CN111338202A

CN111338202A - 经强化的钟表部件

Info

Publication number: CN111338202A
Application number: CN201911308119.4A
Authority: CN
Inventors: 丹尼斯·法韦; 斯特凡诺·埃宁
Original assignee: Rolex SA
Current assignee: Rolex SA
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-06-26
Also published as: EP3671361A1; JP2020106526A; US20200192300A1; US12061445B2; JP7539768B2

Abstract

本发明涉及一种基于能微加工的材料的钟表部件，其中，该钟表部件包括至少通过氢平滑处理而变平滑的至少一个能微加工的材料表面部分，该能微加工的材料表面部分包括厚度大于1微米以提高其机械强度的氧化物层。

Description

经强化的钟表部件

技术领域

本发明涉及一种用于由能微加工的材料(例如硅)制造钟表部件的方法。本发明还涉及钟表部件、钟表机芯以及包括这种钟表部件的钟表。

背景技术

硅是对于制造钟表部件具有多重优势的材料。一方面，它允许以微米精度同时制造大量小尺寸的构件。另一方面，它具有低密度和抗磁特性。然而，这种材料具有一个缺点：它没有或几乎没有任何塑性变形范围，这使其成为表现出易碎性能的材料。因此，机械应力或冲击可能会导致部件在没有任何事先变形的情况下破裂。因此，特别是在由硅制成的钟表部件的制造及其组装期间，处理该钟表部件特别麻烦。

由硅制成的钟表部件的易碎性因它们从硅基板上切割的方式(即，通常使用深蚀刻技术，例如深反应离子蚀刻(DRIE))而被加重。这种蚀刻工艺的一种特殊性在于，它会形成侧壁略微起皱的开口，这些侧壁在其表面上具有看起来像小波浪或小咬痕的缺陷(称为毛边)。结果，蚀刻的侧壁具有一定的粗糙度，其降低了部件的机械强度。此外，存在于侧壁表面上的这些缺陷特别是在机械应力的情况下会产生裂纹触发部位，并且在低于材料的通常强度的应力下会导致部件破裂。

为了改善由硅制成的钟表部件的机械性能，已经提出了多种方法。

第一种方法记载在文献EP1904901中，其在于通过在900℃至1200℃之间的温度下对硅进行热氧化来形成氧化硅层。所形成的氧化物层是由部件表面的硅转化成氧化硅而产生的。该文献规定了该层的厚度至少为5nm并且实际上保持厚度严格小于1微米。

文献EP2277822记载了该第一种方法的变型，其中使所形成的氧化物层之后被溶解。形成氧化硅层之后使其溶解使得硅表面的包含一些缺陷和/或裂纹触发部位的层被去除，并使凹凸不平圆化。该方案最终在于使用所谓的氧化-脱氧的工艺使硅表面变光滑。

这两种采用第一种方法实现氧化的方案具有消耗硅和改变未完成的硅钟表部件的初始尺寸的缺点。

第二种方法记载在Lee等人(IEEE，2005年)的文献“使用氢退火的硅轮廓转变和侧壁粗糙度降低”中，该第二种方法基于的方案涉及通过氢退火使与钟表制造几乎无关的领域的硅部件的侧壁变平滑。氢以及温度促进了硅的迁移，硅的迁移使侧壁表面缺陷变平滑而不消耗硅，因此不影响部件的初始尺寸。然而，这种方法的有效性尚有争议，并且它首先是为了在硅中形成圆形/球形三维结构而开发的。

如文献CH702431中所记载的，该方案已经应用于钟表制造领域，其目的是使从各种材料切割的构件的锐利边缘圆化。

发明内容

本发明提出了一种用于强化由能微加工的材料(例如硅)制成的钟表部件的改进方案。

具体地，本发明的一个主题是一种用于制造钟表部件的方法，其中由能微加工的材料制备形成未完成的钟表部件的构件，其中该方法包括平滑处理步骤，该平滑处理步骤包括对构件的至少一部分表面进行至少一次氢平滑处理，并且其中该方法包括在构件的所述至少一部分表面上形成氧化物层以强化钟表部件的步骤，该氧化物层的厚度大于1微米，或者甚至大于或等于2微米，或者甚至大于或等于2.5微米，或者甚至大于或等于3微米。

