TWI558654B - 由可微機械加工材料製成的自由安裝輪組及其製造方法 - Google Patents

由可微機械加工材料製成的自由安裝輪組及其製造方法 Download PDF

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TWI558654B
TWI558654B TW099132836A TW99132836A TWI558654B TW I558654 B TWI558654 B TW I558654B TW 099132836 A TW099132836 A TW 099132836A TW 99132836 A TW99132836 A TW 99132836A TW I558654 B TWI558654 B TW I558654B
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尼瓦克斯 法爾公司
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Description

由可微機械加工材料製成的自由安裝輪組及其製造方法
本發明有關由自由地安裝在單件式心軸上之可微機械加工材料所製成的輪組及製造該輪組之方法。更特別地是，本發明有關一包括此型式之輪組的齒輪系。
其係已知製成時計用之矽輪。然而，此等輪件係不易於處理，且其目前係不可能製造一時計用之自由安裝輪組，而沒有損壞或甚至將其打破之風險。
本發明之一目的係藉由提出一齒輪系及製造該齒輪系之方法來克服所有或部份該等前述之缺點，其中由可微機械加工材料所製成之輪組的至少一個被自由地安裝。
本發明因此有關一包括心軸之齒輪系，其一端部係裝有一體式軸環，由可微機械加工材料所製成之第一輪組被裝至該心軸之第二端部上，其特徵為該齒輪系包括由可微機械加工材料所製成之第二輪組，該第二輪組係與該第一輪組之移動無關，且其具有一口孔，該口孔之壁面係與該心軸相向地安裝，以致該第二輪組被自由地安裝在該心軸之該第一端部上。
根據本發明，充分清楚的是其係可能製造一齒輪系，其中譬如結晶狀矽輪的一輪件係自由地安裝在單件式金屬心軸上。
根據本發明之其他有利的特徵：該第二端部係裝有與該心軸為一體之第二軸環，其局部地蓋住該第一輪組；該第二軸環係設有齒部，以便形成該第一輪組之第二位準；該第一輪組至少局部地具有一外部塗層；該心軸係由低摩擦材料所製成；該等可微機械加工材料係矽基材料。
再者，本發明有關一時計，其特徵為其包括配合該等前述變化之一的至少一齒輪系。
最後，本發明有關製造齒輪系之方法，其包括以下步驟：
a)取得一基板，該基板包括由可微機械加工材料所製成及藉由中介層彼此鎖固之頂層及底層；
b)於該頂層及該中介層中蝕刻至少一圖案，直至該底層被暴露，以便形成屬於第一輪組之至少一個第一孔腔；
c)至少以導電塗層塗覆該至少一個第一孔腔之底部；
d)至少於該至少一個第一孔腔之底部中電成形一材料；
e)於該底層中蝕刻第二圖案直到該導電材料之塗層，以便形成屬於第二輪組之至少一個第二孔腔；
f)在該底層之底部上建構一感光性樹脂，在該至少一個第二孔腔與至少一個凹陷之壁面上形成一覆蓋層，該凹陷由該至少一個第二孔腔同軸地向外擴展；
g)持續在步驟d)中開始之電成形，以便充填該至少一個第一孔腔，及在該至少一個第二孔腔與該至少一個凹陷中開始電成形一材料，以便形成一裝有軸環之心軸；
h)移去該感光性樹脂；
i)移去該中介層，以便分開該第一及第二輪組；及
j)由該基板釋放該所製造之輪組。
根據本發明，充分清楚的是其係可能依據組合式LIGA及DRIE製程由單一基板很精確地製造上面所說明之齒輪系。
