EP4564105A1 - Procédé de fabrication d'un balancier - Google Patents

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EP4564105A1
EP4564105A1 EP23213487.4A EP23213487A EP4564105A1 EP 4564105 A1 EP4564105 A1 EP 4564105A1 EP 23213487 A EP23213487 A EP 23213487A EP 4564105 A1 EP4564105 A1 EP 4564105A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrically conductive
balance
conductive layer
wafer
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23213487.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Susana del Carmen TOBENAS BORRON
Jean-Marie Bouquin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Richemont International SA
Original Assignee
Richemont International SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Richemont International SA filed Critical Richemont International SA
Priority to EP23213487.4A priority Critical patent/EP4564105A1/fr
Publication of EP4564105A1 publication Critical patent/EP4564105A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/063—Balance construction

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a composite balance wheel for a balance-spring resonator and more particularly a balance wheel formed from at least two materials such as silicon and a metal.
  • the regulating organ, sometimes called the regulating organ, of a timepiece is generally formed by an inertia-elasticity resonator.
  • the quality of the regulating organ is decisive for the running accuracy of a timepiece by controlling in particular the frequency of the watch movement.
  • a resonator of the inertia-elasticity type typically used in watchmaking is a balance wheel - balance spring assembly.
  • Such a balance wheel - balance spring assembly has evolved considerably in recent years, allowing a significant improvement in the precision of mechanical timepieces.
  • the balance wheel in particular has been manufactured using a wide variety of materials. However, manufacturing methods are always sought that improve geometric precision, manufacturing consistency, or avoid any influence from changes in operating conditions such as changes in temperature, magnetic field, or position.
  • the aim of the invention is to propose a new method for manufacturing a balance wheel providing high production precision and high reproducibility between the manufactured parts while giving the balance wheel reduced sensitivity to the operating conditions of the watch movement.
  • the method according to the invention makes it possible to manufacture a balance formed from a first level of thickness based on silicon (forming the basic shape of the balance), a second level of intermediate thickness formed from said at least one electrically conductive layer (present at least at the level of the rim) and a third level of thickness formed by said at least one layer of metal (present only at the level of the rim).
  • the method according to the invention comprises simple steps to implement which avoid having to use, for example, very complex steps of selective deposition or steps of deposition in several different types of materials.
  • the three levels thus form the total thickness of the composite balance with a very marked radius of gyration so as to optimize the ratio between the mass and the moment of inertia by a significant difference between the density of the first level (much lower) compared to the density of the third level (much higher only at the rim level). It is understood that the watch movement, in which a composite balance obtained by the method according to the invention is mounted, is therefore less sensitive to changes in horizontal and vertical positions.
  • the method according to the invention advantageously uses techniques such as etching of silicon-based material, widely proven in the field of electronics to use their precision in the order of a nanometer in order to obtain high manufacturing accuracy.
  • etching on a wafer makes it possible to manufacture several composite balances at the same time and with high reproducibility (products manufactured with high uniformity over time).
  • the invention may also include one or more of the following optional features, taken alone or in combination.
  • the wafer may be made of monocrystalline silicon, i.e. entirely of monocrystalline silicon. Of course, the wafer may also be formed from polycrystalline silicon without departing from the scope of the invention. Step a of the method according to the invention may provide for the wafer to be attached to a support substrate for greater mechanical strength of the wafer, or not.
  • the wafer could be a working layer (sometimes called a “device”) of a silicon-on-insulator stack (sometimes abbreviated from the English "SOI") further comprising an intermediate layer of silicon dioxide and a second silicon-based support layer (sometimes called “handle”).
  • the thickness of the working layer is typically between 20 ⁇ m and 300 ⁇ m and, preferably, between 100 ⁇ m and 150 ⁇ m. Consequently, during the method according to the invention, the silicon-on-insulator stack makes it possible to block the working wafer in a simple and robust manner to carry out the various steps.
  • the intermediate layer would make it possible to be used as a stop layer for the formation of the openings, i.e. the maximum depth limit.
  • step f it is understood in this particular example, in step f, that it is necessary to remove the intermediate layer of silicon dioxide and the second silicon-based support layer.
  • Said at least one electrically conductive layer is preferably based on a metal such as gold (Au) and/or platinum (Pt) and/or tantalum (Ta) and/or aluminum (Al) and/or chromium (Cr) and/or copper (Cu) or one of their alloys.
  • a metal such as gold (Au) and/or platinum (Pt) and/or tantalum (Ta) and/or aluminum (Al) and/or chromium (Cr) and/or copper (Cu) or one of their alloys.
  • Au gold
  • Pt platinum
  • Ta tantalum
  • Al aluminum
  • Cr chromium
  • Cu copper
  • step b can be obtained by physical vapor deposition.
  • other types of deposition can be used without departing from the scope of the invention such as electron beam evaporation.
  • Step c may include a step of deep reactive ion etching (sometimes abbreviated as “DRIE”) of the openings in the wafer.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • any etching methods making it possible to form openings in the wafer and said at least one electrically conductive layer, may be used.
  • step c may include a first phase of selective chemical etching such as using a resist mask, to begin the formation of the openings in the thickness of said at least one electrically conductive layer, then a second phase of selective deep reactive ion etching (said at least one electrically conductive layer forming a resist mask) to continue and finish the openings in the entire thickness of the wafer.
  • Step d can be carried out by photolithography.
  • photolithography is preferred because, widely used in the field of electronics, it is very reproducible and allows great precision in the geometry of each cavity obtained. It is irrelevant whether a positive or negative photosensitive resin is used.
  • the bottom of all or part of said at least one cavity of the mold is at least partly formed by said at least one electrically conductive layer in order to facilitate the subsequent deposition of step e.
  • step d could comprise a first phase of depositing a photosensitive resin such as SU-8, for example, carried out by spin coating.
  • a second phase may consist of selectively illuminating the resin according to said at least one desired cavity (for example using ultraviolet radiation through a mask with corresponding openings), then a third phase intended to reveal the photosensitive resin in order to obtain the resin mold with said at least one cavity formed in its thickness.
  • Step e can be carried out by electrically connecting the cathode to said at least one electrically conductive layer in a galvanic bath in order to start the electroplating from the bottom of each cavity of the mold.
  • Electroplating is preferred because it allows a large aspect ratio, that is to say in particular in the context of the invention, a very large deposition height in said at least one cavity (in the thickness of the mold) compared to the dimensions of the bottom of said at least one cavity.
  • Said at least one layer of metal can be based on gold (Au), nickel (Ni), tungsten (W), copper (Cu) or an alloy of these metals.
  • the material of said at least one layer of metal is selectively chosen to adjust the moment of inertia of the future composite balance, i.e.
  • the density of the material of said at least one layer of metal, higher than that of the material of the wafer, is chosen to obtain the desired moment of inertia of the future composite balance as a function of the predetermined deposited volume of material of said at least one layer of metal.
  • the method may include a phase of removing said at least one electrically conductive layer at said at least one arm and the hub in order to distribute the mass as much as possible around the periphery of the composite balance wheel, thereby reducing viscous friction.
  • the removal phase could be carried out during step f after a prior phase of chemical dissolution of the mold formed in step d.
  • Step f thus essentially consists of removing the composite balance wheel from all other non-useful parts (remainder of the wafer from step a, the possible support substrate from step a, said at least one electrically conductive layer at said at least one arm and the hub, the mold from step d, etc.) used during the method.
  • the method preferably comprises a phase of machining the mold assembly - at least one layer of metal in order to selectively adjust the thickness of the balance, particularly the thickness of the balance rim.