本发明还涉及使用这种方法获得的钟表部件。

本发明由权利要求书精确地限定。

附图说明

通过下面对参照附图非限制性地给出的用于制造钟表部件的方法的一个特定实施方式的描述，将更好地理解本发明，在附图中：

图1示出了在钟表部件的不同批次中获得的、对于氧化物层的涂层的多种厚度的强度。

图2示出了在钟表部件的不同批次中获得的强度，证明了通过实施本发明的一个实施方式所获得的积极结果。

图3示出了从上方观察的用于调节钟表机芯的装置，该装置包括根据本发明的一个实施方式的钟表部件。

图4以横截面示出了用于调节钟表机芯的装置。

图5示出了根据本发明的一个实施方式的调节装置的制动杆的运动部分。

具体实施方式

本发明的概念在于结合对部件的平滑处理使用厚氧化物层(即，特别是厚度明显大于在现有技术方案中选择的厚度的氧化物层)来强化由能微加工的材料制成的钟表部件。使用氧化物层来强化由硅制成的部件的现有方案实际上施加厚度严格小于1μm的氧化物。这种厚度的氧化物的获得是耗时的，通常需要一夜的加工，并且导致部件尺寸的改变。

对三点弯曲试样进行了比较试验，比较试验在于改变氧化物层的厚度、特别是超过1μm的限制。应当指出，由于材料的易碎特性，相同的强化处理操作导致的结果也会因钟表部件的不同而不同，尽管这些钟表部件原则上相同并承受相同的应力。因此，有必要对相同部件的多个批次进行测试，然后对其进行统计分析，以便观察任何效果。图1示出了针对氧化物厚度分别等于0.3μm、1μm、2.6μm和3μm的四个批次所获得的结果。测量每个批次中的每个部件的断裂强度。可以看出，平均断裂强度随着厚度的增加直到2.6μm的厚度而非常轻微地增加，然后稳定在2000MPa左右，而在更大的3μm的厚度没有改善。相对于增加氧化物层的厚度所需的处理时间的大量增加而言，断裂强度的较小改善意味着这种方法几乎没有意义。换言之，考虑到制备这些大厚度所需的时间以及受冲击的材料的大厚度，大厚度的效果非常低效。

由于这些原因，从未想过采用大于1μm的氧化物厚度。本发明克服了该第一种偏见，本发明将显著增加的厚度与现有的平滑处理步骤相结合的选择实现了钟表部件的意外强化，该选择的细节将在下面给出。在部件的机械强化方面，从未将平滑处理与氧化物层的形成结合起来，这两种方案被认为是等效的替代方式。本发明同样克服了第二种偏见，本发明使通过将平滑处理与氧化物层结合起来而实现的大改善得到了证实。

根据本发明的用于制造钟表部件的方法包括以已知方式制造未完成的钟表部件的第一阶段。例如，该阶段可以包括初始步骤，该初始步骤在于提供由能微加工的材料制成的基板。该基板例如是硅晶片。在接下来的步骤中，晶片、特别是其两个侧面中的至少一个侧面(即，正面和背面中的至少一个)用保护涂层(例如，光致抗蚀剂)覆盖。该过程以在保护涂层中形成图案的步骤继续。通过形成贯穿光致抗蚀剂层的开口来制备图案。包含开口的保护涂层形成保护掩模。然后，穿过保护掩模，特别是使用深反应离子蚀刻(DRIE)，来蚀刻硅晶片的步骤使得在掩模中具有一个或多个开口的情况下将开口完全蚀刻到硅中，从而获得未完成的硅钟表部件。