根據本發明之其他有利的特徵：步驟f)亦包括階段k)：以第二導電塗層至少塗覆該至少一個凹陷之底部，以便改善該軸環之形成；在步驟d)之前，該方法包括步驟1)：在該基板之頂部安裝一部分，以便形成由該至少一個第一孔腔同軸地向外擴展之至少另一個凹陷，以便在該頂層上方提供一位準之電成形材料；步驟c)亦允許該至少另一個凹陷之至少該底部被以該導電塗層塗覆；在步驟c)之後，該方法包括步驟m)：在該至少一個第一孔腔中安裝一栓銷，以便在該未來的齒輪系中形成一孔洞；在步驟g)之前，該方法包括步驟n)：在該至少一個第二孔腔中安裝一栓銷，以便在該未來的齒輪系中形成一孔洞；步驟b)及e)包括以下階段：在待蝕刻之層上建構至少一保護罩幕、在未被該至少一保護罩幕所覆蓋之部件上方施行該層之各向異性蝕刻、與移去該罩幕；數個齒輪系被製造在該相同之基板上；每一塗層包括至少一黃金層；該等可微機械加工材料係矽基材料。
如可在圖15中被看出，本發明有關製造譬如時計用的齒輪系51、51'之方法1。製造方法1包括用於製備由諸如較佳地是矽基材料的可微機械加工材料所製成之基板29的連續步驟。在下面之說明中，該等個別之尺寸不是為相同之比例。一些厚度、諸如塗層37及47的厚度係增加，以便使得該說明更易於理解。
方法1之第一步驟2在於取得一基板29，該基板包括由可微機械加工材料所製成及藉由中介層32彼此鎖固之頂層31及底層33，如圖1所說明。
較佳地是，基板29係絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator,S.O.I)。如此，中介層32較佳地是由二氧化矽所製成。再者，頂層及底層31及33係結晶狀矽。
根據本發明，方法1包括第二步驟3，用以在頂層31及中介層32中蝕刻至少一圖案34，直至底層33之頂部被局部地暴露。
該第二步驟3首先在於在頂層31上建構至少一保護罩幕36，如圖1所說明。亦如圖1所顯示，罩幕36包括至少一圖案34，其不會蓋住頂層31。此罩幕36可譬如使用正或負感光性樹脂藉由光微影技術所獲得。
其次，頂層31被蝕刻，直至中介層32被暴露，如圖2所說明。根據本發明，該蝕刻較佳地是包括乾式各向異性的DRIE蝕刻。該各向異性的蝕刻係在罩幕36的圖案34上方於頂層31上施行。
第三，圖案34係藉由蝕刻延伸進入中介層32，直至底層33之頂部被局部地暴露。根據本發明，該蝕刻可包括層32之被暴露部份的化學或方向性蝕刻。
第四，罩幕36被移去。當然，視罩幕36對蝕刻中介層32之模式的阻抗而定，罩幕36能在此蝕刻之前或之後被移去。
如此，如圖3顯示，在第二步驟3之末端，頂部及中介層31及32之整個厚度被蝕刻成具有至少一孔腔35，用於形成該未來齒輪系51、51'之第一輪組55、55'。
於第三步驟5中，導電塗層37係藉由至少塗覆該至少一個孔腔35之每一個的底部所沈積。於圖4所說明之範例中，其能被看出基板29之整個頂部被塗覆。如將在下面說明，用於下面齒輪系51'之另一選擇具體實施例，該至少一個孔腔35之壁面不需要被塗覆，雖然該塗層可為必須存在於頂層31之頂部上。
較佳地是，塗層37係藉由蒸發相沈積所獲得。然而，其他型式之沈積可被設想，諸如化學沈積。塗層37較佳地是包括至少一黃金層，其可被沈積在一鉻底漆層上。
較佳地是，為了限制該未來電成形之區域，方法1能包括一在於將部件38安裝在基板29的頂部上之步驟6。此步驟6可譬如在於藉由光微影技術建構一正或負感光性樹脂。
有利地是，此步驟6亦可允許至少一凹陷39之形成，並由該至少一個孔腔35同軸地向外擴展，以造成該變化之齒輪系51'，如圖5所說明。
較佳地是，於步驟6之前或之後，方法1能同時包括步驟7，如圖5所說明，其在於由該至少一個孔腔35之底部安裝一栓銷40，以緊接在於該未來之電成形期間形成一用於齒輪系51、51'之心軸孔54、54'。這具有不只避免一旦該電成形已完成切削齒輪系51、51'之需要、而且使其可能製成任何形狀之內部剖面的優點，不論在該未來孔洞54、54'之整個頂部上方是否均勻。此步驟7亦可譬如在於藉由光微影技術建構正或負感光性樹脂。
方法1接著以電成形步驟9持續，用於在該至少一個孔腔35之底部中至少成長一電解沈積41。於圖6所說明之範例中，顯示齒輪系變化51'，其能被看出該沈積41在該至少一個孔腔35中及環繞著栓銷40之至少一個凹陷39中成長。