  • this phase can be carried out between steps e and f or during step f.
  • the method may include a final finishing step g intended to clean or correct the composite balance wheel so that it is in a condition to be mounted in a watch movement.
  • the finishing step g may include a mechanical cleaning phase and/or a chemical cleaning phase to remove unwanted metal layer residues still present and/or to rectify the composite balance wheel such as to give it a better aesthetic appearance or to adjust its moment of inertia by removing material.
  • orientations are the orientations of the figures.
  • the terms “upper”, “lower”, “left”, “right”, “above”, “below”, “forward” and “backward” are generally understood to refer to the direction of representation of the figures.
  • the term “thickness E” (or “height”) below is generally used for the direction of the smallest dimension of the balance 7 as illustrated in particular in Figure 2 .
  • timepiece 2 we mean all types of instruments for measuring or counting time such as clocks, small clocks, watches, etc.
  • watch movement 3 we mean all types of mechanism capable of counting time and powered by mechanical energy (for example a barrel).
  • based on is meant a material or alloy constituting at least 50% by total mass or weight of a given element such as in particular 51%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% or 100% by total mass.
  • pure material is meant a material theoretically formed at 100% by total mass or weight of a given metal, i.e. without any other alloying element.
  • the material obtained may include so-called polluting elements whose proportion by weight does not exceed 0.2% of the total mass which generally prevents obtaining 100% of material by total mass but rather substantially between 97% and 100%.
  • photosensitive resin means all polymer materials formed from at least one polymer chain, sometimes called a fiber, of varying length, which may be of natural or synthetic origin, the physical state of which changes depending on exposure to a given electromagnetic radiation. In the context of the invention, the term may therefore refer to a photosensitive resin of both the positive and negative type. Depending on its type, the photosensitive resin after exposure may be developed by chemical exposure with at least one developing agent in order to remove either the exposed part or the unexposed part of the photosensitive resin. As a non-limiting example, a negative type photosensitive resin such as the product SU-8 may, for example, be used in step d of the process according to the invention.
  • the invention relates to a method of manufacturing a composite balance wheel 7 for a watch movement 3 intended to be integrated into a timepiece 2 such as for example a wristwatch illustrated in Figure 1 .
  • the watch movement 3 preferably comprises an oscillator with a resonator 1 of the balance wheel 7 - balance spring 9 type and an escapement device such as, for example, of the Swiss anchor type.
  • the resonator 1 of the balance wheel 7 - balance spring 9 type comprises, in a known manner, a pivoting shaft 11 on which a balance wheel 7 and a balance spring 9 made of metal or silicon are adjusted in order to mount the pivoting resonator between a plate and a bridge (not shown).
  • Such an oscillator being known per se, it will not be described further below.
  • the balance wheel 7 comprises a hub 13 connected peripherally to a rim 17 that is at least partially annular in order to form a flywheel.
  • the balance 7 comprises a hub 13 provided with a central hole intended to be adjusted on a pivoting shaft 11 in a known manner.
  • the balance 7 preferably comprises at least two arms 15 (three at the Figure 2 and four at the Figure 5 ) each of which comprises a first end peripherally secured to the hub 13 and a second end secured to the internal diameter of an at least partially annular rim 17.
  • the dimensions and geometries of the hub 13, the central hole, the arms 15 and the felloe 17 could differ without departing from the scope of the invention.
  • the number of arms 15 could be greater (five, six, etc.) or smaller (one or two) without losing the benefits of the invention.
  • the felloe 17 could be continuous as in the example of figures 2 And 5 or discontinuous without departing from the scope of the invention.
  • the balance 7 could comprise orientable weights (not shown) fixed on the rim which, by modifying their position, make it possible to correct the moment of inertia of the balance 7 and, incidentally, the diurnal rate of the watch movement 3.
  • the central hole of the hub 13 does not necessarily have to respect a discoidal section as illustrated in Figure 5 but could be elliptical or polygonal in section without losing the advantages of the invention.
  • the method according to the invention seeks in particular to manufacture a balance 7 whose radius of gyration r is improved and adaptable in particular by the arrangement of a main proportion of the total mass of the balance 7 favored at the level of the rim 17, the rest of the mass being distributed over the other parts of the balance 7. More generally, the invention aims to propose a new method for manufacturing a balance 7 providing high production precision and high reproducibility between the balances 7 manufactured while giving the balance 7 a reduced sensitivity to the operating conditions of the watch movement 3.
  • the manufacturing method comprises a first step a intended to provide a wafer 19 based on silicon.
  • the wafer 19 may be based on monocrystalline silicon.
  • the wafer 19 may also be formed based on polycrystalline silicon without departing from the scope of the invention.
  • Step a of the method according to the invention may provide for the wafer 19 to be attached to a support substrate 4, 5 for greater mechanical strength of the wafer 19, or not.
  • the wafer 19 may have a thickness (vertical direction to the Figure 3 ) between 20 ⁇ m and 300 ⁇ m and, preferably, between 100 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • the wafer 19 could thus be a working layer (sometimes called a “device”) of a silicon-on-insulator stack (sometimes abbreviated “SOI”) further comprising an intermediate layer 4 made of silicon dioxide and a second silicon-based support layer 5 (sometimes called a “handle”). Consequently, during the method according to the invention, the silicon-on-insulator stack makes it possible to block the working wafer 19 in a simple and robust manner to carry out the various steps. Furthermore, during a step c of forming openings 20 described below, the intermediate layer 4 would make it possible to be used as a stop layer for the formation of the openings, i.e. the maximum depth limit. Finally, it is understood in this particular example, at a step f of releasing the balance 7 from the wafer 19 described below, that it is necessary to remove the intermediate layer 4 of silicon dioxide and the second layer 5 of silicon-based support.
  • SOI silicon-on-insulator stack
  • a second step b intended to cover a face, such as the face above the Figure 3 , of the wafer 19 using at least one electrically conductive layer 21.
  • Said at least one electrically conductive layer 21 is, preferably, based on a metal such as gold (Au) and/or platinum (Pt) and/or tantalum (Ta) and/or aluminum (AI) and/or chromium (Cr) and/or copper (Cu) or one of their alloys. These materials can be deposited in a stack, that is to say in successive layers overlapping at least partially, such as for example by using materials based on chromium and gold in a stack.
  • one (or more) layer(s) of material(s) can be used to coat the face of the wafer 19.
  • Said at least one electrically conductive layer 21 can have a thickness (vertical direction to the Figure 3 ) between 50 nm and 400 nm.
  • step b can be obtained by physical vapor deposition such as electron beam evaporation.
  • said at least one electrically conductive layer 21 is, advantageously according to the invention, used as an electrical energy transmission layer for step e of forming at least one layer 25 of metal.
  • the method comprises a third step c intended to form openings 20 through the wafer 19 and said at least one electrically conductive layer 21 so as to outline the shape of the composite balance 7.
  • the composite balance 7 comprises a first level of the peripheral rim 17 connected, by at least one arm 15, to a central hub 13.
  • the section shows three openings 20.
  • the central opening 20 corresponds to the central hole of the hub 13 of the composite balance 7 and, between the peripheral openings 20 (from the center to the periphery), the hub 13, the arms 15 and the rim 17. It is understood that to form the arms 15 illustrated in the example of the Figure 5 , it is also necessary to clear four openings 20 in the shape of a quarter of a disc.
  • At least two retaining bars 22 are left to keep the composite balance 7 secured to the plate 19 as the steps of the method according to the invention progress, i.e. the bars are broken during step f to release the composite balance 7 from the plate 19. It is therefore understood that the bars have a shape intended to facilitate step f such as, typically, a reduced section at the level of the felloe 17.