本发明涉及强化这种未完成的钟表部件的第二阶段，作为变型，该未完成的钟表部件还可以在第一阶段中使用除上述之外的任何处理(例如，使用激光切割技术)来形成。

第一个试验在于在形成厚氧化物层之前执行使未完成的钟表部件变平滑的步骤。这样的厚氧化物层形成在未完成的钟表部件的全部或部分表面上，优选在其全部表面上，或者在其表面的至少50％或甚至75％上。该厚氧化物层可以使用例如文献EP1904101中记载的方法或使用任何其他等效方法来制备。该试验的平滑处理步骤包括氧化和脱氧步骤，例如，文献EP2456714中记载的氧化和脱氧步骤。根据文献EP1904101中记载的方法，氧化-脱氧阶段例如可以包括在1100℃下热氧化2小时40分(2h40)，然后将由此形成的氧化物溶解在氢氟酸中。

基于该试验，本发明的一个有利的实施方式在以类似于上述第一试验的方式形成厚氧化物层之前，向通过上述氧化-脱氧的现有平滑处理步骤增加氢平滑处理子步骤。氢平滑处理步骤对应于例如文献CH702431中记载的氢退火。它包括在还原性气氛中在选定的温度和压力条件下对未完成的钟表部件或至少其经过处理的表面进行退火，以使硅原子从锐利的边缘迁移，从而使它们圆化。在一个实施方式中，该氢平滑处理步骤在600℃至1300℃之间的温度和严格高于100托的压力下进行。应当指出，氢平滑处理如上所述地移动了硅原子：通过观察边缘可以看出，氢平滑处理引起边缘周围的某种溶胀，这具有使它们圆化的间接效果。

最后，将清楚的是，可以采用其他实施方式，包括在形成厚氧化物层之前的任何中间表面平滑处理步骤，该中间表面平滑处理步骤包括至少一个氢平滑处理步骤。

在所有这些实施方式中，厚氧化物层的厚度优选大于1μm，或者甚至大于或等于1.5μm或2μm或2.5μm或3μm或3.2μm。氧化物层的厚度有利地小于或等于5μm。该氧化物层有利地具有恒定的厚度。作为变型，它可以具有可变的厚度。在这种情况下，前述值适用于平均厚度或中值厚度。另外，在所描述的实施方式中，使用诸如文献EP1904101中记载的方法来获得厚氧化物层，但是作为变型，可以使用任何其他方法来获得厚氧化物层。

为了证实如下所述的根据本发明的实施方式的用于制造强化的钟表部件的方法的优点，对三点弯曲试样进行了比较试验。应当指出，由于材料的易碎特性，相同的强化处理操作导致的结果也会因钟表部件的不同而不同，尽管这些钟表部件原则上相同并承受相同的应力。因此，有必要对相同部件的多个批次进行测试，然后对其进行统计分析，以便观察任何效果。

图2示出了每个批次的每个构件的断裂强度，这使得可以看出每个批次的结果振幅。对于这些批次的每个批次，观察最小断裂强度和平均断裂强度是特别有利的。

构件的第一批次(批次1)是参考批次，未将本发明应用于该参考批次。该批次包括由硅制成的构件，这些构件是使用第一工具通过DRIE工艺形成的，没有后处理。由于测得的最小断裂应力低于500MPa，因此平均断裂强度较低，部件过早断裂的风险较高。

第二批次(批次2)是包含与批次1相似的硅部件的批次，这些硅部件是通过使用第二工具通过DRIE工艺进行蚀刻而制备的，但是经过了强化处理，在该强化处理中，在不进行平滑处理的情况下生长了三微米厚的氧化物层。该第二批次是形成本发明垫脚石的中间试验，并且具有厚氧化物层的优点。可以看出，第二批次的平均断裂强度较高，约为2000MPa，并且最小断裂应力高于1500MPa。

