CN101625542B - 制造微机械部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造机械部件(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)；根据本发明，该方法还包括如下步骤：c)在所述部件上组装(13)卡夹(91)，使得所述部件(51)随时可被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部分；d)将部件(51)从基片(53)上分离(11)以将所述部件安装到例如时钟机械装置的装置中。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，通过提出一种方法来克服上述所有或部分缺点，该方法可以对部件简单、可靠地预组装，避免了对部件的功能部分进行任何操作，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。而且，该方法可以高质量制造能够用于大部分机械时钟部件的微机械部件。
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，该方法还包括如下步骤：
c)将卡夹组装在所述部件上，使得所述部件可随时被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部分；
d)将部件从基片上分离以将其安装到如时钟机芯的装置中。
根据本发明的其它有利的特性：
-步骤c)包括这些步骤：e)将所述基片安装到装配有叉子的支座上，使得叉子与所述部件配合；以及f)将卡夹组装到靠着支座安装的部件上；
-步骤e)包括这些步骤：g)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h)使基片和部件分别靠着固定到支座的至少一个销和叉子滑动，以使基片和部件分别紧靠所述至少一个销的轴肩和所述叉子，以便为组装卡夹做准备。
-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g)和随后h)的连续；
-支座包括多个对准装置，以改进步骤g)中的导引；
-该方法还包括，在步骤b)和c)之间的这些步骤：i)将所述蚀刻的基片安装在基座上，使得基片的顶面和底面容易接近，以及j)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；
步骤h)包括这些步骤：k)使用对准装置相对于所述基座导引基片，以可靠地定向所述基片；以及l)使基片靠着固定到支座的至少一个销滑动，使得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，以保证步骤k)和随后i)的连续；
-支座包括多个对准装置，以改进步骤k)中的导引；
-在步骤b)期间，在图案中蚀刻至少一个材料桥以将部件保持固定于基片；
-所述至少一个材料桥包括在所述部件的端部的窄部分，该窄部分连接到图案以产生能够便于步骤e)的薄弱的区域；
-通过部件和基片之间的相对移动来断开所述至少一个材料桥，以进行步骤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性和优点。
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基座上的步骤图；
图4为涂层沉积步骤图；
图5是根据本发明组装到支座上的步骤图；
图6为根据本发明的卡夹组装步骤图；
图7为本发明方法的流程图。
具体实施方式
示于图7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座制成。实际上，因为可微加工材料的精度小于1微米，因此可微加工材料特别适用于制造例如钟表部件的部件，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由可微加工材料制成，可微加工材料类似于例如用于制造电子元件的单晶硅晶片。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，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的尺寸较大，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安装到基座55上，使得基片的顶面和底面容易接近。这个步骤方便了步骤9的执行，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放置得高于基座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，涂层有利地代替了可微加工材料的任何不足的摩擦质量。
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代替物或附加物。也能够想到其它沉积方法。
步骤13包括使用支座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。在图1到图6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、11和13来说明每个实施例。在第一实施例中，方法1包括由图7中的单线示出的连续步骤3、5、13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包括在整个基片53上光刻、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7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53。优选地，保护膜用光敏树脂制成。随后使用选择辐射来成形保护膜，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的整个厚度上进行，并且，可能的话，沿着有利于这种蚀刻的可微加工材料的晶轴进行。
