ES2318778T3 - Pieza de micromecanica reforzada. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de una pieza de silicio reforzado elegida entre el conjunto constituido por ruedas dentadas, ruedas de escape, áncoras, piezas pivotadas y piezas pasivas, dicho procedimiento comprende, en el orden, las etapas que consisten en: - micromecanizar la pieza, o un lote de piezas en una plaqueta de silicio, - efectuar, sobre toda la superficie de la pieza, en una o varias etapas, el depósito de dióxido de silicio, efectuándose el depósito por oxidación térmica a una temperatura comprendida entre 900ºC y 1200ºC de la superficie de la pieza durante un tiempo suficiente para obtener un espesor de dióxido de silicio al menos cinco veces superior al espesor de un dióxido de silicio nativo.
Description
Pieza de micromecánica reforzada.
La presente invención se refiere a una pieza de
micromecánica realizada con silicio, y habiendo experimentado un
tratamiento que le confiere unas propiedades mecánicas acrecentadas.
Se trata por ejemplo, pero de manera no limitativa, de una pieza de
micromecánica de un movimiento relojero mecánico es decir sea de una
pieza que tenga un papel activo por ejemplo para transmitir y/o
transformar una energía con el fin de activar unas agujas para dar
una indicación horaria en una esfera, sea de una pieza "pasiva"
permitiendo por ejemplo posicionar unos móviles.
El silicio es un material cada vez más utilizado
en la fabricación de piezas mecánicas y especialmente de piezas de
micromecánica, que se trate de piezas "cautivas", es decir que
quedan ligadas a un sustrato sobre el cual han sido mecanizadas, o
piezas "libres" tales como piezas formando parte de la cadena
cinemática de un movimiento relojero.
Con relación a los metales o aleaciones
utilizados clásicamente para fabricar piezas de micromecánica, tales
como ruedas dentadas, piezas articuladas, o resortes, el silicio
presenta la ventaja de tener una densidad 3 a 4 veces menor y por
consiguiente presentar una inercia muy reducida, y ser insensible a
los campos magnéticos. Estas ventajas son particularmente
interesantes en el campo relojero, tanto en lo que se refiere al
isocronismo como a la duración de funcionamiento cuando la fuente
de energía está constituida por un resorte.
El silicio tiene sin embargo, con razón, la
reputación de ser sensible a los choques, que pueden ser necesarios
durante el ensamblaje, inevitables durante el funcionamiento, o
fortuitos por ejemplo cuando el usuario da un golpe o deja caer su
reloj de pulsera.
El documento de patente EP 1.422.436 A1 describe
una espiral de silicio formada por una barra en espiral revestida
sobre toda su superficie de una capa de óxido de silicio amorfo.
Según este documento, el primer coeficiente térmico del modulo de
Young para el óxido de silicio amorfo está opuesto al del silicio.
Así la combinación de un alma en silicio con una capa externa de
óxido permitiría minimizar dicho primer coeficiente térmico.
Este documento anterior no hace alusión al
problema que constituye la sensibilidad a los choques de las piezas
realizadas en silicio.
La presente invención tiende pues a aportar una
solución que tiende a mejorar la resistencia mecánica de una pieza
de micromecánica de silicio, y en particular su resistencia a los
choques.
A tal efecto la invención se refiere a una pieza
de micromecánica de silicio según la reivindicación independiente
5.
La invención se refiere igualmente a un
procedimiento de fabricación de una pieza de silicio reforzado según
la reivindicación 1. Este procedimiento permite formar, en
particular por oxidación térmica, la capa amorfa espesa que aumenta
considerablemente las propiedades mecánicas de dicha pieza, como se
verá en la descripción detallada a continuación.
Otras características y ventajas de la presente
invención aparecerán claramente en la descripción a continuación de
un ejemplo de realización, dado a título no limitativo, haciendo
referencia a los dibujos anexos en los cuales:
- La figura 1 representa la sección inicial de
una espiral de silicio
- la figura 2 corresponde a la figura 1 después
de depósito de una material amorfo, y
- la figura 3 representa una etapa suplementaria
de depósito de un revestimiento anti-fricción.