  • step c may include a first sub-step of selective etching to begin the formation of the openings 20 in the thickness (vertical direction to the Figure 4 ) of said at least one electrically conductive layer 21.
  • the first etching sub-step can thus comprise a first photolithography phase to form a savings mask provided with openings corresponding to the future openings 20.
  • a second phase could be then a chemical etching phase, according to the openings of the saving mask, of the electrically conductive layer 21 in order to form the openings 20 there.
  • Step c can continue with a second sub-step of selective etching to continue and finish the openings 20 in the entire thickness (vertical direction to the Figure 4 ) of the wafer 19. It is therefore understood that the saving mask formed in the first phase of the first sub-step of step c is also used for the second sub-step according to the same openings, that is to say etching the wafer 19 according to each pattern of the openings.
  • the second sub-step of step c may comprise a phase of deep reactive ion etching (sometimes abbreviated “DRIE”) of the openings 20 in the wafer 19. Deep reactive ion etching is preferred for its directional etching.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • any etching methods making it possible to form openings 20 in the wafer 19 and/or said at least one electrically conductive layer 21 may be used.
  • the method advantageously according to the invention uses a technique for etching silicon-based material widely proven in the field of electronics to use its precision of the order of a nanometer in order to obtain high manufacturing precision. Furthermore, it is understood that engraving on a plate 19 makes it possible to manufacture several composite balance wheels 7 at the same time and with high reproducibility (very uniform manufacturing over time).
  • the method comprises a fourth step d intended to form a mold 23 over the wafer 19 assembly - at least one electrically conductive layer 21 with said openings 20, in order to create, at the peripheral rim 17, at least one cavity 24 of the mold 23 of which at least part of the bottom is formed by said at least one electrically conductive layer 21.
  • Step d can be carried out by photolithography.
  • the mold 23 may have a thickness (vertical direction to the Figure 3 ) between 180 ⁇ m and 1 mm (not including the height of the openings 20).
  • the bottom of all or part of said at least one cavity 24 of the mold 23 is at least partly formed by said at least one electrically conductive layer 21 in order to facilitate the subsequent deposition of step e.
  • the method advantageously according to the invention, uses a photolithography technique widely proven in the field of electronics to use its precision of the order of the nanometer in order to obtain high manufacturing precision. Furthermore, it is understood that the photolithography on the upper part of the wafer assembly 19 - at least one electrically conductive layer 21 with said openings 20, also makes it easy to adapt if several composite balances 7 have been cut out at the same time during step c and according to high reproducibility (very uniform manufacturing over time).
  • step d could include a first phase of depositing a photosensitive resin 18 such as SU-8, for example, carried out by spin coating.
  • a second phase of aligning a mask 6 (provided with suitable openings) with the shape of the balance 7, obtained during step c, is then carried out.
  • a third phase may consist of selectively illuminating (for example using ultraviolet radiation) the photosensitive resin 18 according to said at least one desired cavity 24 using the mask 6 as illustrated in the figure.
  • a fourth phase intended to reveal the photosensitive resin 18 is carried out in order to obtain the resin mold 23 with said at least one cavity 24 (a single circular cavity in the example of the Figure 7 ) formed in its thickness (vertical direction to the Figure 7 ).
  • a photosensitive resin 18 advantageously makes it possible to refill the openings 20 in order to improve the mechanical resistance of the assembly, in particular for the steps of the process provided after step d as explained below.
  • the method continues with the fifth step e intended to form, by electroplating, at least one layer 25 of metal in said at least one cavity 24 of the mold 23 in order to thicken at least a part of the peripheral rim 17 and thus form the composite balance 7.
  • Said at least one layer 25 of metal is preferentially deposited to fill said at least one cavity 24, that is to say according to at least the thickness (vertical direction to the figure 8 ) of mold 23.
  • Step e can be carried out by electrically connecting the cathode to said at least one electrically conductive layer 21 in a galvanic bath in order to start the electroplating from the bottom of each cavity 24 of the mold 23.
  • Electroplating is preferred because it allows a large aspect ratio, that is to say in particular in the context of the invention, a very large height (vertical direction to the figure 8 ) of deposition in said at least one cavity 24 (in the thickness of the mold 23) with respect to the substantially horizontal dimensions (horizontal direction to the Figures 7 and 8 ) from the bottom of said at least one cavity 24.
  • Said at least one layer 25 of metal may be based on gold (Au), nickel (Ni), tungsten (W), copper (Cu) or an alloy of these metals.
  • the material of said at least one layer 25 of metal is selectively chosen to adjust the moment of inertia of the future composite balance 7, that is to say that the density of the material of said at least one layer 25 of metal, higher than that of the material of the plate is chosen to obtain the desired moment of inertia of the future composite balance 7 as a function of the predetermined deposited volume of material of said at least one layer 25 of metal.
  • step f thus essentially consists of removing the composite balance 7 from all other non-useful parts (remainder of the wafer 19 from step a, the possible support substrate 4, 5 from step a, the mold 23 from step d, etc.) used during the method.
  • step f thus makes it possible to detach all the composite balances 7.
  • step f may thus comprise a phase of breaking the holding bars 22 to release each composite balancer 7 from the wafer 19. If a support substrate 4, 5 is used, the phase of breaking the holding bars 22 may be preceded by a phase of detachment of the support substrate 4, 5 using, for example, a selective chemical attack of the intermediate layer 4.
  • the method makes it possible to manufacture a composite balance 7 formed from a first level of thickness based on silicon (forming the basic shape of the composite balance 7), a second level of intermediate thickness formed from said at least one electrically conductive layer 21 (present at least at the level of the felloe 17) and a third level of thickness formed by said at least one layer 25 of metal (present only at the level of the felloe 17).
  • the method according to the invention comprises simple steps to implement which avoid having to use, for example, very complex steps of selective deposition or steps of deposition in several different types of materials.
  • the three levels thus form the total thickness E1, E2 of the composite balance 7 of the examples of figures 9 and 10 with a very marked radius of gyration so as to optimize the ratio between the mass and the moment of inertia by a significant difference between the density of the first level (much lower) compared to the density of the third level (much higher only at the level of the rim 17). It is understood that the watch movement 3, in which a composite balance 7 obtained by the method according to the invention is mounted, is therefore less sensitive to changes in horizontal and vertical positions.
  • the method may comprise a phase of removing said at least one electrically conductive layer 21 at said at least one arm 15 and/or the hub 13 in order to optimize the distribution of the mass at the periphery of the composite balance 7, making it possible to reduce the viscous friction.
  • the removal phase could be carried out during step f after a prior phase of chemical dissolution of the mold 23 formed in step d.
  • the method preferably comprises a phase of machining the mold assembly 23 - at least one layer 25 of metal in order to selectively adjust the thickness (vertical direction to the figure 8 ) of the composite balance 7.
  • this phase can be carried out between steps e and f or during step f.
  • the method may finally include a final finishing step g intended to clean - correct the composite balance 7 so that it is in a condition to be mounted in a watch movement 3.
  • the finishing step g may include a mechanical cleaning phase and/or a chemical cleaning phase to remove unwanted pieces still present and/or rectify the composite balance 7 such as giving it a better aesthetic appearance or adjusting its moment of inertia by removing material.