此外，根据本发明，正如在图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固定在适当位置。如可在图2中看到的，材料桥57包括在端部的窄部分，该端部连接到部件51的图案，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。于是得到了包含多个图案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13包括使用支座81将卡夹91组装到部件51上，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该部件。步骤13包括阶段25和27。
第一阶段25包括将基片53安装在装配有叉子87的支座81上，使得一个叉子87的齿82与一个部件51配合，并从而方便卡夹91的组装。如可在图5中看到的，首先，通过沿着方向D移动基片53靠近支座81，使用对准装置沿方向E导引基片53，使得基片53相对于支座81可靠地定向。
优选地，对准装置由倒角支柱80形成，倒角支柱80安装在近似垂直于支座81固定的销85的延伸部分上，其与在步骤5中在基片53中制成的凹槽59配合。方法1优选地包括三个对准装置80、59以改进第一阶段25中的导引。
其次并且最后，通过沿着平移D使基片53继续靠近支座81，使得基片53、还有每个部件51分别靠着每个销85和每个叉子87滑动，每个销85和每个叉子87都固定到支座81上。当基片53和每个部件51大致紧靠每个销85的轴肩88和每个叉子87的轴肩的时候，第二时段结束，其中每个叉子87的轴肩形成在由齿82界定的空间84的底部。
如可在图5中看到的，在阶段25的末尾，基片53和每个部件51(仍然固定在基片53上)以稳固的方式放置，并且它们的唯一自由度是向上平移D。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80、59优选竖直地位于高于销85和叉子87的位置，以保证第一阶段和第二阶段的连续。
在第三步骤13的第二阶段27中，在每个部件51上组装卡夹91。在图6示出的实例中，可看到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6是为了更好的理解。实际上，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。
如可在右侧的未组装部件51中看到的，首先，沿着平移F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。优选地，卡夹91相对于中心69的最大平移由在空间84的延伸部分中制造的孔86的高度界定，其使卡夹91能够相对于部件51可靠地安装。
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，使得每个卡夹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的末尾得到了基片53，其中每个图案50的部件51是预组装的。根据本发明有利地，从而仍然能够一起处理很多部件51，并且能够用或不用支座81直接提供给装置(例如时钟机芯)的生产线。
第四和最后步骤11包括在部件51和基片53之间施加相对移动，以断开材料桥57。有利地，根据本发明，可通过直接推动卡夹91来实现该移动，这允许最后安装每个部件51而不用任何对可微加工材料的直接操作。从而可使用镊子手动地或使用自动机器实现步骤11。
在图1和图2示出的实例中，部件51为擒纵轮而卡夹91是它的枢转销。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。
提供了第二实施例，用于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。在第二实施例中，方法1具有连续步骤3、5、7、9、13和11，如在图7中以双线示出的。相对于第一实施例，第一步骤3、5保持不变。如在图7中示出的，第二实施例在转到步骤13之前首先经过步骤7和9，而不是第一实施例中的从步骤5转到步骤13，其有利地意味着可在基片53的每个部件51上沉积涂层。
根据第二实施例，第三步骤7包括将蚀刻的基片53安装到基座55上，使得基片53的顶面和底面容易接近，以便为沉积步骤9做准备。步骤7包括阶段21和23。
图3示出了根据第二实施例的基座55的实例。基座55为板，其材料能够承受住步骤9的温度，例如陶瓷。为了将基片53相对于基座55保持成高的，基座具有销61，用于与在步骤5中在基片53中制造的孔59配合。为了与基座55同样的原因，销61优选地由钨或钽制成。
优选地，每个大致圆柱形销61具有低部件63，其通过轴肩67连接到较小截面的高部件65。低部件63以固定的方式近似垂直地安装在基座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。
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靠近基座55移动，使用对准装置沿着方向B导引基片53，使得基片53相对于基座55被可靠地定向。
对准装置优选地由与凹槽59之一配合的倒角支柱60形成。方法1优选地包括三个对准装置60、59以改进第一阶段21中的导引。
在第二阶段23，基片53沿平移A继续更靠近地移动，其靠着每个销61的高部件65滑动，直到大致紧靠每个销61的轴肩67。如在图3所看到的，在步骤7的末尾，基片53稳定地放置，其唯一的自由度是向上平移A。
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。
对准装置60、59、93、97优选竖直地位于高于销61的位置，以保证阶段21、随后23的连续。
根据第二实施例，第四步骤9包括在每个部件51的外表面上沉积涂层。如在上文说明的，该涂层可为例如碳同素异形体，用于改进每个部件51的摩擦，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，在步骤9，在基片53的下方、厚度方向以及在上方沉积涂层，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。
