CN107065501B - 用于制造混合钟表组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造混合钟表组件的方法，包括以下步骤：结构化第一可微机械加工材料的至少一个晶片(14)，以在所述晶片(14)中形成至少一个贯通开口(15)，该结构化的晶片(14)用于形成所述混合钟表组件的第一部件(4)；通过电成型沉积金属，以便所述金属作为由一个且相同的电成型步骤产生的单件延伸通过贯通开口(15)且在晶片(14)的上下两个面上延伸，该电成型的金属用于形成所述混合钟表组件的第二部件(8)。本发明的制造方法简单，且可以实现混合钟表组件的令人满意的内聚力和令人满意的机械强度。

Description

用于制造混合钟表组件的方法

技术领域

本发明涉及用于制造混合钟表组件的方法，包括至少两种不同的材料。本发明还涉及根据该方法所获得的这样的钟表组件，包括这样的混合钟表组件的钟表运动装置和钟表。

背景技术

制造由例如由硅制成的第一部件或更一般地由任何可微机械加工材料制成的第一部件，和由金属制成的第二部件构成的混合钟表组件是已知的。用于制造这样的混合钟表组件的一种方法使用通过微机械加工，特别是通过深反应离子刻蚀(DRIE)制造的第一方法以形成第一部件，并使用基于电成型，特别是已知在首字母缩写词LIGA下的电成型的第二制造方法生长由金属制成的第二部件。该第二金属部件可在随后加入，但更准确的是直接使其与由硅制成的第一部件结合生长。

文献EP 1932804描述了例如用于制造这样的混合钟表组件的方法，其包括刻蚀放置在工作基底上的硅晶片，然后硅晶片上沉积一层光致抗蚀剂，形成用于生长电成型的金属层的模具。硅晶片包括至少一个贯通腔(through-cavity)，该贯通腔也被电成型的金属填充。该技术提供了保证定位钟表组件的两种不同材料的精度的优势。因此，该结果是产生如下钟表组件：其包括部分由硅制成和部分由金属制成的第一水平和叠加在所述第一水平的上表面上的由金属制成的第二水平。在所述第一水平的贯通腔处，通过沿着硅的侧面生长金属部件，确保了获得的组件的两种不同材料之间的“亲密”结合。然而，该结合既不是化学键，机械上也不强，因为其仅仅基于这些侧面的单独粗糙度，因此可能证明太弱以致不能在组合件经受一定的应力或经受大的温度变化时确保该组合件的内聚(cohesion)。因此，如此获得的钟表组件表现出在两种材料之间(即在金属和硅之间的结合处)的内聚破坏的风险。

为了克服该缺点，文献WO 2009/062943描述了用于制造硅-金属混合组件的方法，其中，金属部件夹在硅部件之间。为此，所述制造方法进行两个独立的步骤：分别在硅部件的每个上下表面上生长金属部件。该方法改善了由不同材料制成的钟表组件的两个部件之间的内聚。然而，其需要使用复杂的制造工艺，特别是由于翻转基底以在硅部件的下表面上进行生长的任务。此外，在通过生长金属部件的两个独立步骤形成的各个独立的金属层之间的界面处观察到缺陷。

发明内容

因此，本发明的目的是改善混合钟表组件的制造。尤其是，本发明适用于制造包括由第一材料，优选地可微机械加工材料制成的第一部件，和由不同的第二材料制成且由金属制成的第二部件的任何钟表组件。

更具体地，本发明的第一个目的是使得可能实现混合钟表组件的令人满意的内聚力和令人满意的机械强度。

本发明的第二目的是提出了用于制造混合钟表组件的简单方法。

为了上述目的，本发明涉及用于制造混合钟表组件的方法，其中，包括以下步骤：

-结构化第一可微机械加工材料的至少一个晶片以在所述晶片中形成至少一个贯通开口(through-opening)，该结构化的晶片意图是用于形成所述混合钟表组件的第一部件；

-通过电成型沉积金属，以便所述金属作为由一个且相同的电成型步骤产生的单件延伸通过贯通开口且在所述晶片的两个上下面上延伸，该电成型的金属用于形成所述混合钟表组件的第二部件。

