CN103347809A - 用于生产复杂的光滑微机械零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用单件材料生产微机械零件（11，21，31，41，51，61）的方法。该方法包括以下步骤：a）形成基材（1），所述基材包括用于制造所述微机械零件的负腔（3）；b）用材料的层（5）覆盖基材（1）的所述负腔；c）从基材（1）移除比所沉积的层（5）的厚度（e1）更大的厚度（e2），从而留下所述所沉积的层的位于所述负腔中的部分；d）移除基材（1），从而释放在所述负腔中形成的微机械零件（11，21，31，41，51，61）。
Description
技术领域
本发明涉及一种由任何材料、例如碳基材料制成的复杂的微机械零件，以及制造这种零件的方法。
背景技术
纯粹由合成金刚石或DLC（类金刚石碳）制造微机械零件是非常昂贵的，并且由于通过厚层沉积工艺或基体中的蚀刻方法所产生的不利的粗糙度而在摩擦学上不利。因此，目前优选的是使用合成的金刚石或DLC薄层来涂覆微机械零件，尽管这不能够获得所有形状。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种具有复杂几何形状的微机械零件来克服全部或部分前述缺点，所述零件使用最少量的材料并且具有极大地改进的粗糙度和非常有利的废品率及生产成本。
因此，本发明涉及一种用于制造单件材料微机械零件的方法，该方法的特征在于包括以下步骤：
a)形成基材，该基材包括用于制造所述微机械零件的负腔。
b)使用材料层涂覆基材的所述负腔。
c）从基材移除比被沉积的层的厚度更大的厚度，从而留下所述层的位于所述负腔中的受限厚度。
d）移除基材，以释放在所述负腔中形成的微机械零件。
因此明显的是，该方法允许制造单件式微机械零件，即材料没有间断，该零件具有材料“外层”，即少量的材料，其外部表面复制了基材的非常有利的粗糙度，这大大降低了在外层上所需的材料的成本，并改进了整体粗糙度，特别是在外表面上，以使其摩擦学性能得以完善。
根据本发明的其他有利特征：
-所述负腔包括形成齿的壁；
-所述材料是结晶的或是非结晶碳基的；
-在步骤b）和步骤c）之间，该方法包括步骤e）：用第二材料填充涂覆有第一材料的腔，从而在步骤c）和d）之后获得由第一材料制成的、且用第二材料加强和/或装饰的微机械零件；
-在步骤c）和步骤d）之间，该方法包括步骤f）：用第二材料填充涂覆有第一材料的腔，从而在步骤d）之后获得由第一材料制成的、且用第二材料加强和/或装饰的微机械零件；
-在步骤f）中，所述第二材料形成为从所述腔中凸出，从而形成微机械零件的附加功能元件；
-所述第二材料包括金属或金属合金；
-所述微机械零件形成时计的外部部件、摆轮游丝、摆轮、擒纵叉、夹板、轮系或擒纵轮。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下以非限制性说明的方式参考附图的描述中清楚可见，其中：
-图1至5是根据本发明的第一实施例的制造方法的连续步骤的视图；
-图6至10是根据本发明的第一实施例生产的示例微机械零件的视图；
-图11至13是根据本发明的第二实施例的制造方法的连续步骤的视图；
-图14是根据本发明的第二实施例生产的示例微机械零件的视图；
-图15和16是根据本发明的第三实施例的制造方法的连续步骤的视图；
-图17是根据本发明的第三实施例生产的示例微机械零件的视图。
具体实施方式
如上所述的，本发明首先涉及一种由例如碳基材料制成的单件式微机械零件。“碳基”指的是晶体形式、例如金刚石或者一层或若干层石墨烯的合成碳同素异形体，或者非晶态形式、例如类金刚石碳（DLC）的合成碳同素异形体。
当然，有利地根据本发明，能够被按层沉积并具有摩擦学优点的其他类型的材料可以用来替代合成碳同素异形体。这种替代材料可以是例如硅基化合物，即，例如氮化硅、氧化硅或碳化硅。
这种微机械零件设计成用于时计领域内的应用。然而，也可以设想其他领域，特别是例如航空、珠宝或汽车行业。
在时计领域内，这种微机械零件可以例如形成表的外部零件、摆轮游丝、摆轮、擒纵叉、夹板或甚至轮系，例如擒纵轮，其完全地或部分地由合成碳同素异形体或上文所述的替代材料基形成。
