制成，以及根据下文说明的实施例，擒纵轮包括由人造金刚石制成的外表面和/或预组装卡夹91’。
现在可由主要步骤3、5、7、9和11说明每个实施例。在第一实施例中，方法1包括由图8中的单线示出的连续步骤3、5、7、9和11。第一步骤3包括获取由可微加工材料制成的基片53。
随后，第二步骤5包括对整个基片53光刻、随后蚀刻来制作图案50，每个图案包括待制造的机械部件51。根据示于图8的流程图的第一实施例，第二步骤5包括三个阶段15、17和19。
在第一阶段15，在基片53上构造保护膜。优选地，保护膜用光敏树脂制成。随后使用选择辐射来形成保护膜，其中选择辐射用于将所述膜构造成在形状上相应于每个待制作的图案50。因为步骤15，所以能够以非常精确的方式将任何平面形状选择性地蚀刻在基片53上。
在第二阶段17，对基片53-保护膜组件进行各向异性蚀刻。优选使用深反应离子蚀刻(DRIE)。该各向异性蚀刻能够在没有被所述保护膜保护的区域以近似直线的方式蚀刻基片53。在第二阶段17的蚀刻优选地在基片53的整个厚度上执行，并且，可能的话，沿着对这种蚀刻有利的可微加工材料的晶轴执行。
此外，根据本发明，如在图1和图2所示出的，每个图案50优选地有两个材料桥57。这些桥能够在步骤11之前使部件51相对于基片53保持在适当的位置。如在图2中可见的，材料桥57包括在部件51的端部的窄部分，该窄部分连接到图案以产生能够便于分离步骤11的薄弱的区域。
最后，根据第一实施例，第二阶段17也用于在基片53上蚀刻孔59，孔59形成对准装置的一部分。在示于图1的实例中，能够看到已经形成了三个孔59，彼此间以大约120度分布，并接近基片53的边缘。
在第二步骤5的第三且最后阶段19中，保护膜从基片53的表面移走。于是得到了包括多个图案50的基片53，图案50包括通过两个如图1和图2示出的材料桥57固定到基片53的部件51。当然，在步骤5中，人们可想到制造单个或多于两个材料桥57。
根据第一实施例，第三步骤7包括将蚀刻的基片53安装到支座55’上，使得可容易接近基片53的顶面和底面，以便为沉积步骤9做准备。如图8示出的，第三步骤7包括阶段21和23。
图3示出了根据第一实施例的支座55’的实例。支座55’为板，其材料能够承受住步骤9的温度，例如陶瓷。为了相对于支座55’悬置基片53，支座具有杆61’和销71’，分别用于与在步骤5中在基片53中制造的部件51的凹槽59和孔69配合。为了与支座55’同样的原因，杆61’和销71’优选地由钨或钽制成。
优选地，每个大致圆柱形杆61’具有通过轴肩67’连接到较小截面的高部件65’的低部件63’。低部件63’以固定的方式近似垂直地安装在支座55’中。在高部件65’的延伸部分中有属于下文提到的对准装置的倒角支柱60’。
优选地，每个大致圆柱形销71’具有通过轴肩77’连接到较小截面的高部件75’的低部件73’。低部件73’以固定的方式近似竖直地安装在支座55’中。高部件75’端部是尖端，以便于进入与其相关联的孔69。
在第一阶段21，如在图3中看到的，通过将基片53沿着方向A’靠近支座55’移动，使用对准装置沿着方向B’导引基片53，使得相对于支座55’可靠地为基片53定向。
在第二阶段23，基片53沿平移A’继续移动靠近，其靠着每个杆61’的高部件65’随后也靠着每个销71’的高部件75’滑动，直到基片53大致紧靠每个销71’的轴肩77’。如在图3所看到的，在步骤7的末尾，基片53稳定地定位，其唯一的自由度是向上平移A’。也可以看到，基片53也相对于杆61’的轴肩67’高出示于图3的距离d。
在图2示出的实例中，在图案50的右底部和左顶部，可看到对准装置支柱60’-孔59的变型。在基片53边缘的空间意味着不能制造孔59时提供这种变型。根据该变型，设置了两个支柱93、97，每个都与图案50的空闲部分配合。两个图案50优选地彼此尽可能远，并且每个都接近基片53的边缘。在图2示出的实例中，能够看到每个近似三角形的支柱93和97中心对称地与不同图案50配合，以改进步骤21中的导引。优选地相对于基片53的中心实现该对称，该对称使用示于图1的实例的左顶部和右底部的图案50。
