CN102063047B - 由可微加工材料制成的自由安装轮副以及制造所述轮副的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮系(51，51′)，所述齿轮系包括第一端部装配有一体轴环(52，52′)的心轴(53，53′)、由可微加工材料制成并装配在所述心轴(53，53′)的第二端部上的第一轮副(55，55′)。根据本发明，齿轮系(51，51′)包括由可微加工材料制成的第二轮副(57，57′)，所述第二轮副独立于所述第一轮副的运动并且具有孔(58，58′)，所述孔的壁安装成与所述心轴相对，以便所述第二轮副(57，57′)自由地安装在所述心轴(53，53′)的第一端部上。本发明还涉及制造所述齿轮系的方法。本发明涉及微加工部件领域。

Description

由可微加工材料制成的自由安装轮副以及制造所述轮副的方法

技术领域

本发明涉及一种由可微加工材料制成的、自由安装在单件式心轴上的轮副，以及一种制造所述轮副的方法。更特别地，本发明涉及一种包括这种类型轮副的齿轮系。

背景技术

用硅制造钟表的轮是公知的。然而，这种轮不容易操控，并且当前不可能在没有损坏或甚至断裂的危险下制造用于钟表的自由安装轮副。

发明内容

本发明的一个目的是克服前述缺点的全部或一部分，这通过提出一种齿轮系以及一种制造所述齿轮系的方法来实现，在该齿轮系中由可微加工材料制成的至少其中一个轮副是自由安装的。

因此，本发明涉及一种齿轮系，所述齿轮系包括一个端部装配有一体轴环的心轴、由可微加工材料制成并装配在所述心轴的第二端部上的第一轮副，其特征在于，所述齿轮系包括由可微加工材料制成的第二轮副，所述第二轮副独立于所述第一轮副的运动，并且具有孔，所述孔的壁安装成与所述心轴相对/对置，以便所述第二轮副自由地安装在所述心轴的第一端部上。

根据本发明，清楚的是，能够制造一种齿轮系，其中一个轮例如结晶硅轮自由地安装在单件式金属心轴上。

根据本发明的其它有利特征：

-所述第二端部装配有与心轴成一体的第二轴环，所述第二轴环部分地覆盖所述轮副；

-所述第二轴环带有齿圈以便形成所述第一轮副的第二级；

-所述第一轮副至少部分地具有外部涂层；

-所述心轴由低摩擦材料制成；

-所述可微加工材料是基于硅的材料。

此外，本发明涉及一种钟表，其特征在于包括根据前述变型之一的至少一个齿轮系。

最后，本发明涉及一种制造齿轮系的方法，包括以下步骤：

a)取用一基底，所述基底包括由可微加工材料制成、并通过中间层彼此固定的顶层和底层；

b)在顶层和中间层中蚀刻至少一个造型，直到暴露出底层，以便形成属于第一轮副的至少一个第一腔室；

c)用导电涂层至少涂覆所述至少一个第一腔室的底部；

d)至少在所述至少一个第一腔室的底部电铸材料；

e)在底层内蚀刻第二造型直至到达导电材料制成的所述涂层，以便形成属于第二轮副的至少一个第二腔室；

f)在底层的底部上构造感光树脂，在所述至少一个第二腔室和从所述至少一个第二腔室同轴地扩展的至少一个凹部的壁上形成覆盖层；

g)继续在步骤d)中开始的电铸(electroforming)以填充所述至少一个第一腔室，并且开始在所述至少一个第二腔室和所述至少一个凹部内电铸材料，以便形成装配有轴环的心轴；