制造这种微机械零件的方法的第一实施例在图1至5中示出。在步骤a中，该方法包括为形成将来的微机械零件11、21、31、41而在基材1中形成负腔3。可以是多种基材1。优选地，所选择的基材1的材料具有非常低的粗糙度、即具有光滑表面的天然特性。
以示例的方式，图1和2示出了由硅基材1形成的步骤a，其可以获取非常好的粗糙度，即，算术平均偏差Ra基本上小于10nm。因此，在图1示出的第一阶段中，基材1被具有孔4的罩2覆盖，所述孔使基材1的顶部被暴露。在第二阶段中，在孔4中实施蚀刻。这可以是湿或干蚀刻。最后，在图2示出的第三阶段中，罩2被移除，仅留下在基材1中制成的负腔3。
第二步骤b包括用由未来的微机械零件所需的材料制成的厚度为e1的层5涂覆至少负腔3。在图3示出的示例中，基材1被层5完全涂覆，即，至少在于步骤a中蚀刻的腔3中涂覆层5。与沉积材料相似，沉积的类型可以是多样的。以非限制性的方式，步骤b可包括化学气相沉积、物理气相沉积或电沉积。
在第三步骤c中，该方法包括移除涂覆有层5的基材1的一部分，以便留下所述层5的位于所述负腔3中的受限厚度。优选地根据本发明，从基材1移除比层5的厚度e1更大的厚度e2，如图4中所示。因此可见，存在于基材1的腔3中的层5由此是独立的，即，不与在步骤b中沉积的层5的其余部分接合。
在第一实施例的第四步即最后的步骤d中，该方法包括移除基材1，从而释放在腔3中形成的微机械零件。因此，在基材1由硅制成的上述示例中，步骤d可以包括硅的选择性蚀刻。这可以例如通过使用包含氢氧化四甲铵（TMAH和TMAOH）的池通过化学蚀刻获得。
在步骤d结束时，如图5所示，获得了仅由层5形成的微机械零件，其几何形状与存在于基材1中的腔3匹配。有利地，外表面（即与基材1直接接触的表面）具有非常好的、即与基材1的粗糙度可比的粗糙度，并且优选地用作机械接触表面。最后，对于介于10μm和500μm之间的微机械零件的高度e3，仅沉积厚度e1为0.2μm至20μm的层5。因此明显的是，由于步骤b中的缩短的时间而节约了材料和生产成本。
因此，可见可获得如下的微机械零件，其基础截面由至少两个相交的且非对准的部段形成，从而所述至少两个部段中的一个形成微机械零件的高度e3。所述高度e3大于各部段的厚度e1。自然地，根据腔3的复杂性，基础截面可以是较简单的、基本上U形的截面，即，包括三个部段。
因此，根据腔3的复杂性，通过具有两个或三个部段的至少一个基础截面在直线的或非直线的准线上的投射/突出（包括旋转）来形成微机械零件。此外，不难形成非常复杂或可变的截面、例如在腔3的壁上形成齿，该齿将形成用于该截面的部段之一的对应的齿。
以非限制性示例的方式，可以根据第一实施例生产的微机械零件11、21、31、41在图6至10中示出。因此，图6示出了微机械零件11，其基本上U形的基础截面在直线的准线上投射。图7示出了与微机械零件11具有相似的基础截面的微机械零件21，但其基础截面在正弦曲线的、即非直线的准线上投射。还可见，可以生产一半由零件11而另一半由零件21形成的微机械零件，两者沿横向和沿纵向均为一单件，并未使本方法变复杂。
图8和图9示出了能够具有两个部段的示例的基础截面，该基础截面旋转地投射以获得盖形式的微机械零件31。这类微机械零件可以例如被固定到一元件上，以改进其与另一部件的摩擦学关系。以示例的方式，微机械零件31可被固定在轴33的枢转部32的端部上，使得枢转部32经由微机械零件31与轴承协作。
最后，图10示出了更复杂的微机械零件41的最后一个示例，其并未使该方法更难以实施。微机械零件41包括基本上盘状的板43，从板43的周缘正交地伸出齿45，并且板43的中心包括形成有孔48的管道47，孔48用于与例如枢转销协作。因此图10示出了齿45和板43的厚度由在本方法的步骤b中沉积的层5的厚度e1形成。
与上述第一实施例不同的第二实施例在图11至13中示出。步骤a至d与第一实施例保持相同。然而，如图11所示，在步骤b和步骤c之间执行步骤e，步骤e包括用第二材料7填充由第一材料5涂覆的腔3中的中空部6。因此，在与第一实施例相似的步骤c和d之后，如图12和13分别示出的，获得了由第一材料5制成的、用第二材料7加强和/或装饰的微机械零件。
优选地，中空部6的填充通过电沉积或热变形实现。所述第二材料优选是金属或金属合金，其可以是或不是非结晶的。然而，在一替代方案中，不存在可以防止沉积的类型和/或沉积材料的自然特性发生改变的手段。