第三批次(批次3)包括与批次1类似的硅构件，这些硅构件是通过使用第一工具通过DRIE工艺进行蚀刻而制备的，但是经过了强化处理，在该强化处理中，在生长2.87微米厚的氧化物层之前，进行了通过氧化-脱氧(生长1微米的氧化物-HF溶解)进行的中间平滑处理步骤。该第三批次对应于上述第一试验，最后是形成本发明垫脚石的另一个中间试验。相对于批次2，平均断裂强度进一步提高(4000MPa)。

第四批次(批次4)包含与批次1类似的硅构件，这些硅构件是通过使用第一工具通过DRIE工艺进行蚀刻而制备的，但是经过了强化处理，在该强化处理中，在生长2.87微米厚的氧化物层之前，进行了通过氧化-脱氧(生长1微米的氧化物-HF溶解)进行的中间平滑处理步骤以及之后的氢平滑处理步骤。该第四批次采用了上述本发明的有利实施方式。相对于其他批次，在平均断裂应力(约为5000MPa)和批次的最小断裂应力(高于3000MPa)方面，性能均得到明显改善。通过各种平滑处理操作与最终非常厚的氧化物层的结合消除了各种类型的缺陷，最终非常厚的氧化物层有助于使存在的最终缺陷堵塞和变平滑。

因此，图2清楚地示出了通过实施根据本发明的方法所获得的令人惊讶的有利效果。

作为变型(未被示出)，应当指出，仅通过实施氢平滑处理步骤之后生长厚氧化物层，可以获得令人满意的结果。

应当指出，本发明可以与也有助于改进这种钟表部件的性能的其他已知的方法相结合。因此，可以采用使用各向同性的流体蚀刻剂来机械地强化构件的工艺，例如，文献EP2937311中所记载的工艺。

此外，根据本发明的氧化物层可以可选地用任何其他小厚度的涂层覆盖，以进一步提高强度或使钟表部件具有另一种特性，例如不同的摩擦性。因此，本发明的厚氧化物层因其位于部件表面附近而是表面层，但不一定是部件的最外层。

因此，应当指出，在上述例子中，钟表部件包括覆盖有由二氧化硅制成的厚氧化物层的由硅制成的基底。作为变型，可以使用用于沉积氧化物层的任何其他工艺，潜在地除了这里描述的氧化硅层以外的氧化物层。作为变型，可以沉积碳化硅或氮化硅层。作为另一个变型，可以沉积氮化钛或碳化钛层。最后，可以使用任何厚层，只要它使构件的残余表面缺陷被堵塞。根据另一个变型，可以使用从上述层中选择的多个叠置的层(可选地由不同的材料制成)。

因此，本发明的方法允许制造由能微加工的材料制成并具有强化的机械性能的钟表部件。在上述例子中，能微加工的材料是硅。作为变型，可以使用由石英、金刚石或适合于制造钟表部件的任何其他能微加工的材料制成的基板。在这种情况下，必须对每种材料进行平滑和强化处理。

此外，本发明的方法适合于制造任何钟表部件、特别是包括实现其组装的柔性部分的钟表部件。通过说明性和非限制性例子，钟表部件可以是齿轮、擒纵轮、任何擒纵部件、指针、冲击销、擒纵叉和杆或其他钟表弹簧，例如主发条或摆轮游丝。

例如，该过程可以适于调节装置的部件的制备。这种调节装置在图3至图5中示出。特别地，其尤其包括围绕轴线A3枢转的擒纵轮3以及制动杆2，制动杆2包括围绕第三轴A2a枢转的第一制动杆运动构件2a以及围绕第四轴A2b枢转的第二制动杆运动构件2b，所有这三个部件都位于同一平面P中并且由硅制成。

这样的部件因其特别小的尺寸和所用材料的固有易碎特性而被证明组装起来麻烦。在这些部件被驱动到它们的轴上的力矩下发生断裂的风险高。因此，优选地，部件2a、2b和3各自包括由弹性臂勾勒出的中心开口，这些弹性臂的端部旨在与它们相应的轴相互作用。弹性臂的尺寸被限定为确保足够的扭矩将部件2a、2b、3分别在它们各自的轴A2a、A2b、A3上保持在适当位置。优选地，中心开口的轮廓是非圆形的，如同例如文献WO2011/116486或文献WO2013/045706中记载的弹性夹头的开口一样。

