CN106502081A - 包含经润滑表面的微机械钟表部件和制造这样的微机械钟表部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含具有至少一个表面的硅基基底(1)的微机械钟表部件，所述表面的至少一个部分具有在微机械钟表部件的外表面处打开并包含摩擦学试剂(5)的孔(2)。本发明还涉及由硅基基底(1)制造微机械钟表部件的方法，所述硅基基底具有至少一个表面，该表面的至少一个部分通过摩擦学试剂(5)润滑，所述方法依序包括步骤：a)在所述硅基基底(1)的所述表面的所述部分的表面上形成孔(2)，b)在所述孔(2)中沉积所述摩擦学试剂(5)。
Description
技术领域
本发明涉及包含借助摩擦学试剂润滑的硅基基底的微机械钟表部件。本发明还涉及制造这样的微机械钟表部件的方法。
发明背景
硅是越来越多地用于制造微机械钟表部件的材料，特别是保持与它们被机械加工在其上的硅基基底连接的部件。
相对于用作制造微机械钟表部件，如齿轮或擒纵机构组件的标准的金属或合金，硅具有许多优点。其是非常轻质的极硬材料，这因此使其可具有大幅降低的惯性并因此改进效率。硅同样可以制造复杂或整体部件。
但是，正如更多用作钟表制造中的标准的其它材料，由硅基基底制成的钟表部件必须被润滑。
已知使用例如非常流态的润滑剂，其在低接触压力的情况下促进低摩擦系数。但是，这种类型的润滑剂的缺点在于由于润滑剂膜的破裂其效果降低，特别是在较高接触压力的过程中。已知的是，基于形成沉积在表面上的聚合物刷并用与该聚合物刷具有亲合力的润滑剂浸渍它们的上部润滑(supra-lubrication)技术能在宽应力范围内极大降低摩擦。这些非常挠性的聚合物刷在被润滑剂浸渍时再伸直(straighten out)，由此形成某种充满润滑剂的海绵。根据摩擦条件，在大接触压力的过程中，纤维容易压缩并使润滑剂恢复(restore)接触。结果形成较厚润滑剂膜，其导致摩擦系数和磨耗显著降低。但是，在长持续时间的应力过程中，这些聚合物刷最终退化(磨耗、表面划伤)，这不再能使该聚合物刷涂层确保其功能。
因此必须提出能在要润滑的钟表部件的表面上含有足量润滑剂以降低包含所述钟表部件的钟表机芯的维护服务频率的润滑基于硅的微机械钟表部件的新型方法。
同样必须提出可以创造能使磨耗和摩擦系数显著降低的润滑条件以提高包含这一钟表部件的钟机芯的可靠性、效率和因此动力储备的润滑硅基微机械钟表部件的新型方法，并实际上可用于宽应力范围。
发明内容
为此，本发明涉及包含具有至少一个表面的硅基基底的微机械钟表部件。
根据本发明，硅基基底的所述表面的至少一个部分具有在微机械钟表部件的外表面处打开的孔，所述孔包含摩擦学试剂。
本发明还涉及一种由硅基基底制造微机械钟表部件的方法，所述硅基基底具有表面，其至少一个部分通过摩擦学试剂润滑，所述方法依序包括步骤：
a)在所述硅基基底的所述表面的所述部分的表面上形成孔，
b)在所述孔中沉积所述摩擦学试剂。
由硅基基底的表面开始形成孔能够形成具有一定挠性并能通过变形适应各种压力条件的多孔硅基上部结构。此外，这种类型的结构具有能以持久方式容纳大量润滑剂储备的空腔。
此外，在多孔硅基上部结构上沉积聚合物刷的情况下，所得涂层能被润滑剂填充并在这些聚合物刷被压时恢复(restore)润滑剂。这种涂层同样有助于润滑剂渗入多孔硅基上部结构的空腔中。
附图说明
在仅作为非限制性实例给出并通过附图示出的本发明的几个实施方案的下列详述中更清楚看出本发明的目标、优点和特征，其中：
-图1至2示意性示出本发明的制造方法的第一实施方案的步骤，
-图3至5示意性示出本发明的制造方法的第二实施方案的步骤，且
-图6至8示意性示出本发明的制造方法的第三实施方案的步骤。
具体实施方式
参照图1和2，根据本发明由硅基基底1制造被摩擦学试剂润滑的微机械钟表部件的方法首先包括步骤a)：在硅基基底1的与要润滑的区域对应的区域上由所述硅基基底1的表面开始形成孔2。孔2被设计成在微机械钟表部件的外表面处打开。根据要形成的微机械钟表部件选择硅基基底1。在实施本发明的方法之前或之后，取决于要制造的微机械钟表部件给出硅基基底1的最终形状。在本发明中，术语“硅基基底”描述基底中的硅层和由硅制成的基底二者。硅基基底1优选是硅晶片或SOI晶片(绝缘体上的硅)。可优选在垂直于基底平面的表面上，即在经受摩擦的微机械钟表部件面上形成孔，但同样可在平行于基底平面的表面上形成孔。