本发明还涉及包括由第一可微机械加工材料制成的第一部件的混合钟表组件，其中，包括由不同于所述第一材料的金属材料制成的第二部件，该第二部件作为单件连续地在所述第一部件的上表面上延伸，延伸通过所述第一部件的贯通开口，然后在所述第一部件的下表面上延伸，以便所述第一部件装配在所述第二部件的任一侧上，保证了在两个部件之间的机械支持。

本发明更具体地由权利要求书限定。

附图说明

在以下通过结合所附的附图非限制性地给出的具体实施方案的描述中将详细公开本发明的目的、特征和优点，其中：

图1a-1g图示了根据本发明的一种实施方案的用于制造混合钟表组件的方法的连续步骤。

图2a-2g图示了根据本发明的实施方案的变型的用于制造混合钟表组件的方法的连续步骤。

图3a-3g图示了根据本发明的实施方案的第二变型的用于制造混合钟表组件的方法的连续步骤。

图4至9图示了根据本发明的实施方案的各种混合钟表组件。

具体实施方式

为了简单化，将在以下描述中使用的术语“金属”表示金属材料或金属合金。此外，在本发明的各种实施方案变型中，相同的附图标记将用于相同或类似的元件。

图1a图示了根据本发明的实施方案的用于制造混合钟表组件的方法的第一步骤。该步骤在于提供将充当用于制造钟表组件的支架的工作基底10。该基底将会被去除的，也就是说其不是最终钟表组件的部件。所述基底由金属制成或由任意导电材料制成，或使用非导电材料形成，其上表面11通过金属化被赋予导电性。因此，工作基底可以由包括通过PVD沉积或通过电成型获得的金属层的硅晶片组成，或由掺杂的硅晶片组成或由金属晶片组成或由任意其他的上表面传导电流的平的基底组成。

钟表组件的构建将使用沿着基本上垂直于基底10的上表面11的方向上(其按照惯例将被称为垂直方向z，在图中向上取向)层叠的多层来进行。同样地，该平的基底10按照惯例限定了水平面。

图1b图示了用于制造混合钟表组件的方法的第二步骤，该第二步骤在于沉积和结构化感光树脂的第一层12以形成意图用于控制混合钟表组件的金属部件的下部生长的模具的下部。

在已知的方式中，树脂是适合于光刻法的光致抗蚀剂。所述光致抗蚀剂可以是负性或正性的。在第一种情况下，所述光致抗蚀剂被设计为在辐射的作用下对显影剂是不溶解的或难以被显影剂溶解，而在第二种情况下，所述光致抗蚀剂被设计为在辐射的作用下对显影剂是可溶解的，而没有暴露于辐射中的部分光致抗蚀剂则保持不溶解或难以溶解。在所述实施方案的具体实例中，所使用的抗蚀剂可以是“SU-8”型，其是在UV辐射的作用下聚合的负性光致抗蚀剂。初始光致抗蚀剂层的光刻法的步骤是按如下步骤进行的，该步骤在于将初始抗蚀剂层暴露于光辐射中或通过包括开口和不透明区域的掩膜使该初始抗蚀剂层暴晒。该掩膜限定了用于生产待制造组件的所述第一水平的待重现图案。用于辐射或暴晒抗蚀剂的光辐射在此是由UV源发射的UV辐射。辐射垂直于其中掩膜延伸的平面，以仅照射位于在掩膜中产生的开口处的抗蚀剂区域。在此描述的特定的示例性实施方案中，暴晒的抗蚀剂区域变得对大部分显影液不敏感或不溶解。前述暴露于光辐射的步骤任选地接着是交联热处理步骤，然后是显影步骤。显影在于根据适合于所使用的抗蚀剂的方法，例如通过用化学品溶解或通过等离子体工艺去除未暴露的抗蚀剂区域。在溶解之后，基底10的导电性上表面11至少在已经去除抗蚀剂的模具13的区域呈现。作为变型，可以使用使得可能形成模具的现有技术的任何其他方法。

在该步骤结束时，如此获得模具13和通过图1b图示的结构，其中基底10的导电性上表面11在形成第一水平N1的层上被抗蚀剂模具13覆盖。有利地，第一光致抗蚀剂层的厚度(按照惯例在z方向上的高度)与混合钟表组件的金属部件的下部希望的厚度相同。