优选地，对准装置60’、59、93、97在竖直方向上高于杆61’和销71’，以保证阶段21、随后23的连续。
根据第一实施例，第四步骤9包括在每个部件51的外表面上沉积涂层的阶段24。如在上文说明的，该涂层可为例如用于改进每个部件51的摩擦的碳同素异形体，特别是通过减少部件51的摩擦系数来进行改进。如在图4中由箭头C’示出的，在阶段24，在每个部件51的下方、厚度方向以及上方沉积涂层，这是借助于将基片53放高的步骤7以及因为在步骤5中，基片53被彻底地蚀刻。
根据第一实施例，第五步骤11包括阶段26，阶段26包括将每个部件51从基片53分离。通过将每个部件51相对于基片53移动以断开保持部件51的桥57来实现阶段26。可通过沿着图4中可见的箭头D’，朝每个杆61’的轴肩67’手动地或用自动机器推动基片53来实现阶段26。
该推动随后减少了基片53和每个杆61′的轴肩67′之间的距离d。但是，因为每个部件51已经紧靠销71′的轴肩77′，从而该推动引起了基片53相对于每个部件51的相对移动，这引起了每个材料桥57与它的关联部件51在相交处的断开。从而很清楚在阶段26之后，每个部件51仅由它的孔69保持靠在它的销71’上，基片53由于其凹槽59而降下来保持靠在杆61’的轴肩67’上，如图5中的点线所示。
于是，方法1的第一实施例产生了机械部件51，机械部件的可微加工材料例如单晶硅的核心涂有例如结晶碳或非晶质碳的层。
说明了第一实施例后，很明显，第二实施例是可能的。实际上，因为在步骤11中每个部件51都由它自己的销71’来支撑，因此颠倒步骤9和步骤11是可能的，如在图8中以双线示出的。因而，根据第二实施例的方法1包括连续步骤3、5、7、11和9。步骤3、5和7与第一实施例中的相同，因此不再对它们进行详述。
在第三步骤7之后，第四步骤11包括阶段25，其包括将每个部件51从基片53中分离。通过将每个部件51相对于基片53移动以将保持部件的桥57断开来实现阶段25。可通过沿着图4可见的箭头D’，朝每个杆61’的轴肩67’手动地或用自动机器推动基片53来实现阶段25。因而，每个部件51都由其固定到支座55’的销71’支撑。从而很明显可移走基片53。
根据第二实施例，第五步骤9包括在每个部件51的外表面上沉积涂层的阶段27。如在上文说明的，该涂层可为例如用于改进每个部件51的摩擦的碳同素异形体，特别是通过减少部件51的摩擦系数来进行改进。如在上文说明的，在阶段27，在每个部件51的下方、厚度方向以及上方沉积涂层，这是借助于将基片53放高的步骤7，而且因为有利地根据第二实施例，在步骤11中，基片53已被移走。
在这点上，也很明显，有利地根据第二实施例，在比第一实施例更大的表面上沿每个部件51的厚度进行涂覆，因为材料桥57已在第四步骤11中与基片53一起移走。
从而，方法1的第二实施例以与第一实施例同样简单的方式产生了机械部件51，机械部件的可微加工材料例如单晶硅的核心涂有例如结晶碳或非晶质碳的层。
在上文说明的两个实施例的每一个之后，方法1可包括第六步骤13，其包括使用反向支座81’在部件51上组装卡夹91’，使得该预组装部件51随时可被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部件。步骤13包括阶段29、31和33。
第一阶段29包括沿着方向E’将装配有叉子87’的反向支座81’安装在支座55’上，使得一个叉子87’的齿82’与一个部件51配合，并从而为组装卡夹91’作准备。如在图5中可见的，首先，通过相对于支座55’沿着方向E’移动反向支座81’，使用对准装置导引反向支座81’，使得反向支座81’相对于支座55’可靠地定向。