随后，在第四步骤c中，不仅所述层5的厚度被限制在所述负腔3内，而且第二材料的沉积物7被平整并优选地与层5的所述被限制的部分齐平。最后，在第二实施例的第五步即最终步骤d中，本方法包括移除基材1，从而释放在腔3中形成的微机械零件，其具有与第一实施例中相同的变型和优点。
在步骤d结束时，如图13所示，获得了由层5形成的微机械零件，其几何形状与存在于基材1中的腔3匹配，且由沉积物7加强和/或装饰。有利地，由层5形成的外部表面、即与基材1直接接触的表面具有非常好的、即与基材1的粗糙度可比的粗糙度并且优选地用作接触表面。
根据本发明的另一优点，由此可以用薄层涂覆零件，这在以前是不可能实现的，因为薄层沉积需要特殊的条件，例如压力、温度或所使用的化合物。以非限制性示例的方法，因此可以有利地根据本发明来由沉积物7形成主要为金属的零件，沉积物7被金刚石涂覆层5，而目前就申请人所知，难以对金属零件实施金刚石涂覆。
最后，对于微机械零件的介于10μm和500μm之间的高度e3、层5的被沉积的厚度e1介于0.2μm和20μm之间，其余部分由沉积物7制成。明显的是，由于沉积层5的步骤b的缩短的时间而节约了材料成本和生产成本，零件的其余部分由较便宜的沉积物7形成。
因此，可见，可以使用与第一实施例相同的基础截面获得微机械零件。以非限制性示例的方式，图14示出了能根据第二实施例制造的微机械零件51。微机械零件51包括基本上盘状的板53，相当于图10的板43，从板53的周缘正交地伸出有齿55，板53的中心包括形成有孔58的管道57，孔58用于与例如枢转销协作。图14因此示出了齿55和管道57的厚度由在本方法的步骤b中沉积的层5的厚度e1形成，其余部分由在步骤e中通过沉积物7形成的部分52制成。
图15至16示出了上述第一实施例的第三替代实施例。步骤a至d与第一实施例保持相同。然而，如图15所示，在步骤c和步骤d之间执行第四步骤f，第四步骤f包括用第二材料17填充由第一材料5涂覆的腔3中的中空部6。因此，在与第一实施例相似的步骤d之后，如图16所示，获得了由第一材料5制成的、用第二材料7加强和/或装饰的微机械零件。
与第二实施例的步骤e相比，步骤f用于填充腔3的中空部6，并且还可以有利地形成具有厚度e3的凸出高度，从而形成微机械零件的附加功能元件，如图15所示。
步骤f优选地包括在步骤c之后在基材1上构建模具18的阶段，随后是填充由腔3的中空部6和模具18中的穿孔结合地形成的凹部的阶段。最后，步骤f包括从基材1的表面移除模具18的阶段。
构建模具18的阶段可例如使用负的或正的感光树脂通过光刻法形成。此外，填充阶段可以例如使用电沉积形成。所述第二材料优选地是金属或金属合金，其可以是或不是非结晶的。然而，不存在可以防止沉积的类型和/或沉积材料的自然特性发生改变的手段。
步骤f还可以包括研磨和/或抛光沉积物17的顶部部分的最后步骤。因此，在第三实施例的第五步骤即最后步骤d中，该方法包括移除基材1，从而释放在腔3中形成的微机械零件，其具有与第一实施例相同的优点。
在步骤d结束时，如图16所示，获得了由层5形成的微机械零件，其几何形状与存在于基材1中的腔3匹配，并且用沉积物17加强和/或装饰。有利地，由层5形成的外部底表面、即与基材1直接接触的表面具有非常好的、即与基材1的粗糙度可比的粗糙度并且优选地用作接触表面。
根据本发明的另一优点，由此可以用薄层涂覆零件，这在以前是不可能实现的，因为薄层沉积需要特殊的条件，例如压力、温度或所使用的化合物。以非限制性示例的方法，因此可以有利地根据本发明来由沉积物17形成主要为金属的零件，沉积物17被部分地金刚石涂覆层5，而目前就申请人所知，难以对金属零件实施金刚石涂覆。
此外，在第三实施例中，微机械零件还包括完全由沉积物17形成——即没有层5——的第二顶层，从而形成微机械零件的附加功能元件。以非限制性的方式，该功能元件可以是用于例如与另一部件协作的齿12、孔14和/或肩部16。
如前两个实施例所述的，明显的是，由于缩短的层5的沉积步骤而节约了材料成本和生产成本，同时零件的剩余部分用较便宜的沉积物17形成，并且可以提供非常复杂的几何形状。