接下来的通过图1c图示的步骤在于，在水平N1上形成模具13的该第一光致抗蚀剂层12上沉积硅晶片14，形成叠加在水平N1上的结构的第二水平N2。该硅晶片14意图是用于形成由最终混合钟表组件的第一材料制成的第一部件。

接下来，所述方法进行例如通过DRIE蚀刻结构化硅晶片14的步骤，以形成至少部分地叠加在第一水平N1的无抗蚀剂区域13上的至少一个贯通开口15。作为观察结果，基底10的上表面11因此保持通过硅晶片的该至少一个贯通开口15可接近。图1d图示了通过该步骤获得的结果。作为观察结果，贯通开口15理想地在至少一个给定方向上小于在其顶部形成的无材料区域，以便有助于将形成的最终部件的内聚，如将在随后详细说明的。换言之，晶片14的下表面覆盖第一水平N1的无抗蚀剂区域13的至少一部分。

然后，所述方法进行如下步骤，该步骤在于在硅晶片14的上表面的顶部沉积和结构化第二光致抗蚀剂层16，形成第三水平N3并且任选地填充晶片14的至少一个贯通开口15的至少一部分。图1e图示了通过该步骤获得的结果的实例，该步骤在于在水平N3上形成模具17，因此，模具17部分地在硅晶片14的上表面上延伸，并且部分地(任选地)在硅晶片的贯通开口15内部延伸至基底的上表面11。因此，通过组合水平N1的模具13、水平N2的贯通开口15和至少部分地叠加的水平N3的无材料区域来形成该模具17。模具17从基底10的上表面11延伸至水平N3的上表面。在图示的实例中，贯通开口15是圆柱形，层16具有位于由贯通开口15形成的圆柱体的中心的较小直径的圆柱形部分，留下围绕在其周长周围的形成模具17的环形部分的空环。在水平N3处，模具16理想地留在贯通开口15处可见的晶片14的至少一个表面处，直接在该贯通开口15的入口处。

然后，所述方法进行如下步骤，该步骤在于在由混合钟表组件的光致抗蚀剂和硅部件的各层形成的模具中电沉积金属。意图是用于形成由最终混合钟表组件的第二材料制成的第二部件的该金属生长至少部分地在水平N3上继续。结果图示在图1f中。因此，看起来该电成型的金属18在硅晶片的顶部作为从基底10的上表面11延伸到水平N3的层的单件形成部件。金属在通过贯通开口15穿过晶片14的同时，特别地在晶片14的下表面和上表面两者上延伸，在作为通过一个且相同的电成型步骤形成的单件的金属部件的帮助下形成夹层结构。因此，钟表组件包括在仅包括金属的第一水平N1上的第一层、在包括金属和硅的第二水平N2上的第二层和在仅包括金属的第三水平N3上的第三层。

最后，所述方法进行如下最后步骤，即从混合钟表组件的支架(即基底10)中释放该混合钟表组件，其使得可能获得通过图1g图示的、通过来源于所使用的硅晶片14的硅部件4和来源于电成型的金属18的金属部件8形成的混合钟表组件1。此外，在去除基底10之前或之后，用已知方式排除所使用的抗蚀剂。

本发明还涉及通过该制造方法获得的这样的混合钟表组件。因此这样的组件包括用第一材料例如硅或任何其他可微机械加工材料制成的第一部件4和由金属制成的第二部件8。该第二部件8形成在第一部件4的上表面5上延伸，在第一部件4的整个厚度上穿过该第一部件4，然后在所述第一部件4的下表面6上延伸的连续区域。这样的结果是第一部件4被捕获在第二部件8的两个部分之间，保证了两个部件之间的机械保持。此外，第二部件8作为单件获得，这在使得能够通过单个电成型步骤简单形成第二部件8的同时保证了第二部件8的最大强度。根据图示的实施方案，钟表组件另外包括在第二部件8中的圆柱形贯通开口9，其使得可能插入例如旋转轴，或形成用于进入混合钟表组件中的金属嵌件。

混合钟表组件的第一部件可以由任何可微机械加工材料，例如硅、金刚石、石英或陶瓷制成。作为变型，使用的可微机械加工材料可以由两个层或更多个层组成，或由彼此叠加的数个晶片，例如“SOI”硅晶片组成。