由于臂的尺寸小，因此需要使材料的机械强度最大化，并且本发明的方法允许降低与批次的最小断裂应力有关的断裂风险。

本发明还涉及使用刚刚描述的制造方法制造的钟表部件以及包括该钟表部件的钟表。

因此，基于能微加工的材料的钟表部件的特征在于，其至少一部分表面将进行氢平滑处理，并将包括厚度大于或等于1或者甚至2或者甚至3微米的氧化物层以便提高其机械强度，或者实际上包括除了上面列出的厚度之外的厚度的氧化物层。

有利地，钟表部件的特征在于，其平均断裂强度大于或等于4000MPa，和/或其具有的最小断裂强度大于或等于3000MPa。

有利地，本发明适用于可以说是刚性的钟表部件，即，例如，与弹簧(特别是主发条和游丝除外)相比，其操作不需要或几乎不需要弹性性能。这些刚性部件可具有如上所述的用于其组装但随后不用于其计时功能的弹性部分。换言之，这样的钟表部件在其操作过程中并不意图弹性地变形以存储和释放能量。对于这样的部件，由于它们没有被设计为利用弹性，因此它们不能例如弹性地阻尼它们所承受的任何应力，因此断裂强度是特别重要和需要的。

Claims

1.一种基于能微加工的材料的钟表部件，其中，所述钟表部件包括至少通过氢平滑处理而被平滑的至少一个能微加工的材料表面部分，所述能微加工的材料表面部分包括厚度大于1微米的氧化物层，以提高其机械强度。

2.根据前述权利要求所述的钟表部件，其中，所述氧化物层的厚度大于或等于2微米，或者甚至大于或等于2.5微米，或者甚至大于或等于3微米。

3.根据前述任一项权利要求所述的钟表部件，其中，所述能微加工的材料是硅，并且所述氧化物层是氧化硅。

4.根据前述任一项权利要求所述的钟表部件，其中，所述钟表部件是擒纵装置的由硅制成的钟表部件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的钟表部件，其中，所述钟表部件是不通过弹性来释放能量的刚性的钟表部件，和/或其中所述钟表部件是包括齿轮、擒纵轮、指针、冲击销和擒纵叉的组中的一个元件。

6.根据前述任一项权利要求所述的钟表部件，其中，所述钟表部件的平均强度大于或等于4000MPa，和/或其中所述钟表部件的最小强度大于或等于3000MPa。

7.一种钟表机芯，其中，所述钟表机芯包括前述任一项权利要求所述的钟表部件。

8.一种钟表，其中，所述钟表包括权利要求1至6中任一项所述的钟表部件或权利要求7所述的钟表机芯。

9.一种用于制造钟表部件的方法，其中，由能微加工的材料制备形成未完成的钟表部件的构件，其中，所述方法包括平滑处理步骤，该平滑处理步骤包括至少对所述构件的至少一部分表面进行氢平滑处理，并且其中所述方法包括通过在所述构件的所述至少一部分表面上形成氧化物层来机械地强化所述构件的步骤，所述氧化物层的厚度大于1微米，或者甚至大于或等于2微米，或者甚至大于或等于2.5微米，或者甚至大于或等于3微米。

10.根据权利要求9所述的用于制造钟表部件的方法，其中，制备形成未完成的钟表部件的构件的步骤包括对所述构件进行微加工，特别是通过深反应离子蚀刻(DRIE)和/或使用激光切割技术进行微加工。

11.根据权利要求9和10中任一项所述的用于制造钟表部件的方法，其中，对所述构件的所述至少一部分表面进行平滑处理的步骤包括在氢平滑处理步骤之前通过氧化-脱氧的附加平滑处理步骤。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的用于制造钟表部件的方法，其中，所述方法包括使用各向同性的流体蚀刻剂来机械地强化所述构件的处理步骤。