較佳地是，步驟9係在該沈積超過基板29的頂部之前停止。於該第一齒輪系變化51之案例中，基板29之頂部係該至少一個孔腔35之頂部。於該第二齒輪系變化51'之案例中，基板29之頂部係如圖6所說明之至少一個凹陷39的頂部。其清楚的是為什麼於此第二變化中，對於頂層31之頂部、亦即該至少一個凹陷39之底部可為需要亦包括步驟5中所形成之塗層37。
根據本發明，方法1以步驟13持續，用於在底層33中蝕刻至少一圖案44，直至塗層37被暴露，及可能沈積41被暴露。
步驟13首先在於在底層33上建構至少一保護罩幕46，如圖7所說明。如圖7亦顯示，罩幕46包括至少一圖案44，其不會蓋住底層33。此罩幕46可譬如使用正或負感光性樹脂藉由光微影技術所獲得。
其次，底層33被蝕刻，直至塗層37被暴露，且可能沈積41被暴露。根據本發明，該蝕刻較佳地是包括乾式各向異性的DRIE蝕刻。該各向異性的蝕刻係根據罩幕46之圖案44在底層33中施行。
第三，罩幕46被移去。如此，在步驟13之末端，底層33之整個厚度被蝕刻成具有至少一個第二孔腔45，而允許該未來齒輪系51、51'之第二輪組57、57'被形成。
方法1接著包括一步驟16，其在於在底層33之底部上方建構一感光性樹脂43，而在該至少一個第二孔腔45之壁面上形成一覆蓋層51。
較佳地是，於下一步驟15中，導電塗層47被沈積，覆蓋該所建構樹脂43之頂部。藉由與該至少一個孔腔35之壁面類似，該至少一個第二孔腔45之覆蓋層51不再需要被塗覆。
較佳地是，塗層47係藉由蒸氣階段沈積所獲得。然而，其他型式之沈積可被設想，諸如化學沈積。塗層47較佳地是包括至少一黃金層，其可能被沈積在一鉻底漆層上。
較佳地是，為了形成由該至少一個第二孔腔45同軸地向外擴展之至少一個第二凹陷49，方法1包括一在於將部件48安裝在基板29的底部上之步驟17。此步驟17可譬如在於藉由光微影技術建構一正或負感光性樹脂。
較佳地是，該方法1之步驟17亦可如圖8所說明在於由該至少一個第二孔腔45之底部安裝一栓銷42，以便緊接在於該未來之電成形期間形成一用於齒輪系51、51'之心軸孔54、54'，並具有與參考栓銷40所說明者相同的優點。較佳地是，如果栓銷40及42係分別形成在孔腔35及45中，它們被對齊。
方法1接著以一新的電成形步驟19持續，用於持續在步驟9中開始之沈積，以便充填該至少一個孔腔35(與可能該至少一個凹陷39)，及用於開始在該至少一個第二孔腔45與該至少一個第二凹陷49中電成形一材料，以形成一裝有軸環52、52'且盡可能第二軸環54'之心軸53、53'。
較佳地是，在步驟19之末端，電解沈積41超過基板29之頂部及底部。研光(lapping)接著被施行，以造成沈積41與基板29齊平，如圖9所說明。
方法1以由部件48及盡可能由部件38移去樹脂43之步驟21持續，如在圖10所說明。該下一步驟23在於移去中介層32，以便分離分別在頂層31及底層33中所形成之第一55、55'及第二57、57'輪組。根據本發明，移去係藉由蝕刻所施行，該蝕刻可譬如在於化學蝕刻。最後，於該最後步驟25中，藉此形成之齒輪系51、51'係由基板29釋放。
如此，根據圖13及14所說明之方法1的第一變化，本發明允許一合成之齒輪系51被製成，包括一心軸53，其第一端部係裝有一體式軸環52；第一輪組55，其由可微機械加工材料所製成，且被裝至心軸53之第二端部上；及第二輪組57，其由可微機械加工材料所製成，並與該第一輪組之移動無關，且其包括一口孔58，該口孔之壁面係與該心軸53相向地安裝，以致該第二輪組57被自由地安裝在該心軸53之該第一端部上。如圖13及14中所說明，其能被看出該心軸53包括一允許齒輪系51被驅動抵靠著心軸或樞軸之孔洞54。
根據圖11及12中所說明之方法1的第二變化，本發明允許一合成之齒輪系51'被製成，包括一心軸53'，其第一及第二端部被裝有一體式軸環52'、56'。再者，齒輪系51'包括第一輪組，其中由可微機械加工材料所製成之第一輪55'被裝至心軸53'之第二端部上，鎖固至該第二軸環及局部地覆蓋該第二軸環，形成電成形材料之第二輪56'。於可微機械加工材料中之第二輪組57'係與該第一輪組之移動無關，且其包括一口孔58'，該口孔之壁面係與該心軸相向地安裝，以致該第二輪組57'被自由地安裝在心軸53'之該第一端部上。如圖11及12所說明，其能被看出該心軸53'包括一孔洞54'，允許齒輪系51'被驅動抵靠著一心軸或樞軸。