Se ha tomado a título de ejemplo una espiral
montada en un movimiento relojero, y del cual es fácil detectar el
disfuncionamiento, simplemente observando la inmovilidad del
movimiento si dicha espiral se rompe, como se explicará más
adelante.
La espiral se obtiene a partir de una plaqueta
de silicio, que tiene un espesor ligeramente inferior a la altura
final deseada para la espiral, por las técnicas conocidas de
micromecanización.
Se puede por ejemplo recurrir a la técnica de
grabado iónico reactivo (RIE) y dar a la espiral la forma que se
estima más apropiada, como descrito por ejemplo en la solicitud
internacional W02004/070476.
Teniendo en cuenta las dimensiones muy pequeñas
de una espiral, una misma plaqueta permite fabricar de una sola vez
un lote de espirales.
La figura 1 representa la sección de una espiral
que tiene un alma de silicio, designando la referencia 3 la
superficie exterior inicial. Cuando esta espiral está abandonada un
cierto tiempo en el medio ambiente, se recubre naturalmente de
dióxido de silicio llamado "óxido nativo" (no representado)
cuyo espesor está sensiblemente comprendido entre 1 y 10 nm.
La figura 2 representa la misma sección de la
espiral después de tratamiento según la invención, por oxidación
térmica surfácica entre 900ºC y 1200ºC. A tal efecto se aplica el
protocolo descrito en el trabajo "semiconductors devices":
physics and technology (éds John Wiley & Sons, ISBN
0-471-87424-8, 01.01
1985, p.341-355). Así se necesita aproximadamente 10
h a una temperatura de 1100ºC para obtener un espesor de SiO_{2}
de aproximadamente 1,9 \mum. Como se observa en la figura 2, el
dióxido se forma en detrimento del silicio cuyo frente 3 retrocede
para crear una nueva superficie de contacto 5 con el SiO_{2}
formado. A la inversa, dado que SiO_{2} tiene una densidad menor,
la superficie exterior 7 de SiO_{2} se extiende más allá de la
superficie inicial de la espiral. Las posiciones de estas líneas de
demarcación 3, 5 y 7 no están representadas a escala, pero es
evidente que el conocimiento de las propiedades físicas de Si y de
SiO_{2} y de las características del tratamiento térmico permite
calcular las cotas iniciales para cortar la espiral para obtener
finalmente de este tratamiento las cotas deseadas.
Según una primera serie de ensayos, la
resistencia mecánica de piezas de silicio no oxidado y de silicio
oxidado ha sido probada desde la etapa de fabricación hasta el
montaje.
Durante la fabricación de un lote de piezas de
silicio las piezas deben manipularse en diferentes etapas de
fabricación. Para el caso preciso descrito aquí se trata de piezas
de silicio proviniendo de dos plaquetas de silicio que han sufrido
unas operaciones idénticas.
Las piezas han sido montadas después en un
movimiento. Durante las pruebas las piezas están fijadas sobre un
eje de acero y sufren pinzamientos con pinzas finas así como a la
instalación de medida. Durante el montaje fina en movimiento, el
centro de la pieza está sobre un eje macizo.
La tabla a continuación resume el resultado de
este ensayo efectuado con 19 piezas no oxidadas y 36 piezas
oxidadas.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Durante este ensayo, la comparación del
porcentaje de éxito de toda una cadena de operación muestra que las
piezas de silicio oxidadas son menos frágiles que las mismas piezas
sin oxidación.
Las propiedades mecánicas de una espiral de
silicio corriente (fig. 1) y de una espiral modificada según la
invención (fig. 2) han sido igualmente comparadas en situación real
después de montaje con la prueba a los choques mediante un aparato
para ensayos de choques con péndulo de 5000 g.
Dos movimientos idénticos, en los cuales han
sido montadas una espiral no tratada y una espiral modificada según
la invención respectivamente, han sido sometidos a este test de
resistencia mecánica.
Los movimientos equipados de espirales no
oxidadas o teniendo un depósito mínimo de óxido nativo se han parado
rápidamente debido a la rotura de la espiral por los choques.