因此，可见，可以通过与前两个实施例相同的基础截面获得微机械零件。以非限制性示例的方式，图17示出了能根据第三实施例制造的微机械零件61。微机械零件61包括基本上盘状的板63，相当于图10的板43，从板63的周缘正交地伸出有齿65，板63的中心包括形成有孔68的管道67，其余部分在步骤f中由沉积物17填充。在第二高度上，仅由沉积物17形成，微机械零件61具有轮62，其周缘包括齿64且其中心包括具有优选地与孔68相比具有较小的截面的孔，孔68用于例如与枢转销协作。
当然，本发明不限于所示的示例，而是能够具有对本领域技术人员而言显而易见的多种变型和替代方案。特别地，可以在相同的基材上同时地制造若干可具有相同设计或不具有相同设计的微机械零件。此外，在图4或图12的示例中可见，基材1的移除还形成基本上U形截面的部分，该部分由层5在基材1的周缘和底部上形成。
因此，不仅可以在基材1上形成可相同或不同的若干腔3，而且可以在基材1的若干面上形成腔，即可以在基材1的若干面上实施步骤a和c以及可能地e或f。因此，在第二和第三实施例的情况中，可以设想获得由层5在基材1的周缘和/或底部上形成的单件式零件以及由层5和沉积物7、17在基材1的顶部上形成的被加强和/或装饰的零件。
此外，所述实施例可以相互结合。因此，以非限制性示例的方式，零件51可以通过第三修改的实施例生产。事实上，可以在实施步骤a至c之后通过步骤f用相似的沉积物17代替第二实施例的沉积物7（即不从腔3凸出）。显然，第三实施例的修改的步骤f与第二实施例的步骤e相似，但步骤f在步骤c之后而不是在步骤b之后实施。
最后，尽管附图示出了基本上垂直的部段，明显的是，这些部段相互之间也可形成锐角或钝角。
Claims (9)
1.一种用单件材料制造微机械零件（11，21，31，41，51，61）的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a）形成基材（1），所述基材包括用于制造所述微机械零件的负腔（3）；
b）用所述材料的层（5）涂覆基材（1）的所述负腔；
c）从基材（1）移除比所沉积的层（5）的厚度（e1）更大的厚度（e2），从而留下所述材料的层的位于所述负腔中的受限厚度；
d）移除基材（1），从而释放在所述负腔中形成的微机械零件（11，21，31，41，51，61）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负腔（3）包括形成齿（45，55，65）的壁。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳基材料（5）是结晶形式的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳基材料（5）是非结晶形式的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b）和步骤c）之间，该方法包括以下步骤：
e）用第二材料（7）填充由所述第一材料（5）涂覆的腔（3），从而在步骤c）和d）之后获得由第一材料（5）制成的、且用第二材料（7）加强和/或装饰的微机械零件（51）。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c）和步骤d）之间，该方法包括以下步骤：
f）用第二材料（7，17）填充由所述第一材料（5）涂覆的腔（3），从而在步骤d）之后获得由第一材料（5）制成的、且用第二材料（7，17）加强和/或装饰的微机械零件（51，61）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f）中，所述第二材料（17）形成为从所述腔凸出，以形成所述微机械零件的附加功能元件（12，14，16，62）。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二材料（7，17）包括金属或金属合金。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微机械零件形成时计的外部零件、摆轮游丝、摆轮、擒纵叉、夹板、轮系或擒纵轮。
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