h)去除感光树脂；

i)去除中间层以便分离第一轮副和第二轮副；以及

j)从基底释放出制成的轮副。

根据本发明，显然，能够根据组合的LIGA和DRIE工艺从单个基底非常精确地制造如上所述的齿轮系。

根据本发明的其它有利特征：

-步骤f)还包括阶段k)：使用第二导电涂层至少涂覆所述至少一个凹部的底部，以便改进所述轴环的形成；

-在步骤d)之前，所述方法包括步骤l)：在基底的顶部上安装一个部件，以形成从所述至少一个第一腔室同轴地扩展的至少一个其它凹部，以便在顶层之上提供一层电铸材料；

-步骤c)还包括用所述导电涂层至少涂覆所述至少一个其它凹部的底部；

-在步骤c)之后，所述方法包括步骤m)：在所述至少一个第一腔室内安装销，以便在将来的齿轮系内形成孔；

-在步骤g)之前，所述方法包括步骤n)：在所述至少一个第二腔室内安装销，以便在将来的齿轮系内形成孔；

-步骤b)和e)包括以下阶段：在将要被蚀刻的层上构造至少一个保护掩模，在不被所述至少一个保护掩模覆盖的部分上对所述层进行各向异性蚀刻，以及去除保护掩模；

-在相同的基底上制造多个齿轮系；

-每个涂层包括至少一个金层；

-所述可微加工材料是基于硅的材料。

附图说明

从下面参考附图作为非限制性举例给出的描述中，本发明的其它特征和优点将清晰可见，其中：

-图1到11为制造根据本发明一个实施例的齿轮系的方法的连续步骤的图；

-图12为根据本发明一个实施例的齿轮系的透视图；

-图13为制造根据本发明一种变型的齿轮系的方法的最后步骤的图；

-图14为根据本发明一种变型的齿轮系的透视图；

-图15为制造根据本发明的齿轮系的方法的流程图。

具体实施方式

如图15所示，本发明涉及制造例如用于钟表的齿轮系51、51′的方法1。制造方法1包括用于制备基底29的连续步骤，所述基底29由可微加工材料例如优选地硅基材料制成。在下面的示例中，各个尺寸不是相同的比例。某些厚度，例如涂层37和47的厚度，被加大以使所述示例更容易理解。

方法1的第一步骤2是取用基底9，该基底9包括由可微加工材料制成并通过中间层32彼此固定的顶层31和底层33，如图1所示。

优选地，基底29是绝缘体上硅结构(S.O.I.)。因此，中间层32优选地由二氧化硅制成。而且，顶层31和底层33是结晶硅。

根据本发明，方法1包括第二步骤3，用于在顶层31和中间层32中蚀刻至少一个造型34，直到底层33的顶部被部分地暴露。

第二步骤3首先包括在顶层31上构造至少一个保护掩模36，如图1所示。还如图1所示，掩模36包括至少一个造型34，其不覆盖顶层31。例如，所述掩模36可以使用正性或负性感光树脂通过光刻技术来获得。

第二，如图2所示，蚀刻顶层31直到暴露出中间层32。根据本发明，所述蚀刻优选地包括干法各向异性DRIE蚀刻。各向异性蚀刻是在掩模36的造型34的范围上在顶层31上进行的。

第三，通过蚀刻将造型34延伸进入中间层32，直到底层33的顶部部分地暴露。根据本发明，所述蚀刻可包括对层32的暴露部分的化学或定向蚀刻。

第四，去除掩模36。当然，依据掩模36对蚀刻中间层32的方式的抗性，可以在此蚀刻之前或之后去除掩模36。

因此，如图3所示，在第二步骤3的最后，顶层31和中间层32的整个厚度被蚀刻成具有至少一个腔室35，以用于形成将来的齿轮系51、51′的第一轮副55、55′。

在第三步骤5中，通过至少涂覆所述至少一个腔室35中的每一个的底部来沉积导电涂层37。在图4示出的实例中，可以看到基底29的整个顶部被涂覆。如下面将要解释的，虽然对于下面的齿轮系51′的可选实施例可能要求在顶层31的顶部上存在涂层，但是所述至少一个腔室35的壁不需要被涂覆。

优选地，涂层37通过气相沉积来获得。然而，可以使用其它类型的沉积，例如化学沉积。涂层37优选地包括至少一个金层，其可以被沉积在铬底层之上。

优选地，为了限制将来电铸的面积，方法1可以包括步骤6，即，在基底29的顶部上安装部件38。此步骤6例如可包括通过光刻技术构造正性或负性感光树脂。

有利地，此步骤6也可形成从所述至少一个腔室35同轴地扩展的至少一个凹部39，以制造所述齿轮系51′的变型，如图5所示。

优选地，方法1可以包括与步骤6同时、先于步骤6或在步骤6之后的步骤7，如图5所示，所述步骤7包括从所述至少一个腔室35的底部安装销40，以便直接在将来的电铸期间形成齿轮系51、51′的心轴孔54、54′。这样的优点是，不仅避免了当完成电铸时加工齿轮系51、51′的需要，而且使得能够在将来的孔54、54′的整个顶部之上制成不管一致与否的任何形状的内部部分。此步骤7也可以例如包括通过光刻技术构造正性或负性感光树脂。