有利地，这一步骤a)可通过选自电化学蚀刻法、“Stain-etch”型方法和“MAC-Etch”型方法的方法实现。
电化学蚀刻法可以是电化学阳极化法。其实施要求使用含有在水溶液中或与1至10％浓度的乙醇混合的氢氟酸的电化学浴。电流和电极对创造造成硅蚀刻的电化学条件是必要的。根据电化学条件，可以获得各种类型的孔。这样的方法是本领域技术人员已知的并且在此不需要详细信息。
“Stain-etch”型方法基于硅的湿蚀刻，直接导致形成多孔硅。通常，用HF:HNO3比为50–500:1的HF/HNO3/H2O溶液进行蚀刻。这一方法具有在该浴中不需要任何供电的优点。这样的方法是本领域技术人员已知的并且在此不需要详细信息。
步骤a)优选通过“MAC-Etch”型方法实现。这种方法基于使用贵金属的粒子以催化局部化学蚀刻反应。通常，沉积贵金属(金、银、铂)的极薄层(10-50纳米)并以无规方式或通过剥离、蚀刻、激光等结构化。贵金属优选是金。更特别地，可以有利地使用在HF/H2O2混合物中的金粒子溶液。粒子的尺寸可以为5至1,000纳米。可以通过金的光刻、蚀刻或剥离获得结构化。另一选项是蒸发或阴极雾化(溅射)极细非封闭层(5-30纳米)。热处理有助于形成金的小岛。
在将具有贵金属层的硅浸在HF/H2O2混合物的水溶液中时，贵金属局部催化硅的溶解。这一蚀刻溶液通常可包含4ml:1ml:8ml(48％HF:30％H2O2:H2O)至4ml:1ml:40ml(48％HF:30％H2O2:H2O)。优选在金属下方产生硅的溶解，该金属随后逐渐渗入硅中。这一反应可根据基本受硅晶体的取向、表面布置、掺杂和浴的化学性影响的传播模式在大深度(>100微米)上延续。“MAC-Etch”型方法的优点在于在浴中不需要供电，同时允许在硅中形成深度极大(>100微米)的孔。因此特别适合使用SOI晶片作为通常用于制造钟表组件的基底。
本领域技术人员了解为使在硅基基底中形成的孔具有合适的几何和尺寸而实施上述方法的参数。
特别地，孔可有利地具有5至100的纵横系数(深度:直径比)。
优选地，孔可具有大于100微米，优选大于200微米，更优选大于300微米的深度。
如图2中所示，在硅基基底1中在一定深度上形成孔2导致在相同深度上形成在孔2之间的硅基柱体3。优选地，在考虑硅基柱体具有圆形横截面时，孔2的形成应使硅基柱体3的投影表面小于表观总表面的79％以不使硅基柱体接触。
本发明的方法的第二步骤b)在于在柱体3之间的孔2中沉积摩擦学试剂。该摩擦学试剂是润滑剂并可以是液体，例如为水溶液形式，或是干燥的。所述摩擦学试剂优选是全氟化碳聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)或任何其它摩擦学试剂或合适的润滑剂。
根据本发明的方法的第一实施方案，摩擦学试剂根据步骤b)直接沉积在硅基基底的孔2中。这一步骤b)可通过薄膜沉积法，如CVD、iCVD、PECVD进行。可以在大约100℃至300℃的温度下进行合适的热处理以使摩擦学试剂聚合。由此，可将大量摩擦学试剂储存在硅基基底的表面附近，同时保持由于硅而相对提高的表面的表观硬度。
以特别有利的方式，选择根据步骤a)在硅基基底1中形成孔2的方法的参数以使孔2具有合适的几何和尺寸以使在孔2之间形成的柱体3包含硅基纤维3'。这些纤维3'具有5至100的纵横系数(深度:直径比)。该纤维形成挠性上部结构并最后根据本发明的方法的步骤b)用所选摩擦学试剂浸渍促进孔润湿。
可以根据本发明的方法的两个其它实施方案使用包含硅基纤维的基底。
更特别地，参照图3至5，根据本发明的方法的第二实施方案，提出根据步骤a)在硅基基底1中制造孔2以在孔2之间形成纤维3'形式的柱体3，如图3中所示。因此在步骤a)和b)之间提供步骤c)：在硅基纤维3'的壁上沉积用于摩擦学试剂的至少一种润湿剂4。选择润湿剂4以促进摩擦学试剂的润湿和渗透。施加其以形成极薄层(几纳米)以将硅基纤维3'的壁官能化。然后根据步骤b)用摩擦学试剂5浸渍纤维3'，选择摩擦学试剂5以促进孔2的润湿。