  • an oscillating weight of an automatic winding mechanism comprising a first silicon-based level in the form of a partial disc and a second metal-based level at the periphery of said partial disc or a wheel set for a gear train or an escapement device comprising a first silicon-based level with a first peripheral toothing and a second metal-based level with a second peripheral toothing coaxial with the first peripheral toothing.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un balancier (7) composite comprenant une étape de formation d'ouvertures à travers un substrat (19, 21) de manière à détourer la forme du balancier (7) composite et une étape de formation, par galvanoplastie, d'une couche (25) de métal dans une cavité (24) d'un moule (23) pardessus le substrat (19, 21) afin d'épaissir localement et former le balancier (7) composite.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un balancier composite pour un résonateur balancier - spiral et plus particulièrement un balancier formé d'au moins deux matériaux tels que du silicium et un métal.
    • ARRIÈRE-PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • L'organe régulateur, parfois appelé organe réglant, d'une pièce d'horlogerie est généralement formé par un résonateur du type inertie - élasticité. La qualité de l'organe régulateur est déterminante pour la précision de marche d'une pièce d'horlogerie en contrôlant notamment la fréquence du mouvement horloger. Un résonateur du type inertie - élasticité typiquement utilisé dans l'horlogerie est un ensemble balancier - spiral. Un tel ensemble balancier - spiral a beaucoup évolué ces dernières années permettant une amélioration notable de la précision des pièces d'horlogerie mécaniques.
  • Le balancier notamment a ainsi été fabriqué à l'aide de matériaux très variés. Toutefois, il est toujours recherché des méthodes de fabrication permettant l'amélioration de la précision géométrique, de l'homogénéité de fabrication ou de l'absence d'influence aux changements de conditions de fonctionnement tel que les changements de température, de champ magnétique ou de position.
    • RÉSUMÉ DE L'INVENTION
  • L'invention a pour but de proposer un nouveau procédé de fabrication d'un balancier apportant une grande précision de production et une reproductibilité élevée entre les pièces fabriquées tout en donnant au balancier une sensibilité diminuée aux conditions de fonctionnement du mouvement horloger.
  • À cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un balancier composite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    1. a. se munir d'une plaquette à base de silicium ;
    2. b. recouvrir une face de la plaquette à l'aide d'au moins une couche électriquement conductrice ;
    3. c. former des ouvertures à travers la plaquette et ladite au moins une couche électriquement conductrice de manière à détourer la forme du balancier composite comportant une serge périphérique reliée, par au moins un bras, à un moyeu central ;
    4. d. former un moule par-dessus l'ensemble plaquette - au moins une couche électriquement conductrice avec lesdites ouvertures afin de créer, au niveau de la serge périphérique, au moins une cavité du moule dont au moins une partie du fond est formée par ladite au moins une couche électriquement conductrice ;
    5. e. former, par galvanoplastie, au moins une couche de métal dans ladite au moins une cavité du moule afin d'épaissir au moins une partie de la serge périphérique et ainsi former le balancier composite ;
    6. f. libérer le balancier composite.
  • Avantageusement, le procédé selon l'invention permet de fabriquer un balancier formé à partir d'un premier niveau d'épaisseur à base de silicium (formant la forme de base du balancier), d'un deuxième niveau d'épaisseur intermédiaire formé de ladite au moins une couche électriquement conductrice (présent au moins au niveau de la serge) et d'un troisième niveau d'épaisseur formé par ladite au moins une couche de métal (présent uniquement au niveau de la serge). On remarque que le procédé selon l'invention comporte des étapes simples à mettre en oeuvre qui évitent d'avoir à utiliser, par exemple, des étapes très complexes de dépôt sélectif ou des étapes de dépôt dans plusieurs types de matériaux différents.
  • Les trois niveaux forment ainsi l'épaisseur totale du balancier composite avec un rayon de giration très marqué de sorte à optimiser le rapport entre la masse et le moment d'inertie par une différence importante entre la densité du premier niveau (très inférieure) par rapport à la densité du troisième niveau (très supérieure uniquement au niveau de la serge). On comprend que le mouvement horloger, dans lequel est monté un balancier composite obtenu par le procédé selon l'invention, est donc moins sensible aux changements de positions horizontales et verticales.
  • Le procédé selon l'invention utilise avantageusement des techniques telles que celle du gravage de matériau à base de silicium, largement éprouvées dans le domaine de l'électronique pour utiliser leur précision de l'ordre du nanomètre afin d'obtenir une grande précision de fabrication. En outre, le gravage sur une plaquette permet de fabriquer plusieurs balanciers composites en même temps et selon une reproductibilité élevée (produits fabriqués très uniformes au cours du temps).
  • L'invention peut également comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises seules ou en combinaison.
  • La plaquette peut être en silicium monocristallin, c'est-à-dire entièrement en silicium monocristallin. Bien entendu, la plaquette peut également être formée à base de silicium polycristallin sans sortir du cadre de l'invention. L'étape a du procédé selon l'invention peut prévoir que la plaquette soit rapportée sur un substrat de support pour davantage de résistance mécanique de la plaquette, ou non.
  • À titre d'exemple nullement limitatif, la plaquette pourrait être une couche de travail (parfois appelée « device ») d'un empilement de silicium sur isolant (parfois abrégé de l'anglais « SOI ») comportant en outre une couche intermédiaire en dioxyde de silicium et d'une deuxième couche de support à base de silicium (parfois appelée « handle »). L'épaisseur de la couche de travail est typiquement comprise entre 20 µm et 300 µm et, préférentiellement, entre 100 µm et 150 µm. Par conséquent, pendant le procédé selon l'invention, l'empilement de silicium sur isolant permet de bloquer la plaquette de travail de manière simple et robuste pour réaliser les différentes étapes. En outre, lors de l'étape c, la couche intermédiaire permettrait d'être utilisée comme couche d'arrêt pour la formation des ouvertures, c'est-à-dire la limite de profondeur maximale. Enfin, on comprend dans cet exemple particulier, à l'étape f, qu'il est nécessaire de retirer la couche intermédiaire en dioxyde de silicium et de la deuxième couche de support à base de silicium.
  • Ladite au moins une couche électriquement conductrice est, de manière préférée, à base d'un métal tel que de l'or (Au) et/ou du platine (Pt) et/ou du tantale (Ta) et/ou de l'aluminium (AI) et/ou du chrome (Cr) et/ou du cuivre (Cu) ou un de leur alliages. Ces matériaux peuvent être déposés en empilement, c'est-à-dire par couches successives se recouvrant au moins partiellement, tel par exemple qu'en utilisant des matériaux à base de chrome et d'or en empilement. On comprend donc qu'une (ou plusieurs) couche(s) de matériau(x) (identique(s) ou différent(s)) peu(ven)t être utilisés pour revêtir la face de la plaquette. Typiquement, l'étape b peut être obtenue par un dépôt physique en phase vapeur. Bien entendu, d'autres types de dépôt peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention tels que l'évaporation par faisceau d'électrons.
  • L'étape c peut comporter une étape de gravage ionique réactif profond (parfois abrégé « DRIE ») des ouvertures dans la plaquette. Toutefois, toutes méthodes de gravage, permettant de former des ouvertures dans la plaquette et ladite au moins une couche électriquement conductrice, peuvent être utilisées. À titre d'exemple nullement limitatif, l'étape c peut comporter une première phase de gravage chimique sélectif telle qu'à l'aide d'un masque d'épargne, pour commencer la formation des ouvertures dans l'épaisseur de ladite au moins une couche électriquement conductrice, puis une deuxième phase de gravage ionique réactif profond sélectif (ladite au moins une couche électriquement conductrice formant un masque d'épargne) pour continuer et finir les ouvertures dans la totalité de l'épaisseur de la plaquette.