Los movimientos equipados de espirales según la
invención han resistido durante largo tiempo a los choques y han
conservado un funcionamiento y un isocronismo del todo
satisfactorios durante más de 30 semanas al ser llevados.
Así, de manera sorprendente, sustituyendo un
material, el silicio por un material de densidad menor, el dióxido
de silicio, se aumenta la resistencia mecánica, cuando lógicamente
se hubiera esperado una disminución de la resistencia mecánica.
En el ejemplo que se acaba de describir, la
"capa espesa amorfa" era dióxido de silicio. De manera
equivalente se podría formarla con otros procedimientos de
deposición, utilizando otros materiales tales como el nitruro o el
carburo de silicio, o el carburo o el nitruro de titanio.
Este ejemplo muestra que todas las superficies
exteriores de la pieza están uniformemente revestidas de depósito
amorfo espeso. Es evidente que utilizando protecciones adecuadas el
depósito podría efectuarse únicamente sobre las partes elegidas de
la pieza, es decir las partes más solicitadas en el plano mecánico.
A la inversa, por ejemplo después de un revestimiento total de
SiO_{2}, es totalmente posible eliminar ciertas partes del
revestimiento por ataque químico al BHF, por ejemplo por razones
estéticas o para formar otro tipo de revestimiento.
Refiriéndonos a la figura 3, se ha representado
una variante en la cual una etapa suplementaria permite añadir
sobre la capa espesa amorfa 2 un revestimiento 4 realizado en un
material elegido por sus propiedades tribológicas.
La descripción precedente se ha realizado
tomando la espiral de un movimiento relojero a título de ejemplo,
pero es evidente que las mismas ventajas se encontrarían para
cualquier otra pieza de un movimiento relojero (rueda dentada,
rueda de escape, ancora, piezas pivotadas, etc...) y en general
cualquier pieza de un micromecanismo sin salir del marco de la
presente invención.
Claims (7)
1. Procedimiento de fabricación de una pieza de
silicio reforzado elegida entre el conjunto constituido por ruedas
dentadas, ruedas de escape, áncoras, piezas pivotadas y piezas
pasivas, dicho procedimiento comprende, en el orden, las etapas que
consisten en:
- micromecanizar la pieza, o un lote de piezas
en una plaqueta de silicio,
- efectuar, sobre toda la superficie de la
pieza, en una o varias etapas, el depósito de dióxido de silicio,
efectuándose el depósito por oxidación térmica a una temperatura
comprendida entre 900ºC y 1200ºC de la superficie de la pieza
durante un tiempo suficiente para obtener un espesor de dióxido de
silicio al menos cinco veces superior al espesor de un dióxido de
silicio nativo.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque, en la primera etapa del procedimiento,
la pieza está micromecanizada con unas cotas ligeramente inferiores
a las cotas finales deseadas.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizada porque comprende además una etapa suplementaria
que consiste en revestir, al menos parcialmente el depósito de
dióxido de silicio de un revestimiento en un material elegido para
sus propiedades tribológicas, tal como el carbono cristalizado en
forma de diamante o nanotubos de carbono.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende, después de la etapa de
depósito de un revestimiento de dióxido de silicio, la etapa de
eliminar ciertas partes de este revestimiento por ataque químico al
BHF.
5. Pieza de micromecánica de silicio destinada a
integrarse en un mecanismo relojero, caracterizada porque es
susceptible de obtenerse por el procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, siendo elegida dicha pieza entre el
conjunto constituido por las ruedas dentadas, las ruedas de escape,
las áncoras, las piezas pivotadas y las piezas pasivas,
caracterizada porque está revestida sobre toda su superficie
de dióxido de silicio y porque el espesor formado es superior a
cinco veces el espesor del dióxido de silicio nativo.
6. Pieza según la reivindicación 5,
caracterizada porque el depósito de dióxido de silicio tiene
un espesor superior a 50 nm.
7. Pieza según la reivindicación 5,
caracterizada porque el depósito de dióxido de silicio es
además al menos parcialmente revestido, para sus partes en contacto
con otras piezas de una cadena cinemática, de un revestimiento
elegido para sus propiedades tribológicas, tal como carbono
cristalizado en forma de diamante (DLC) o nanotubos de carbono.
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