如圖11及13顯示，該第一輪組55、55'能至少局部地包括對應於細微塗層37之外部塗層，以改善該第一輪組55、55'之摩擦。再者，較佳地是，該電成形心軸53、53'係由低摩擦材料所製成。
當然，本發明不被限制於所說明之範例，但能夠有對於那些熟諳此技藝者將為明顯的各種變化及修改。如此，數個齒輪系51、51'能在該相同之基板29上被製造，以允許不須彼此完全相同的齒輪系51、51'之大量生產。同樣地，吾人亦能設想用結晶化氧化鋁或結晶化矽石或碳化矽替代該矽基材料。
吾人亦能設想塗層37及/或47本質上為不同的及/或每一個依據與那些在上面所說明者不同的方法沈積。吾人亦能設想如果諸如摻雜式矽之導電可微機械加工材料被使用及/或如果樹脂43係導電的，塗層37及/或47係多餘的。
最後，像軸環54、54'之軸環52、52'亦可包括一齒部。再者，齒輪系51、51'之應用不被限制於時計。
29．．．基板
31．．．頂層
32．．．中介層
33．．．底層
34．．．圖案
35．．．空腔
36．．．罩幕
37．．．塗層
38．．．部件
39．．．凹陷
40．．．栓銷
41．．．沈積
42．．．栓銷
43．．．感光性樹脂
44．．．圖案
45．．．空腔
46．．．罩幕
47．．．塗層
48．．．部件
49．．．凹陷
51．．．齒輪系
51’．．．齒輪系
52．．．軸環
52’．．．軸環
53．．．心軸
53’．．．心軸
54．．．心軸孔
54’．．．心軸孔
55．．．輪組
55’．．．輪組
56’．．．軸環
57．．．輪組
57’．．．輪組
58．．．口孔
58’．．．口孔
其他特徵及優點將參考所附圖面由通過非限制性說明所給與之以下敘述清楚地顯現，其中：
圖1至11係依據本發明之一具體實施例製造齒輪系的方法之連續步驟的圖解；
圖12係根據本發明之一具體實施例的齒輪系之立體圖；
圖13係根據本發明的一變化製造齒輪系之方法的最後步驟之圖解；
圖14係根據本發明之一變化的齒輪系之立體圖；
圖15係根據本發明製造齒輪系之方法的流程圖。
51．．．齒輪系
53．．．心軸
54．．．心軸孔洞
55．．．輪組
57．．．輪組

Claims (17)

  1. 一種製造齒輪系(51、51')之方法，其包括以下步驟：a)取得一基板(29)，該基板包括由可微機械加工材料所製成及藉由中介層(32)彼此鎖固之頂層(31)及底層(33)；b)於該頂層(31)及該中介層(32)中蝕刻至少一圖案(34)，直至該底層(33)被暴露，以便形成屬於第一輪組(55、55')之至少一個第一空腔(35)；c)至少以導電塗層(37)塗覆該至少一個第一空腔(35)之底部；d)至少於該至少一個第一空腔(35)之底部中電成形一材料；e)於該底層(33)中蝕刻第二圖案(44)直到該導電材料之塗層(37)，以便形成屬於第二輪組(57、57')之至少一個第二空腔(45)；f)在該底層(33)之底部上建構一感光性樹脂(42、43、48)，在該至少一個第二空腔(45)與至少一個凹陷(49)之壁面上形成一覆蓋層(51)，該凹陷由該至少一個第二空腔(45)同軸地向外擴展；g)持續在步驟d)中開始之電成形，以便充填該至少一個第一空腔(35)及在該至少一個第二空腔 (45)與該至少一個凹陷(49)中開始電成形(19)一材料，以便形成一裝有軸環(52、52')之心軸(53、53')；h)移去該感光性樹脂(38、40、42、43、48)；i)移去該中介層(32)，以便分開該第一(55、55')及第二(57、57')輪組；及j)由該基板(29)釋放該所製造之輪組(51、51')。
  2. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中該步驟f)亦包括以下階段：k)以第二導電塗層(47)至少塗覆該至少一個凹陷(49)之底部，以改善該軸環之形成。