方法1随后包括电铸步骤9，以用于至少在所述至少一个腔室35的底部生长电解沉积物41。在图6示出的实例中，其示出了齿轮系变型51′，可以看出，沉积物41围绕销40在所述至少一个腔室35内和所述至少一个凹部39内生长。

优选地，步骤9在沉积物超过基底29的顶部之前停止。在第一齿轮系变型51的情况中，基底29的顶部是所述至少一个腔室35的顶部。在第二齿轮系变型51′的情况中，如图6所示，基底29的顶部是所述至少一个凹部39的顶部。在第二变型中，为何顶层31的顶部——即，所述至少一个凹部39的底部——还需要包括在步骤5中形成的涂层37是清楚的。

根据本发明，方法1还包括步骤13，以用于在底层33内蚀刻至少一个造型44，直到暴露出涂层37、以及可能暴露出沉积物41。

如图7所示，步骤13首先包括在底层33上构造至少一个保护掩模46。还如图7所示，掩模46包括至少一个造型44，其不覆盖底层33。例如，此掩模36可以使用正性或负性感光树脂通过光刻技术来获得。

第二，蚀刻底层33直到暴露出涂层37、以及可能暴露出沉积物41。根据本发明，所述蚀刻优选地包括干法各向异性DRIE蚀刻。各向异性蚀刻根据掩模46的造型44在底层33内进行。

第三，去除掩模46。因此，在第二步骤13的最后，底层33的整个厚度被蚀刻成具有至少一个第二腔室45，从而可形成将来的齿轮系51、51′的第二轮副57、57′。

方法1随后包括步骤16，该步骤16包括在底层33的底部上构造感光树脂43，在所述至少一个第二腔室45的壁上形成覆盖层51。

优选地，在下面的步骤15中，沉积导电涂层47，以覆盖构造的树脂43的顶部。根据所述至少一个腔室35的壁类推，所述至少一个第二腔室45的覆盖层51不再需要被涂覆。

优选地，涂层47通过气相沉积来获得。然而，可以使用其它类型的沉积，例如化学沉积。优选地，涂层47包括至少一个金层，其可以沉积在铬底层之上。

优选地，为了形成从所述至少一个第二腔室45同轴地扩展的至少一个第二凹部49，方法1包括步骤17，该步骤17包括在基底29的底部上安装部件48。例如，此步骤17可包括通过光刻技术构造正性或负性感光树脂。

优选地，如图8所示，方法1的步骤17还可包括从所述至少一个第二腔室45的底部安装销42，以便直接在将来的电铸期间形成齿轮系51、51′的心轴孔54，54′，其具有与参照销40所解释的相同优点。优选地，如果销40和42分别在腔室35和45内形成，则它们是对齐的。

方法1随后包括新的电铸步骤19，以用于继续在步骤9中开始的沉积以便填充所述至少一个腔室35(以及可能的所述至少一个凹部39)，并且用于开始在所述至少一个第二腔室45和所述至少一个第二凹部49内电铸材料，以形成装配有轴环52、52′以及可能的第二轴环54′的心轴53、53′。

优选地，在步骤19的最后，电解沉积物41超过基底29的顶部和底部。然后进行研磨以使沉积物41如图9所示与基底29齐平。

方法1然后包括步骤21，用于从部件48以及可能地从部件38去除树脂43，如图10所示。接下来的步骤23包括去除中间层32，以便分离分别形成在顶层31和底层33内的第一轮副55、55′和第二轮副57、57′。根据本发明，所述去除操作通过蚀刻进行，其可以包括例如化学蚀刻。最后，在最后的步骤25中，从基底29释放由此形成的齿轮系51、51′。

因此，根据图13和14示出的方法1的第一变型，本发明能够制成复合齿轮系51，其包括第一端部装配有一体轴环52的心轴53、由可微加工材料制成并装配在所述心轴53的第二端部上的第一轮副55、以及由可微加工材料制成的第二轮副57，所述第二轮副57独立于所述第一轮副的运动并且具有孔58，所述孔58的壁安装成与所述心轴53相对，以便第二轮副57自由地安装在心轴53的所述第一端部上。如图13和14所示，可以看出，心轴53包括孔54，所述孔54允许齿轮系51相对于一个心轴或枢轴被压入。