参照图6至8，根据本发明的方法的第三实施方案，提出根据步骤a)在硅基基底1中制造孔2以在孔2之间纤维3'形式的柱体3形成，如图6中所示。因此在步骤a)和b)之间提供步骤d)：在硅基纤维3'的壁上沉积至少一种聚合物刷6。例如在公开WO 2012/152512和WO2014/009059中描述了这样的聚合物刷6。该聚合物刷具有长度比硅基纤维小的纤维，因此该聚合物纤维受到更机械耐受的硅基纤维保护。然后根据步骤b)用摩擦学试剂5浸渍硅基纤维3'和聚合物刷6，选择摩擦学试剂5以促进润湿。
本发明还涉及能够通过上述方法获得的微机械钟表部件。所述微机械钟表部件包含具有至少一个表面的硅基基底1，该表面特别能以与另一微机械钟表部件的表面接触而终止，所述微机械钟表部件可相对于彼此移动。
根据本发明，所述表面的至少一个部分具有在微机械钟表部件的外表面处打开的孔2，所述孔2包含摩擦学试剂。
有利地，制造孔2以在所述孔之间形成硅基纤维3'。
根据一个实施方案，硅基纤维3'可包含被用于摩擦学试剂5的至少一种润湿剂4覆盖的壁，硅基纤维是被摩擦学试剂5浸渍的。
根据另一实施方案，硅基纤维3'可包含被至少一种聚合物刷6覆盖的壁，硅基纤维3'和聚合物刷6是被摩擦学试剂5浸渍的。
本发明的方法能在具有受控几何和机械弯曲性质的硅基基底的材料中直接制造纤维，这在使用聚合物刷的情况下能在提高可靠性的同时在宽摩擦条件范围内保持上部润滑(supra-lubrication)性能。因此，本发明的方法能够补偿常用于上部润滑(supra-lubrication)的聚合物刷的机械耐受性的缺失。硅基纤维的成型结构构成润滑剂储器，其能随应力变化使足量润滑剂恢复接触。
可以根据预期摩擦条件和摩擦学目标优化孔和硅基纤维的几何。硅基基底的结构化可以是从硅基纤维到形成海绵层的开放无序孔。
Claims (18)
1.微机械钟表部件，其包含具有至少一个表面的硅基基底(1)，其特征在于所述表面的至少一个部分具有在微机械钟表部件的外表面处打开并包含摩擦学试剂(5)的孔(2)。
2.根据权利要求1的微机械钟表部件，其特征在于所述孔(2)具有5至100的纵横系数(深度:直径比)。
3.根据权利要求1的微机械钟表部件，其特征在于所述孔(2)具有大于100微米的深度。
4.根据权利要求3的微机械钟表部件，其特征在于所述孔(2)具有大于200微米的深度。
5.根据权利要求4的微机械钟表部件，其特征在于所述孔(2)具有大于300微米的深度。
6.根据权利要求1的微机械钟表部件，其特征在于其包含在孔(2)之间的硅基纤维(3')。
7.根据权利要求6的微机械钟表部件，其特征在于硅基纤维(3')具有5至100的纵横系数(深度:直径比)。
8.根据权利要求6的微机械钟表部件，其特征在于硅基纤维(3')包含被用于摩擦学试剂(5)的至少一种润湿剂(4)覆盖的壁，硅基纤维(3')是被摩擦学试剂(5)浸渍的。
9.根据权利要求6的微机械钟表部件，其特征在于硅基纤维(3')包含被至少一种聚合物刷(6)覆盖的壁，硅基纤维(3')和聚合物刷(6)是被摩擦学试剂(5)浸渍的。
10.根据权利要求1的微机械钟表部件，其特征在于摩擦学试剂(5)是全氟化碳聚合物。
11.根据权利要求1的微机械钟表部件，其特征在于硅基基底(1)是硅晶片或SOI晶片(绝缘体上的硅)。
12.由硅基基底(1)制造微机械钟表部件的方法，所述硅基基底具有表面，该表面的至少一个部分通过摩擦学试剂(5)润滑，所述方法依序包括步骤：
a)在所述硅基基底(1)的所述表面的所述部分的表面上形成孔(2)，
b)在所述孔(2)中沉积所述摩擦学试剂(5)。
13.根据权利要求12的方法，其中设计孔(2)以在孔之间形成硅基纤维(3')。
14.根据权利要求13的方法，其在步骤a)和b)之间包括步骤c)：在硅基纤维(3')的壁上沉积用于摩擦学试剂(5)的至少一种润湿剂(4)。
15.根据权利要求13的方法，其在步骤a)和b)之间包括步骤d)：在硅基纤维(3')的壁上沉积至少一种聚合物刷(6)。
16.根据权利要求12的方法，其中步骤a)通过选自电化学蚀刻法、“Stain-etch”型方法和“MAC-Etch”型方法的方法实现。
17.根据权利要求16的方法，其中步骤a)通过“MAC-Etch”型方法实现。
18.根据权利要求12的方法，其中步骤b)通过薄膜沉积法实现。
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