对准装置优选地由倒角支柱60’形成，倒角支柱已经在步骤七的阶段21中使用过，其安装在高部件65’的延伸部分中，并与固定在反向支座81’上的管状部件85’之一配合。方法1优选地包括三个对准装置60’、85’，以改进在第一阶段29中的导引。
其次并且最后，通过沿着平移E’将反向支座81’连续地带到靠近支座55’的位置，每个叉子87’、还有每个管状部件85’分别靠着都是由支座55’支撑的部件51和每个杆61’的高部件65’滑动。当反向支座81’紧靠每个杆61’的轴肩67’的时候，第二时段结束。
如在图5可见的，在阶段29的末尾，反向支座81’部分地覆盖通过关联的部件51的每个销71’，而且也部分地覆盖通过每个杆61’的高部件65’。在图2的右顶部示出的图案的实例中，能够看到叉子87’的三个齿82’，其形状相应于擒纵轮51的两个臂之间的空余空间。当然，可取决于所制造的部件51调整叉子87’。优选地反向支座81’由不损坏部件51的材料例如塑料聚合物形成。
对准装置60’、85’优选竖直地位于高于杆61’和部件51的位置，以保证第一时段和第二时段的连续。
在图6示出的第二阶段31中，翻转支座55’-反向支座81’组件，随后沿着方向G’移走支座55’以使每个部件51靠着叉子87’的齿82’沿着方向F’滑动，直到每个部件都靠在由齿82’界定的空间84’的底部。
在第六步骤13的第三阶段33中，在每个靠着反向支座81’安装的部件51上组装卡夹91’。图7的实例示出了组装好的第一个部件51和再向右侧的还没有组装卡夹91’的第二个部件51。当然，使用图7是为了更好的理解。对卡夹91’的组装不限于使用镊子89’逐一地组装，当然也可使用自动机器同时对每个部件51进行组装。
如在右侧的未组装部件51中可见的，首先，沿着平移H’朝包含在空间84’中的部件51的刺穿的中心69移动卡夹91’，其中空间84’由齿82’界定。卡夹91’相对于中心69的最大平移优选地由在空间84’的延伸部分中制成的孔86’的高度界定，其使卡夹91’能够可靠地相对于部件51安装。
其次，一旦所有的卡夹91’已经放置在所有的部件51上，卡夹91’和部件51彼此被确切地固定，例如，通过在炉中加热，直到每个卡夹91’上的粘合剂聚合，其具有将每个卡夹91’固定在它关联的中心69中的作用。
从而在步骤13的末尾，得到了支撑预组装部件51的反向支座81’。有利地，根据本发明，因而仍然能够一起处理很多部件51，并且能够用反向支座81’直接提供给装置(例如时钟机芯)的生产线。于是能够通过直接抓紧卡夹91’来移动每个部件51，这意味着可实现每个部件51的最后组装，而不用对该可微加工材料和/或沉积的涂层进行直接处理。
在图1和图2示出的实例中，部件51为擒纵轮而卡夹91’是它的枢转轴心。但是，本发明决不是为了限制于此，并且，作为实例，部件51可为另一种类型的齿轮轮系、齿冠或甚至为游丝内桩组件，正如卡夹91’可为与枢转销不同的功能部件。
当然，本发明不限于示出的实例，而能够有本领域的技术人员可想到的各种变型和变换。特别是，在可微加工材料的摩擦特性对于部件51的期望用途不足的情况下提供了步骤9。但是，如果可微加工材料包含足够的特性，方法1的第三实施例可包括连续步骤3、5、7、11以及可能有步骤13。
最后，在第一和第二实施例中的步骤11中，部件51和基片53之间的相对移动决不受限于沿着方向D’的移动。因而，可通过任何已知的装置实现相对移动，例如，通过安装的销71’和/或杆61’以相对于支座55’移动。
Claims (20)
1.一种制造机械部件(51)的方法(1)，包括如下步骤：
a)提供(3)由可微加工材料制成的基片(53)；
b)借助于光刻法，在所述整个基片上蚀刻(5)包含所述部件的图案(50)；
特征在于，其还包括如下步骤：
c)将所述蚀刻的基片安装(7)在支座(55’)上，使得可容易接近所述基片的顶面和底面；