  • L'étape d peut être réalisée par photolithographie. Bien entendu, toute autre méthode de formation d'un moule est possible sans sortir du cadre de l'invention. Toutefois, la photolithographie est préférée car, très utilisée dans le domaine de l'électronique, elle est très reproductible et permet une grande précision de la géométrie de chaque cavité obtenue. Il est indifférent d'utiliser une résine photosensible positive ou négative. Typiquement, le fond de tout ou partie de ladite au moins une cavité du moule est au moins en partie formée par ladite au moins une couche électriquement conductrice afin de faciliter le dépôt ultérieur de l'étape e.
  • À titre d'exemple nullement limitatif, l'étape d pourrait comporter une première phase de dépôt d'une résine photosensible telle que du SU-8, par exemple, réalisée par enduction par centrifugation (connu sous les termes anglais « spin coating »). Une deuxième phase peut consister à sélectivement illuminer la résine en fonction de ladite au moins une cavité souhaitée (par exemple à l'aide d'un rayonnement ultraviolet à travers un masque avec des ajourages correspondants), puis une troisième phase destinée à révéler la résine photosensible afin d'obtenir le moule en résine avec ladite au moins une cavité formée dans son épaisseur.
  • L'étape e peut être réalisée en connectant électriquement la cathode à ladite au moins une couche électriquement conductrice dans un bain galvanique afin de commencer la galvanoplastie par le fond de chaque cavité du moule. La galvanoplastie est préférée car elle permet un grand rapport de forme, c'est-à-dire notamment dans le cadre de l'invention, une très grande hauteur de dépôt dans ladite au moins une cavité (dans l'épaisseur du moule) par rapport aux dimensions du fond de ladite au moins une cavité. Ladite au moins une couche de métal peut être à base d'or (Au), de nickel (Ni), de tungstène (W), de cuivre (Cu) ou d'un alliage de ces métaux. Le matériau de ladite au moins une couche de métal est sélectivement choisi pour ajuster le moment d'inertie du futur balancier composite, c'est-à-dire que la densité du matériau de ladite au moins une couche de métal, plus élevée que celle du matériau de la plaquette, est choisie pour obtenir le moment d'inertie souhaité du futur balancier composite en fonction du volume déposé prédéterminé de matériau de ladite au moins une couche de métal.
  • Le procédé peut comporter une phase de retrait de ladite au moins une couche électriquement conductrice au niveau dudit au moins un bras et du moyeu afin de distribuer au maximum la masse en périphérie du balancier composite permettant de diminuer le frottement visqueux. À titre d'exemple nullement limitatif, la phase de retrait pourrait être réalisée pendant l'étape f après une phase préalable de dissolution chimique du moule formé à l'étape d. En ne laissant ladite au moins une couche électriquement conductrice qu'au niveau de la serge du balancier composite, on comprend en effet qu'on déplace encore davantage le rayon de giration et, incidemment, le moment d'inertie du balancier composite. L'étape f consiste ainsi essentiellement à retirer le balancier composite de toutes les autres parties non utiles (reste de la plaquette de l'étape a, l'éventuel substrat de support de l'étape a, ladite au moins une couche électriquement conductrice au niveau dudit au moins un bras et du moyeu, le moule de l'étape d, etc.) utilisées pendant le procédé.
  • Le procédé comporte préférentiellement une phase d'usinage de l'ensemble moule - au moins une couche de métal afin de sélectivement ajuster l'épaisseur du balancier, particulièrement l'épaisseur de la serge de balancier. Typiquement, cette phase peut être réalisée entre les étapes e et f ou pendant l'étape f. On peut, par exemple, profiter de la présence de l'éventuel substrat de support et du moule pour fraiser le dessus de l'ensemble obtenu à la fin de l'étape e sans risque de délaminage des trois niveaux du balancier composite pour enlever le surplus du dépôt de ladite au moins une couche de métal et en même temps ajuster précisément l'épaisseur (dimension, planéité, rugosité, etc.) du troisième niveau formé par ladite au moins une couche de métal et, incidemment, celle l'épaisseur totale du balancier composite avant sa libération des autres parties non utiles utilisées pendant le procédé.
  • Le procédé peut comporter une étape finale g de finition destinée à nettoyer ou corriger le balancier composite dans le but qu'il soit en état d'être monté dans un mouvement horloger. L'étape g de finition peut comporter une phase de nettoyage mécanique et/ou une phase de nettoyage chimique pour retirer des résidus de couche métallique encore présents non souhaités et/ou rectifier le balancier composite comme lui donner un meilleur aspect esthétique ou ajuster son moment d'inertie par enlèvement de matière.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique d'un exemple de pièce d'horlogerie selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de résonateur avec un balancier composite selon l'invention ;
    • les figures 3 à 8 sont des vues schématiques en coupe d'exemple d'étapes d'un procédé selon l'invention ;
    • la figure 9 est une vue schématique en coupe d'un premier exemple de balancier composite obtenu par le procédé selon l'invention ;
    • la figure 10 est une vue schématique en coupe d'un deuxième exemple de balancier composite obtenu par le procédé selon l'invention.
    DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION DE L'INVENTION
  • Sur les différentes figures, les éléments identiques ou similaires portent les mêmes références, éventuellement additionnés d'un indice. La description de leur structure et de leur fonction n'est donc pas systématiquement reprise.
  • Dans tout ce qui suit, les orientations sont les orientations des figures. En particulier, les termes « supérieur », « inférieur », « gauche », « droit », « au-dessus », « en-dessous », « vers l'avant » et « vers l'arrière » s'entendent généralement par rapport au sens de représentation des figures. Le terme « épaisseur E » (ou « hauteur ») ci-dessous est généralement utilisé pour la direction de la dimension la plus petite du balancier 7 comme illustrée notamment à la figure 2.
  • Par « pièce d'horlogerie 2 », on entend tous les types d'instruments de mesure ou de comptage du temps tels que les pendules, les pendulettes, les montres, etc...
  • Par « mouvement horloger 3 », on entend tous les types de mécanisme capables de compter le temps et alimentés à base d'énergie mécanique (par exemple un barillet).
  • Par « à base de », on entend un matériau ou alliage constituant au moins 50 % en masse totale ou poids d'un élément donné tel que notamment 51 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 % ou 100 % en masse totale.
  • Par « matériau pur », on entend un matériau formé théoriquement à 100 % en masse totale ou poids d'un métal donné, c'est-à-dire sans autre élément d'alliage. De manière pratique, suivant le procédé de fabrication, le matériau obtenu peut comprendre des éléments dits de pollution dont la proportion en poids ne dépasse pas 0,2 % de la masse totale qui empêche en général d'obtenir les 100 % de matériau en masse totale mais plutôt sensiblement entre 97 % et 100 %.
  • Dans ce qui suit, sauf indication contraire, tous les pourcentages (%) indiqués sont des pourcentages en masse totale ou poids (en anglais « weight »).
  • Par « résine photosensible », on entend tous les matériaux polymères formés d'au moins une chaîne polymère, parfois appelée fibre, plus ou moins longue qui peuvent être aussi bien d'origine naturelle que synthétique dont l'état physique change en fonction d'une exposition à un rayonnement électromagnétique donné. Dans le cadre de l'invention, le terme peut donc se rapporter à une résine photosensible aussi bien du type positif que négatif. Suivant son type, la résine photosensible après exposition peut être révélée par exposition chimique avec au moins un agent de révélation afin de retirer soit la partie exposée, soit la partie non exposée de la résine photosensible. À titre d'exemple nullement limitatif, une résine photosensible du type négatif telle que le produit SU-8 peut par exemple être utilisée dans le cadre de l'étape d du procédé selon l'invention.