根据图11和12示出的方法1的第二变型，本发明能够制成复合齿轮系51′，其包括心轴53′，所述心轴53′的第一和第二端部装配有一体轴环52′、56′。而且，齿轮系51′包括第一轮副，其中由可微加工材料制成的第一轮副55′装配在心轴53′的第二端部上，固定到并部分覆盖第二轴环，所述第二轴环形成由电铸材料制成的第二轮56′。由可微加工材料制成的第二轮副57′独立于所述第一轮副的运动并且包括孔58′，所述孔58′的壁安装成与所述心轴相对，以便第二轮副57′自由地安装在心轴53′的所述第一端部上。如图11和12所示，可以看到，心轴53′包括孔54′，所述孔54′允许齿轮系51′相对于一个心轴或枢轴被压入。

如图11和13所示，第一轮副55、55′可以至少部分地包括对应于精细涂层37的外部涂层，以改善所述第一轮副55、55′的摩擦特性。而且，优选地，电铸的心轴53、53′由低摩擦材料制成。

当然，本发明并不限于示出的实例，而是可以有各种对于本领域技术人员显而易见的变型和改变。因此，可以在同一个基底29上制造多个齿轮系51、51′，以便能够大规模制造彼此不是必须相同的齿轮系51、51′。同样，还可以设想将硅基材料改变为结晶氧化铝或结晶二氧化硅或碳化硅。

也可以设想，涂层37和/或47在性质方面是不同的，和/或每个根据与上述那些方法不同的方法来沉积。也可以设想，如果使用诸如掺杂硅等导电的可微加工材料和/或如果树脂43是导电的，则涂层37和/或47是冗余的。

最后，像轴环54、54′一样，轴环52、52′也可以包括齿圈。而且，齿轮系51、51′的应用不限于钟表。

Claims (10)

1.一种制造齿轮系(51，51′)的方法(1)，包括以下步骤：

a)取用(2)基底(29)，该基底(29)包括由可微加工材料制成、并通过中间层(32)彼此固定的顶层(31)和底层(33)；

b)在顶层(31)和中间层(32)中蚀刻(3)至少一个造型(34)，直到暴露出底层(33)，以便形成属于第一轮副(55，55′)的至少一个第一腔室(35)；

c)用导电涂层(37)至少涂覆(5)所述至少一个第一腔室(35)的底部；

d)至少在所述至少一个第一腔室(35)的底部电铸(9)材料；

e)在底层(33)中蚀刻(13)第二造型(44)，直至到达导电材料制成的所述涂层(37)，以便形成属于第二轮副(57，57′)的至少一个第二腔室(45)；

f)在底层(33)的底部上构造(16)感光树脂(42，43，48)，在所述至少一个第二腔室(45)和从所述至少一个第二腔室(45)同轴地扩展的至少一个凹部(49)的壁上形成覆盖层(51)；

g)继续(19)在步骤d)中开始的电铸以填充所述至少一个第一腔室(35)，并且开始在所述至少一个第二腔室(45)和所述至少一个凹部(49)中电铸(19)材料，以便形成装配有轴环(52，52′)的心轴(53，53′)；

h)去除(21)感光树脂(38，40，42，43，48)；

i)去除(23)中间层(32)，以便分离第一轮副(55，55′)和第二轮副(57，57′)；以及

j)从基底(29)释放(25)出制成的轮副(51，51′)。

2.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，步骤f)还包括以下阶段：

k)使用第二导电涂层(47)至少涂覆(15)所述至少一个凹部(49)的底部，以改进所述轴环的形成。

3.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在步骤d)之前还包括以下步骤：

l)在基底(29)的顶部上安装一个部件(38)，以形成从所述至少一个第一腔室(35)共轴地扩展的至少一个其它凹部(39)，以便在顶层(31)之上提供一层电铸材料。

4.根据权利要求3所述的方法(1)，其特征在于，步骤c)还包括至少在所述至少一个其它凹部(39)的底部涂覆所述导电涂层(37)。

5.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在步骤c)之后包括以下步骤：

m)在所述至少一个第一腔室(35)内安装(7)销(40)，以便在将来的齿轮系(51，51′)内形成孔(54，54′)。

6.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在步骤g)之前包括以下步骤：

n)在所述至少一个第二腔室(45)内安装(17)销(42)，以便在将来的齿轮系(51，51′)内形成孔(54，54′)。

7.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，步骤b)和e)包括以下阶段：

-在将要被蚀刻的层(31，33)上构造至少一个保护掩模(36，46)；

-在不被所述至少一个保护掩模覆盖的部分上对所述层进行各向异性蚀刻；

-去除掩模。

8.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在相同的基底(29)上制造多个齿轮系(51，51′)。

9.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，每个涂层(37，47)包括至少一个金层。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(1)，其特征在于，所述可微加工材料是基于硅的材料。