d)在所述部件外表面上沉积(9，C’)比所述可微加工材料摩擦质量好的涂层；
e)将部件从基片上分离(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于步骤c)包括如下步骤：
f)使用对准装置(60’、59、93、97)相对于所述支座导引(21，B’)基片(53)，从而以可靠的方式定向所述基片；
g)使基片(53)靠着固定到支座(55’)的至少一个销(71’，61’)滑动(23，A’)，直到基片紧靠所述至少一个销的轴肩(77’)，销的轴肩被制成与所述支座有一定距离，以将基片(53)保持成相对于所述支座是高的。
3.根据权利要求2所述的方法，特征在于对准装置(60’、59、93、97)放置成高于所述至少一个销，以保证步骤f)随后g)的连续。
4.根据权利要求2所述的方法，特征在于支座(55’)包括多个对准装置(60’、59、93、97)，以改进步骤f)中的导引。
5.根据权利要求2所述的方法，特征在于对准装置包括固定到支座(55’)以与在步骤b)中在基片(53)中制造的凹槽(59)配合的至少一个支柱(60’、93、97)。
6.根据权利要求5所述的方法，特征在于每个凹槽(59)都制造成接近于基片(53)的边缘。
7.根据权利要求5所述的方法，特征在于每个凹槽对应于图案(50)中的空闲空间。
8.根据权利要求1所述的方法，特征在于，在步骤b)，在图案(50)中蚀刻至少一个材料桥(57)以将部件(51)保持固定于基片(53)。
9.根据权利要求8所述的方法，特征在于所述至少一个材料桥包括在连接到所述部件的端部的窄部分，以产生能够便于步骤e)的薄弱的区域。
10.根据权利要求8所述的方法，特征在于通过基片(53)和部件(51)之间的相对移动，以断开所述至少一个材料桥(57)来实现步骤e)。
11.根据权利要求1所述的方法，特征在于其在步骤e)之后还包括如下步骤：
h)在所述部件上组装(13)卡夹(91’)，使得部件随时可被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部件。
12.根据权利要求11所述的方法，特征在于步骤h)包括如下步骤：
i)将装配有叉子(87’)的反向支座(81’)安装在所述支座(55’)上，使得叉子(87’)与所述部件配合；
j)将支座(55’)-反向支座(81’)组件翻转(31)，随后移走支座(55’)，以使所述部件靠着叉子(87’)滑动；
k)在部件(51)上安装(33)卡夹(91’)。
13.根据权利要求12所述的方法，特征在于步骤i)包括如下步骤：
-使用对准装置(60’)相对于所述支座导引反向支座(81’)以将所述反向支座以可靠的方式定向；
-使至少一个管子(85’)和叉子(87’)分别靠着固定到支座(55’)的销(61’)和部件(51)滑动(E’)，直到所述管子和所述叉子紧靠所述销的轴肩(67’)，以为翻转支座(55’)-反向支座(81’)组件作准备。
14.根据权利要求1所述的方法，特征在于步骤e)和d)是颠倒的。
15.根据权利要求1所述的方法，特征在于在步骤a)和b)之间薄化基片(53)以调整部件(51)的最终厚度。
16.根据权利要求1所述的方法，特征在于，可由同一基片(53)制造多个部件(51)。
17.根据权利要求1所述的方法，特征在于步骤b)包括如下步骤：
-以与所述部件匹配的形状在基片(53)上构造(15)保护膜，
-各向异性蚀刻(17)基片-膜组件；
-移走(19)所述保护膜。
18.根据权利要求17所述的方法，特征在于所述保护膜使用光敏树脂制成。
19.根据权利要求1所述的方法，特征在于所述可微加工材料包括晶体硅、结晶二氧化硅和结晶矾土。
20.根据权利要求1所述的方法，特征在于该微机械部件(51)用于安装在时钟中。
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