  • L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un balancier composite 7 pour un mouvement horloger 3 destiné à être intégré à une pièce d'horlogerie 2 comme par exemple une montre bracelet illustrée à la figure 1. Le mouvement horloger 3 comporte préférentiellement un oscillateur avec un résonateur 1 du type balancier 7 - spiral 9 et un dispositif d'échappement tel que, par exemple, du type à ancre suisse. Le résonateur 1 du type balancier 7 - spiral 9 comporte, de manière connue, un arbre 11 pivotant sur lequel est ajusté un balancier 7 et un spiral 9 en métal ou en silicium afin de monter le résonateur pivotant entre une platine et un pont (non représentés). Un tel oscillateur étant connu en soi, il ne sera pas davantage décrit ci-dessous.
  • Avantageusement selon l'invention, le balancier 7 comporte un moyeu 13 relié périphériquement à une serge 17 au moins partiellement annulaire afin de former un volant d'inertie. Dans l'exemple illustré à la figure 2, le balancier 7 comporte un moyeu 13 muni d'un trou central destiné à être ajusté sur un arbre pivotant 11 de manière connue. Le balancier 7 comporte préférentiellement au moins deux bras 15 (trois à la figure 2 et quatre à la figure 5) dont chacun comporte une première extrémité solidaire périphériquement du moyeu 13 et une deuxième extrémité solidaire du diamètre interne d'une serge 17 au moins partiellement annulaire.
  • Bien entendu, les dimensions et géométries du moyeu 13, du trou central, des bras 15 et de la serge 17 pourraient différer sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, à titre nullement limitatif, le nombre de bras 15 pourrait être plus grand (cinq, six, etc.) ou plus petit (un ou deux) sans perdre les bénéfices de l'invention. Selon un autre exemple, la serge 17 pourrait être continue comme dans l'exemple des figures 2 et 5 ou discontinue sans sortir du cadre de l'invention. En outre, le balancier 7 pourrait comprendre des masselottes (non représentées) orientables fixées sur la serge qui, en modifiant leur position, permettent de corriger le moment d'inertie du balancier 7 et, incidemment, la marche diurne du mouvement horloger 3. Enfin, le trou central du moyeu 13 n'a pas nécessairement à respecter une section discoïdale comme illustré à la figure 5 mais pourrait être à section elliptique ou polygonale sans perdre les avantages de l'invention.
  • De manière connue, un résonateur 1 du type balancier 7 - spiral 9 suit les relations suivantes :
    T = 2 π I M
    Figure imgb0001
     dans laquelle :
    • T est la période du résonateur 1 ;
    • I est le moment d'inertie du balancier 7 ;
    • M est le moment élastique du spiral 9.
    Et I = m ⋅ r 2
    Figure imgb0002
     dans laquelle :
    • I est le moment d'inertie du balancier 7 ;
    • m est la masse du balancier 7 ;
    • r est le rayon de giration du balancier 7.
  • On comprend donc que le procédé selon l'invention cherche notamment à fabriquer un balancier 7 dont le rayon de giration r est amélioré et adaptable notamment par la disposition d'une proportion principale de la masse totale du balancier 7 privilégiée au niveau de la serge 17, le reste de la masse étant répartie sur les autres parties du balancier 7. Plus généralement, l'invention a pour but de proposer un nouveau procédé de fabrication d'un balancier 7 apportant une grande précision de production et une reproductibilité élevée entre les balanciers 7 fabriqués tout en donnant au balancier 7 une sensibilité diminuée aux conditions de fonctionnement du mouvement horloger 3.
  • À cet effet, le procédé de fabrication comporte une première étape a destinée à se munir d'une plaquette 19 à base de silicium. La plaquette 19 peut être à base de silicium monocristallin. Bien entendu, la plaquette 19 peut également être formée à base de silicium polycristallin sans sortir du cadre de l'invention. L'étape a du procédé selon l'invention peut prévoir que la plaquette 19 soit rapportée sur un substrat 4, 5 de support pour davantage de résistance mécanique de la plaquette 19, ou non. La plaquette 19 peut comporter une épaisseur (direction verticale à la figure 3) comprise entre 20 µm et 300 µm et, préférentiellement, entre 100 µm et 150 µm.
  • À titre d'exemple nullement limitatif, la plaquette 19 pourrait ainsi être une couche de travail (parfois appelée « device ») d'un empilement de silicium sur isolant (parfois abrégé « SOI ») comportant en outre une couche 4 intermédiaire en dioxyde de silicium et d'une deuxième couche 5 de support à base de silicium (parfois appelée « handle »). Par conséquent, pendant le procédé selon l'invention, l'empilement de silicium sur isolant permet de bloquer la plaquette 19 de travail de manière simple et robuste pour réaliser les différentes étapes. En outre, lors d'une étape c de formation d'ouvertures 20 décrite ci-dessous, la couche 4 intermédiaire permettrait d'être utilisée comme couche d'arrêt pour la formation des ouvertures, c'est-à-dire la limite de profondeur maximale. Enfin, on comprend dans cet exemple particulier, à une étape f de libération du balancier 7 de la plaquette 19 décrite ci-dessous, qu'il est nécessaire de retirer la couche 4 intermédiaire en dioxyde de silicium et la deuxième couche 5 de support à base de silicium.
  • Le procédé se poursuit avec une deuxième étape b destinée à recouvrir une face, telle que la face supérieure à la figure 3, de la plaquette 19 à l'aide d'au moins une couche 21 électriquement conductrice. Ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice est, de manière préférée, à base d'un métal tel que de l'or (Au) et/ou du platine (Pt) et/ou du tantale (Ta) et/ou de l'aluminium (AI) et/ou du chrome (Cr) et/ou du cuivre (Cu) ou un de leur alliages. Ces matériaux peuvent être déposés en empilement, c'est-à-dire par couches successives se recouvrant au moins partiellement, tel par exemple qu'en utilisant des matériaux à base de chrome et d'or en empilement. On comprend donc qu'une (ou plusieurs) couche(s) de matériau(x) (identique(s) ou différent(s)) peu(ven)t être utilisé(s) pour revêtir la face de la plaquette 19. Ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice peut comporter une épaisseur (direction verticale à la figure 3) comprise entre 50 nm et 400 nm. Typiquement, l'étape b peut être obtenu par un dépôt physique en phase vapeur tels que l'évaporation par faisceau d'électrons. Bien entendu, d'autres types de dépôt peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Comme expliqué ci-dessous, ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice est, avantageusement selon l'invention, utilisée comme couche de transmission d'énergie électrique pour l'étape e de formation d'au moins une couche 25 de métal.
  • Ensuite, le procédé comporte une troisième étape c destinée à former des ouvertures 20 à travers la plaquette 19 et ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice de manière à détourer la forme du balancier 7 composite. Ainsi, dans un premier niveau à base de silicium comme illustré dans l'exemple de la figure 5, le balancier 7 composite comporte un premier niveau de la serge 17 périphérique reliée, par au moins un bras 15, à un moyeu central 13. Typiquement, dans l'exemple illustré à la figure 4, la coupe montre trois ouvertures 20. L'ouverture 20 centrale correspond au trou central du moyeu 13 du balancier 7 composite et, entre les ouvertures 20 périphériques (du centre vers la périphérie), le moyeu 13, les bras 15 et la serge 17. On comprend que pour former les bras 15 illustré dans l'exemple de la figure 5, il est également nécessaire de dégager quatre ouvertures 20 en forme sensiblement de quart de disque.