  3. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中在步驟d)之前，該方法包括以下步驟：l)在該基板(29)之頂部安裝一部件(38)，以便形成由該至少一個第一空腔(35)同軸地向外擴展之至少另一個凹陷(39)，以在該頂層(31)上方提供一位準之電成形材料。
  4. 如申請專利範圍第3項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中該步驟c)亦允許該至少另一個凹陷(39)之至少該底部被以該導電塗層(37)塗覆。
  5. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中在步驟c)之後，該方法包括以下步驟：m)在該至少一個第一空腔(35)中安裝一栓銷 (40)，以在該未來的齒輪系(51、51')中形成一孔洞(54、54')。
  6. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中在步驟g)之前，該方法包括以下步驟：n)在該至少一個第二空腔(45)中安裝一栓銷(42)，以便在該未來的齒輪系(51、51')中形成一孔洞(54、54')。
  7. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中步驟b)及e)包括以下階段：在待蝕刻之層(31、33)上建構至少一保護罩幕(36、46)；在未被該至少一保護罩幕所覆蓋之部件上方施行該層之各向異性蝕刻；移去該罩幕。
  8. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中數個齒輪系(51、51')被製造在該相同之基板(29)上。
  9. 如申請專利範圍第1項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中每一塗層(37、47)包括至少一黃金層。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項的製造齒輪系(51、51')之方法，其中該等可微機械加工材料係矽基材料。
  11. 一種包括心軸(53、53')之齒輪系(51、51')，其第一端部係裝有一體式軸環(52、52')，由可 微機械加工材料所製成之第一輪組(55、55')被裝至該心軸(53、53')之第二端部上，使得該第一輪組(55、55')和該心軸(53、53')一起轉動，其特徵為該齒輪系(51、51')包括由可微機械加工材料所製成之第二輪組(57、57')，該第二輪組係與該第一輪組之移動無關，且其包括一大於該心軸(53、53')之口孔(58、58')，且該口孔之壁面係與該心軸相向地安裝，以致該第二輪組(57、57')被自由地安裝在該心軸(53、53')之該第一端部上。
  12. 如申請專利範圍第11項的包括心軸(53、53')之齒輪系(51、51')，其中該第二端部係裝有與該心軸(53')為一體之第二軸環(56')，其局部地蓋住該第一輪組(55')。
  13. 如申請專利範圍第12項的包括心軸(53、53')之齒輪系(51、51')，其中該第二軸環(56')係設有齒部，以便形成該第一輪組(55')之第二位準。
  14. 如申請專利範圍第11項的包括心軸(53、53')之齒輪系(51、51')，其中該第一輪組(55、55')至少局部地包括一外部塗層(37)。
  15. 如申請專利範圍第11項的包括心軸(53、53')之齒輪系(51、51')，其中該心軸(53、53')係由低摩擦材料所製成。
  16. 如申請專利範圍第11項的包括心軸(53、53')之齒輪系(51、51')，其中該等可微機械加工材料係矽基 材料。
  17. 一種時計，其特徵為其包括根據申請專利範圍第11至16項中任一項的至少一齒輪系。
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