在步骤9的末尾，从基座55上移走基片53，随后第二实施例以与第一实施例相同的方式执行步骤13。从而在步骤13的末尾，得到了基片53，其中每个图案50的可微加工材料的部件51涂有沉积物并用卡夹91预组装。有利地，根据本发明，因而仍然能够一起处理很多部件51，并且能够用或不用支座81直接提供给装置(例如时钟机芯)的组装线。
第六且最后步骤11包括在部件51和基片53之间施加相对移动，以断开材料桥57。有利地，根据本发明，可通过直接推动卡夹91来实现该移动，这使得每个部件51能够最后组装而不用直接对可微加工材料和/或沉积涂层的任何操作。从而可使用镊子手动地或使用自动机器实现步骤11。与第一实施例类似，根据第二实施例的本发明不限于如示于图1和图2的擒纵轮。
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，可想到方法1的第三实施例，其包括连续步骤3、5、7、9和11，如在图7中由三线示出的，其可生产包括沉积了涂层的部件51，但是其中步骤11可能变得更加复杂，因为缺少例如出现在第一和第二实施例的卡夹91的抓紧装置。从而步骤11可包括对材料桥57施加压力使得它们断开以收回所述部件。
该三个变型表明，因为部件51仅在最后一步11中从基片53上移走，所以本发明能够在每个步骤之间提供简化的组织方式。它的优势是可通过仅操作基片53来使许多部件51在每个步骤之间移动。
Claims (24)
1.一种制造机械部件(51)的方法(1)，包括如下步骤：
a)提供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包含所述部件的图案(50)；
特征在于，其还包括如下步骤：
c)在所述部件上组装卡夹(91)，使得所述部件(51)随时可被安装，而不必触碰到由可微加工材料制成的部分；
d)将部件(51)从基片(53)上分离以将所述部件安装到装置中。
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：
e)将所述基片(53)安装到装配有叉子(87)的支座(81)上，使得叉子(87)与所述部件配合；
f)将卡夹(91)组装到靠着支座(81)安装的部件(51)上。
3.根据权利要求2所述的方法，特征在于步骤e)包括如下步骤：
g)使用对准装置相对于所述支座导引基片(53)，以可靠地为所述基片定向；
h)使基片(53)和部件(51)分别靠着固定到支座(81)的至少一个销(85)和叉子(87)滑动，以使基片和部件分别紧靠所述至少一个销的轴肩(88)和所述叉子，以便为组装卡夹(91)做准备。
4.根据权利要求3所述的方法，特征在于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g)和随后h)的连续。
5.根据权利要求3所述的方法，特征在于支座(81)包括多个对准装置，以改进步骤g)中的导引。
6.根据权利要求3所述的方法，特征在于，在步骤b)期间在基片(53)中制成凹槽，对准装置包括至少一个支柱(80、93、97)，支柱固定到支座(81)以与在基片(53)中制成的所述凹槽配合。
7.根据权利要求6所述的方法，特征在于每个凹槽(59)都在接近基片(53)的边缘处制成。
8.根据权利要求6所述的方法，特征在于每个凹槽相应于图案(50)中的空闲空间。
9.根据权利要求1所述的方法，特征在于其还包括在步骤b)和c)之间的如下步骤：
i)将所述蚀刻的基片安装在基座(55)上，使得基片的顶面和底面容易接近；
j)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。
10.根据权利要求9所述的方法，特征在于步骤i)包括如下步骤：
k)使用对准装置相对于所述基座导引基片(53)，以可靠地定向所述基片；
l)使基片(53)靠着固定到支座(55)的至少一个销(61)滑动，直到基片紧靠所述至少一个销的轴肩(67)，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。
11.根据权利要求10所述的方法，特征在于对准装置放置成高于所述至少一个销，以保证步骤k)和随后l)的连续。
12.根据权利要求10所述的方法，特征在于支座(55)具有多个对准装置，以改进步骤k)中的导引。
13.根据权利要求10所述的方法，特征在于，在步骤b)期间在基片(53)中制成凹槽，对准装置包括至少一个支柱，支柱固定到支座(55)上以与在基片(53)中制成的所述凹槽配合。
14.根据权利要求13所述的方法，特征在于每个凹槽(59)在接近基片(53)的边缘处制成。
15.根据权利要求13所述的方法，特征在于每个凹槽相应于图案(50)中的空闲空间。
16.根据权利要求1所述的方法，特征在于在步骤b)期间，在图案(50)中蚀刻至少一个材料桥(57)以将该部件(51)保持固定于基片(53)。
17.根据权利要求16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图案的端部的窄部分，以产生能够便于步骤d)的薄弱的区域。
18.根据权利要求16所述的方法，特征在于通过部件(51)和基片(53)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d)。
19.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。
20.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)。
21.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)上构造保护膜；
-各向异性蚀刻基片-膜组件；
-移走所述保护膜。
22.根据权利要求21所述的方法，特征在于所述保护膜使用光敏树脂制成。
23.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、结晶二氧化硅或结晶矾土。
24.根据权利要求1所述的方法，特征在于该装置是时钟。
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