  • Enfin, pour des raisons pratiques, au moins deux barrettes 22 de maintien sont laissées pour garder le balancier 7 composite solidaire de la plaquette 19 au fur et à mesure des étapes du procédé selon l'invention, c'est-à-dire les barrettes sont cassées lors de l'étape f pour libérer le balancier 7 composite de la plaquette 19. On comprend donc que les barrettes ont une forme destinée à faciliter l'étape f telle que, typiquement, une section diminuée au niveau de la serge 17.
  • À titre d'exemple nullement limitatif, l'étape c peut comporter une première sous-étape de gravage sélectif pour commencer la formation des ouvertures 20 dans l'épaisseur (direction verticale à la figure 4) de ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice. La première sous-étape de gravage peut ainsi comporter une première phase de photolithographie pour former un masque d'épargne muni d'ajourages correspondant aux futures ouvertures 20. Une deuxième phase pourrait être ensuite une phase de gravage chimique, selon les ajourages du masque d'épargne, de la couche électriquement conductrice 21 afin d'y former les ouvertures 20.
  • L'étape c peut se poursuivre avec une deuxième sous-étape de gravage sélectif pour continuer et finir les ouvertures 20 dans la totalité de l'épaisseur (direction verticale à la figure 4) de la plaquette 19. On comprend donc que le masque d'épargne formé à la première phase de la première sous-étape de l'étape c est également utilisé pour la deuxième sous-étape selon les mêmes ajourages, c'est-à-dire graver la plaquette 19 selon chaque motif des ajourages. La deuxième sous-étape de l'étape c peut comporter une phase de gravage ionique réactif profond (parfois abrégé « DRIE ») des ouvertures 20 dans la plaquette 19. Le gravage ionique réactif profond est préféré pour sa gravure directionnelle. Toutefois, toutes méthodes de gravage permettant de former des ouvertures 20 dans la plaquette 19 et/ou ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice peuvent être utilisées. Le procédé avantageusement selon l'invention utilise une technique de gravage de matériau à base de silicium largement éprouvée dans le domaine de l'électronique pour utiliser sa précision de l'ordre du nanomètre afin d'obtenir une grande précision de fabrication. En outre, on comprend que le gravage sur une plaquette 19 permet de fabriquer plusieurs balanciers 7 composites en même temps et selon une reproductibilité élevée (fabrication très uniforme au cours du temps).
  • Après l'étape c, le procédé comporte une quatrième étape d destinée à former un moule 23 par-dessus l'ensemble plaquette 19 - au moins une couche 21 électriquement conductrice avec lesdites ouvertures 20, afin de créer, au niveau de la serge 17 périphérique, au moins une cavité 24 du moule 23 dont au moins une partie du fond est formée par ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice. L'étape d peut être réalisée par photolithographie. Bien entendu, toute autre méthode de formation d'un moule 23 est possible sans sortir du cadre de l'invention. Le moule 23 peut comporter une épaisseur (direction verticale à la figure 3) comprise entre 180 µm et 1 mm (sans compter la hauteur des ouvertures 20).
  • Toutefois, la photolithographie est préférée car, très utilisée dans le domaine de l'électronique, elle est très reproductible et permet une grande précision de la géométrie de chaque cavité 24 obtenue. Il est indifférent d'utiliser une résine 18 photosensible positive ou négative. Avantageusement selon l'invention, le fond de tout ou partie de ladite au moins une cavité 24 du moule 23 est au moins en partie formée par ladite a au moins une couche 21 électriquement conductrice afin de faciliter le dépôt ultérieur de l'étape e.
  • Ici encore, le procédé, avantageusement selon l'invention, utilise une technique de photolithographie largement éprouvée dans le domaine de l'électronique pour utiliser sa précision de l'ordre du nanomètre afin d'obtenir une grande précision de fabrication. En outre, on comprend que la photolithographie sur la partie supérieure de l'ensemble plaquette 19 - au moins une couche 21 électriquement conductrice avec lesdites ouvertures 20, permet également de facilement s'adapter si plusieurs balanciers 7 composites ont été détourés en même temps lors de l'étape c et selon une reproductibilité élevée (fabrication très uniforme au cours du temps).
  • À titre d'exemple nullement limitatif, l'étape d pourrait comporter une première phase de dépôt d'une résine 18 photosensible telle que du SU-8, par exemple, réalisée par enduction par centrifugation (connu sous les termes anglais « spin coating »). Une deuxième phase d'alignement d'un masque 6 (muni d'ajourages idoines) avec la forme du balancier 7, obtenue lors de l'étape c, est ensuite réalisée. Une troisième phase peut consister à sélectivement illuminer (par exemple à l'aide d'un rayonnement ultraviolet) la résine 18 photosensible en fonction de ladite au moins une cavité 24 souhaitée à l'aide du masque 6 comme illustré à la figure. Enfin, une quatrième phase destinée à révéler la résine 18 photosensible est effectuée afin d'obtenir le moule 23 en résine avec ladite au moins une cavité 24 (une seule cavité circulaire dans l'exemple de la figure 7) formée dans son épaisseur (direction verticale à la figure 7). On remarque que l'utilisation d'une résine 18 photosensible permet avantageusement de reboucher les ouvertures 20 afin d'améliorer la résistance mécanique de l'ensemble notamment pour les étapes du procédé prévues après l'étape d comme expliqué ci-dessous.
  • Selon l'invention, le procédé continue avec la cinquième étape e destinée à former, par galvanoplastie, au moins une couche 25 de métal dans ladite au moins une cavité 24 du moule 23 afin d'épaissir au moins une partie de la serge 17 périphérique et ainsi former le balancier 7 composite. Ladite au moins une couche 25 de métal est préférentiellement déposée pour remplir lesdites au moins une cavité 24, c'est-à-dire selon au moins l'épaisseur (direction verticale à la figure 8) du moule 23.
  • L'étape e peut être réalisée en connectant électriquement la cathode à ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice dans un bain galvanique afin de commencer la galvanoplastie par le fond de chaque cavité 24 du moule 23. La galvanoplastie est préférée car elle permet un grand rapport de forme, c'est-à-dire notamment dans le cadre de l'invention, une très grande hauteur (direction verticale à la figure 8) de dépôt dans ladite au moins une cavité 24 (dans l'épaisseur du moule 23) par rapport aux dimensions sensiblement horizontales (direction horizontale aux figures 7 et 8) du fond de ladite au moins une cavité 24. Ladite au moins une couche 25 de métal peut être à base d'or (Au), de nickel (Ni), de tungstène (W), de cuivre (Cu) ou d'un alliage de ces métaux. Le matériau de ladite au moins une couche 25 de métal est sélectivement choisi pour ajuster le moment d'inertie du futur balancier 7 composite, c'est-à-dire que la densité du matériau de ladite au moins une couche 25 de métal, plus élevée que celle du matériau de la plaquette est choisie pour obtenir le moment d'inertie souhaité du futur balancier 7 composite en fonction du volume déposé prédéterminé de matériau de ladite au moins une couche 25 de métal.
  • Enfin, le procédé peut se terminer avec la sixième étape f destinée à libérer le balancier 7 composite. L'étape f consiste ainsi essentiellement à retirer le balancier 7 composite de toutes les autres parties non utiles (reste de la plaquette 19 de l'étape a, l'éventuel substrat 4, 5 de support de l'étape a, le moule 23 de l'étape d, etc.) utilisées pendant le procédé. Comme expliqué ci-dessus, dans la mesure où plusieurs balanciers 7 composites sont fabriqués en même temps, l'étape f permet ainsi de détacher tous les balanciers 7 composites. À titre d'exemple nullement limitatif, l'étape f peut ainsi comporter une phase de rupture des barrettes 22 de maintien pour libérer chaque balancier 7 composite de la plaquette 19. Si un substrat 4, 5 de support est utilisé, la phase de rupture des barrettes 22 de maintien peut être précédée d'une phase de détachement du substrat 4, 5 de support à l'aide, par exemple, d'une attaque chimique sélective de la couche 4 intermédiaire.