此外，混合钟表组件可以包括多于两个部件，由不同于所述两种材料的第三材料制成的至少第三部件，所述第三材料可以是以类似于前两种材料的方式连接到构造物(architecture)的可微机械加工材料或电成型的金属。

图2a-2f图示了实施方案的变型，其中将仅解释不同之处。

根据所述方法的该变型，在形成水平N1的模具13的第二个步骤之后是生成直接叠加在水平N1上的水平N2的第二抗蚀剂层19，以实现通过图2b图示的结果。该第二层19有利地使得可能产生定位销。

接下来且如通过图2c图示的，例如通过DRIE法独立地结构化硅晶片14，以形成贯通开口15，该贯通开口15包括对应于定位销的至少一个贯通开口15和意图被叠加在第一水平N1的模具的无抗蚀剂区域13上的至少一个贯通开口15。作为观察结果，该结构化晶片可以经历其他处理，例如，氧化处理、掺杂处理或旨在给予其希望的特性的任何其他技术(渗氮、退火，使用ALD或CVD层)处理。然后，结构化的晶片连接到如在图2c中图示的之前形成的结构，以便通过定位销通过贯通开口。该构造物保证了硅晶片在水平N2上的准确定位，如通过图2d表示的，特别是在第一水平N1的无材料区域13的顶部的其贯通开口15的良好对齐和准确叠加。作为观察结果，硅晶片14因此通过水平N1的第一抗蚀剂层垂直地和通过由层19形成的至少一个抗蚀剂定位销水平地被抗蚀剂保持。自然地，作为选择还可能的是，在硅晶片14定位在之前的构造物的水平N2上之后，向硅晶片14添加额外的结构化物(处理、微机械加工)。

接下来通过图2e-2g图示的步骤分别对应于之前描述的通过图1e-1g图示的步骤。

通过图2g表示的所获得的混合钟表组件非常类似于通过图1g图示的混合钟表组件。此外，所述混合钟表组件包括单独地在第一部件4中形成的贯通开口2。

通过两种前述实施方案变型描述的制造方法可以包括其他实施方案变型。

例如，所述方法可以包括在之前描述的两个步骤之间的中间金属化步骤，以在非导电性抗蚀剂和/或硅表面上形成导电层，从而确保金属在例如肩部(shoulder)的正确沉积。

根据另一种变型，在一个且相同步骤中可以有多个光致抗蚀剂沉积步骤和结构化步骤，以生成更多复杂形状的模具并最终生成更多复杂结构的组件。

作为变型，可能添加一个或多个其他抗蚀剂层，以获得更多复杂的结构。

出于该目的，图3a-3g图示了所述制造方法的第二实施方案变型，其中将仅解释不同之处。

涉及图3a-3d的第一步骤对应于之前描述的变型的涉及图2a-2d的步骤。

接下来，所述方法包括在水平N3上定位和结构化抗蚀剂层16，然后在水平N4上定位和结构化额外的抗蚀剂层20，形成在四个水平N1至N4而不是在前述变型中的三个水平上延伸的模具17。

电沉积步骤(图3f图示的结果)类似于图2f所实施的步骤，但在额外的水平N4进行的步骤。

通过图3g表示的所获得的混合钟表组件与前述组件的不同之处在于，其包括例如不与钟表组件的硅部件4直接接触而完全内聚的轮型金属结构7。该第二变型因此使得能够划分钟表组件的两个部件(例如，硅/金属轮)。

显而易见地还可能以类似方式作为两个(或更多个)单独层结构化直接沉积在实施方案的基底上的第一抗蚀剂层。

上文描述的制造方法可以用于制造钟表组件，作为举例说明性和非限制性实例，例如，擒纵叉、定位杆(jumper)、轮、齿轮、齿条(rack)、弹簧、摆轮、凸轮或杆。

本发明还涉及通过上述方法获得的混合钟表组件，并且还涉及包括这样的混合钟表组件的钟表运动装置和钟表如手表。

后者可以是如图4a所表示的具有用于进入的金属嵌件的指针，或者如图4b所表示的具有用于平衡的平衡物的指针。

所述混合钟表组件可以是如图5a所表示的具有用于进入的金属嵌件的擒纵叉或如图5b所表示的具有金属擒纵叉瓦的擒纵叉。

所述混合钟表组件可以是如图6所表示的具有最佳的惯性/重量比的摆轮。

所述混合钟表组件可以是如图7a所表示的具有金属齿的擒纵轮、如图7b所表示的具有金属嵌件的擒纵轮(pallat wheel)或如图7c所表示的具有柔性金属结构的擒纵轮。