  • Ainsi, avantageusement selon l'invention, le procédé permet de fabriquer un balancier 7 composite formé à partir d'un premier niveau d'épaisseur à base de silicium (formant la forme de base du balancier 7 composite), d'un deuxième niveau d'épaisseur intermédiaire formé de ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice (présent au moins au niveau de la serge 17) et d'un troisième niveau d'épaisseur formé par ladite au moins une couche 25 de métal (présent uniquement au niveau de la serge 17). On remarque que le procédé selon l'invention comporte des étapes simples à mettre en oeuvre qui évitent d'avoir à utiliser, par exemple, des étapes très complexes de dépôt sélectif ou des étapes de dépôt dans plusieurs types de matériaux différents.
  • Les trois niveaux forment ainsi l'épaisseur E1, E2 totale du balancier 7 composite des exemples des figures 9 et 10 avec un rayon de giration très marqué de sorte à optimiser le rapport entre la masse et le moment d'inertie par une différence importante entre la densité du premier niveau (très inférieure) par rapport à la densité du troisième niveau (très supérieure uniquement au niveau de la serge 17). On comprend que le mouvement horloger 3, dans lequel est monté un balancier 7 composite obtenu par le procédé selon l'invention, est donc moins sensible aux changements de positions horizontales et verticales.
  • Le procédé peut comporter une phase de retrait de ladite au moins une couche 21 électriquement conductrice au niveau dudit au moins un bras 15 et/ou du moyeu 13 afin d'optimiser la distribution de la masse en périphérie du balancier 7 composite permettant de diminuer le frottement visqueux. À titre d'exemple nullement limitatif, la phase de retrait pourrait être réalisée pendant l'étape f après une phase préalable de dissolution chimique du moule 23 formé à l'étape d. En ne laissant ladite au moins une couche électriquement conductrice qu'au niveau de la serge 17 du balancier 7 composite comme illustré dans l'exemple de la figure 10, on comprend en effet qu'on déplace encore davantage le rayon de giration et, incidemment, le moment d'inertie du balancier 7 composite.
  • Le procédé comporte préférentiellement une phase d'usinage de l'ensemble moule 23 - au moins une couche 25 de métal afin de sélectivement ajuster l'épaisseur (direction verticale à la figure 8) du balancier 7 composite. Typiquement, cette phase peut être réalisée entre les étapes e et f ou pendant l'étape f. On peut, par exemple, profiter de la présence de l'éventuel substrat 4, 5 de support et/ou du moule 23 pour fraiser le dessus de l'ensemble obtenu à la fin de l'étape e sans risque de délaminage des trois niveaux du balancier 7 composite pour enlever le surplus du dépôt de ladite au moins une couche 25 de métal et en même temps ajuster précisément l'épaisseur (dimension, planéité, rugosité, etc.) du troisième niveau formé par ladite au moins une couche 25 de métal et, incidemment, celle l'épaisseur E1, E2 totale du balancier 7 composite avant sa libération des autres parties non utiles utilisées pendant le procédé.
  • Le procédé peut enfin comporter une étape finale g de finition destinée à nettoyer - corriger le balancier 7 composite dans le but qu'il soit en état d'être monté dans un mouvement horloger 3. L'étape g de finition peut comporter une phase de nettoyage mécanique et/ou une phase de nettoyage chimique pour retirer des morceaux encore présents non souhaités et/ou rectifier le balancier 7 composite comme lui donner un meilleur aspect esthétique ou ajuster son moment d'inertie par enlèvement de matière.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et variantes présentés et d'autres modes de réalisation et variantes apparaîtront clairement à l'homme du métier. Ainsi, les réalisations ci-dessus sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d'autres réalisations. À titre nullement limitatif, il peut être envisagé de
  • De plus, il est également possible d'appliquer le procédé de fabrication à d'autres types de composants tels qu'une masse oscillante de mécanisme de remontage automatique comportant un premier niveau à base de silicium en forme de disque partiel et un deuxième niveau à base de métal à la périphérie dudit disque partiel ou un mobile pour un rouage ou un dispositif d'échappement comportant un premier niveau à base de silicium avec une première denture périphérique et un deuxième niveau à base de métal avec une deuxième denture périphérique coaxiale à la première denture périphérique.
    • LISTE DES RÉFÉRENCES
    • 1 -
    résonateur
    2 -
    pièce d'horlogerie
    3 -
    mouvement horloger
    4 -
    couche intermédiaire
    5 -
    couche ou substrat de support
    6 -
    masque ajouré d'exposition
    7 -
    balancier composite
    9 -
    spiral
    11 -
    arbre de balancier
    13 -
    moyeu de balancier
    15 -
    bras de balancier
    17 -
    serge de balancier
    18 -
    résine photosensible
    19 -
    plaquette
    20 -
    ouverture
    21 -
    couche électriquement conductrice
    22 -
    barrette de maintien
    23 -
    moule
    24 -
    cavité
    25 -
    couche de métal

Claims (11)

  1. Procédé de fabrication d'un balancier (7) composite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    a. se munir d'une plaquette (19) à base de silicium ;
    b. recouvrir une face de la plaquette (19) à l'aide d'au moins une couche (21) électriquement conductrice ;
    c. former des ouvertures (20) à travers la plaquette (19) et ladite au moins une couche (21) électriquement conductrice de manière à détourer la forme du balancier (7) composite comportant une serge (17) périphérique reliée, par au moins un bras (15), à un moyeu central (13) ;
    d. former un moule (23) par-dessus l'ensemble plaquette (19) - au moins une couche (21) électriquement conductrice avec lesdites ouvertures (20) afin de créer, au niveau de la serge (17) périphérique, au moins une cavité (24) du moule (23) dont au moins une partie du fond est formée par ladite au moins une couche (21) électriquement conductrice ;
    e. former, par galvanoplastie, au moins une couche (25) de métal dans ladite au moins une cavité (24) du moule (23) afin d'épaissir au moins une partie de la serge (17) périphérique et ainsi former le balancier (7) composite ;
    f. libérer le balancier (7) composite.
  2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la plaquette (19) est en silicium monocristallin.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape b est obtenu par un dépôt physique en phase vapeur.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une couche (21) électriquement conductrice est à base d'or, de platine, de tantale, d'aluminium, de chrome ou de cuivre.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape c comporte une étape de gravage ionique réactif profond des ouvertures dans la plaquette.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d est réalisée par photolithographie.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape e est réalisée en connectant électriquement la cathode à ladite au moins une couche (21) électriquement conductrice.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une couche (25) de métal est à base d'or, de nickel, de tungstène ou de cuivre.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une phase de retrait de ladite au moins une couche (21) électriquement conductrice au niveau dudit au moins un bras (15) et du moyeu (13) afin d'optimiser la distribution de la masse en périphérie du balancier (7) composite.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une phase d'usinage de l'ensemble moule (23) - au moins une couche (25) de métal afin de sélectivement ajuster l'épaisseur (E1, E2) du balancier (7) composite.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape finale g de finition destinée à corriger le balancier (7) composite.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3822709A1 (fr) * 2019-11-12 2021-05-19 Patek Philippe SA Genève Procede de fabrication d'un composant horloger
WO2022253983A1 (fr) * 2021-06-03 2022-12-08 Rolex Sa Procédé de fabrication d'un composant de mouvement horloger

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