所述混合钟表组件可以是如图8a所表示的具有柔性金属宝石座的游丝、如图8b所表示的具有金属游丝支架(该金属游丝支架被提供为使得能够紧固游丝的外端)或具有钉住螺柱系统的金属的游丝、如图8c所表示的具有用于在游丝支架上进入的金属嵌件的游丝、如图8d所表示的具有用于进入到宝石座的金属嵌件的游丝。这样的游丝的制造使用如上描述的制造方法的变型，进行氧化的硅晶片的现有且独立的结构化，特别是为了形成有利地由氧化的硅制成的线圈以给予它们最佳性能。

所述混合钟表组件可以是如通过图9所表示的具有由硅制成的功能部件和由金属制成的附着部件的弹簧。

Claims (8)

1.一种用于制造混合钟表组件的方法，其中，包括以下步骤：

-提供基底(10)，基底(10)的至少上表面(11)是导电的；

-在基底(10)的上表面(11)的顶部形成第一抗蚀剂模具(13)，所述第一抗蚀剂模具(13)在基底(10)的顶部包括至少一个无材料区域；

-结构化可微机械加工的第一材料的至少一个晶片(14)且在前述步骤中形成的第一抗蚀剂模具(13)的顶部沉积所述至少一个晶片(14)，或者，在前述步骤中形成的第一抗蚀剂模具(13)的顶部定位可微机械加工的第一材料的至少一个晶片(14)且结构化所述至少一个晶片(14)，以形成至少部分叠加在前述步骤中所形成的第一抗蚀剂模具(13)的无材料区域上的至少一个晶片(14)的至少一个贯通开口(15)，该结构化的晶片(14)用于形成所述混合钟表组件的第一部件(4)；

-在所述晶片(14)的顶部形成第二抗蚀剂模具(17)，所述晶片(14)的顶部包括从基底(10)的上表面(11)延伸到堆叠体的上表面的无材料区域，所述第二抗蚀剂模具(17)使晶片(14)的至少一部分上表面在晶片(14)的贯通开口(15)处暴露；

-通过电成型沉积金属或合金，以便所述金属从基底(10)的上表面(11)延伸到晶片(14)的顶部，并且以便所述金属作为由一个且相同的电成型步骤产生的单件延伸通过贯通开口(15)且在晶片(14)的上下两个面上延伸，该电成型的金属用于形成所述混合钟表组件的第二部件(8)；

-通过去除基底(10)来释放所述混合钟表组件。

2.如权利要求1所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，包括以下附加步骤：

-在叠加在第一抗蚀剂模具(13)的无材料区域上的至少一个晶片(14)中形成至少一个贯通开口(15)，以便所述晶片(14)的下表面至少部分地覆盖第一抗蚀剂模具(13)的无材料区域。

3.如权利要求1所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，所述晶片(14)的顶部是所述晶片(14)的贯通开口(15)处。

4.如权利要求1或2所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，包括在基底(10)的上表面(11)的顶部形成的第一抗蚀剂模具(13)的顶部形成第二抗蚀剂层(19)的步骤，所述第二抗蚀剂层(19)形成能够随后定位结构化的晶片(14)的至少一个定位销，所述结构化的晶片(14)的贯通开口与定位销啮合以确保其水平支持。

5.如权利要求1或2所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，基底(10)由包括金属层的硅晶片组成，或由掺杂的硅晶片组成或由金属晶片组成。

6.如权利要求5所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，基底(10)由通过PVD沉积或通过电成型获得的金属层的硅晶片组成。

7.如权利要求1或2所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，在基底(10)的上表面(11)的顶部形成第一抗蚀剂模具(13)的步骤形成第一抗蚀剂模具(13)，第一抗蚀剂模具(13)的厚度相当于定位在所述混合钟表组件的第一部件(4)的下表面(6)上的金属的高度。

8.如权利要求1或2所述的用于制造混合钟表组件的方法，其中，其是包括以下部件的组件：指针、擒纵叉、摆轮、齿轮、擒纵轮、游丝、弹簧。