WO2015087252A1 - Helical spring for mechanical timepieces - Google Patents

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WO2015087252A1
WO2015087252A1 PCT/IB2014/066756 IB2014066756W WO2015087252A1 WO 2015087252 A1 WO2015087252 A1 WO 2015087252A1 IB 2014066756 W IB2014066756 W IB 2014066756W WO 2015087252 A1 WO2015087252 A1 WO 2015087252A1
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silicon
layer
spiral spring
crystals
coil spring
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PCT/IB2014/066756
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German (de)
French (fr)
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WO2015087252A4 (en
Inventor
Konrad Damasko
Original Assignee
Damasko Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2015087252A4 publication Critical patent/WO2015087252A4/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04BMECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06Oscillators with hairsprings, e.g. balance

Definitions

  • the invention relates to a coil spring for mechanical movements.
  • a mechanical movement has as its central components a barrel with tension spring, gear train, escapement and oscillating system (balance).
  • the barrel with tension spring provides the drive of the movement.
  • the power is transmitted starting from the barrel via the gear train to the escape wheel, which represents a part of the escapement.
  • the gear train drives the hands of the watch and translates the spring force stored in the tension spring into rotational motions of different speeds, indicating seconds, minutes, hours and so on.
  • the balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Furthermore, a spiral spring is provided which, together with the mass of the oscillating body, forms the oscillatory and clocking system. Finally, the balance includes a device for regulating the speed, such as a back, with which the rocker characteristic of the coil spring changed and thus the desired correct gear of the clock can be adjusted.
  • the exact course of the clock is based on the most even swinging back and forth of the coil spring to their equilibrium position.
  • the armature intervenes alternately inhibiting and releasing in the escape wheel so that the movement always pulsates in the same time. However, without a steady supply of energy, the balance would stop moving.
  • the force coming from the barrel is continuously transmitted to the balance via the gear train.
  • the escapement forwards the power via the escape wheel and the anchor to the balance wheel.
  • the oscillating body of the balance causes biasing of the coil spring, creating a return torque that causes the coil spring, after release by the armature, to return to its equilibrium position.
  • the oscillating body is given a certain amount of kinetic energy, which is why it oscillates beyond its equilibrium position until the counter-torque of the spiral spring stops it and forces it to swing back.
  • the spiral spring thus regulates the oscillation period of the balance and thus the course of the clock.
  • a mechanical watch consists of a large number of smallest functional elements that must be precisely matched to each other and achieved with high accuracy in order to achieve high accuracy of the watch.
  • Various methods for the production of functional elements, in particular also coil springs, for mechanical watches are known from the prior art.
  • silicon oxide or silicon dioxide is used as synonymous terms.
  • Si wafers are used for the production of the functional elements or coil springs for mechanical watches. These Si wafers consist essentially of isotropic silicon particles, which can be produced in various ways. As a by-product of the production of silicon granules by means of fluidized bed process, the desired silicon particles with a diameter of 0.01 .mu.m to 10 .mu.m. In addition to the coarse-grained granules, these processes also produce very fine silicon powder whose particle sizes are in the desired range.
  • Silicon powder with particle sizes in the micrometer and sub-micron range can also be produced from silane gas by high-temperature pyrolysis, by the Siemens process, by hydrogen reduction processes using tetrachlorosilanes or by other chemical vapor deposition processes. From the silicon powder, a nanoparticle specimen is produced by means of a sintering process.
  • international patent application WO 2010/097228 discloses spark plasma sintering.
  • the German publication DE 1 1 2009 000 068 T5 of the international patent application WO 2009/155849 discloses the use of silicon powder with a grain diameter of 0, 1 pm to 1000 pm in cold isostatic or hot isostatic sintering process.
  • EP 10 2008 061 182 A1 discloses the production of spiral springs by laser cutting from the wear layer of a silicon wafer.
  • EP 1 422 436 A1 discloses a method for producing spiral springs for the oscillatory system of mechanical clocks made of monocrystalline silicon.
  • EP 1 422 436 A1 discloses a method for producing spiral springs for the oscillatory system of mechanical clocks made of monocrystalline silicon.
  • DE 101 27 733 A1 discloses a method for producing helical or spiral springs made of crystalline, in particular monocrystalline silicon by a mechanical erosion machining.
  • DE 10 2008 029 429 A1 discloses a method for producing spiral springs for watch movements, in which the spiral springs are exposed by etching processes with the aid of etching masks made of a silicon starting material (Si wafers).
  • EP 2 201 428 A1 discloses a spiral spring which is produced by cutting or etching from a plate-shaped substrate obtained by epitaxial deposition of polycrystalline silicon.
  • the epitaxial deposition of the polycrystalline silicon is carried out using a CVD method.
  • the spiral springs obtained in this way have an excellent vibration behavior and thus cause a high accuracy of the movement.
  • the manufacture of the coil springs frequently causes fractures and cracks in the springs, which results in a high scrap of material.
  • the production of coil springs with excellent vibration behavior and at the same time the lowest possible material losses due to rejects is a central goal in the field of mechanical movements.
  • the thickness of the silicon oxide or silicon dioxide coating required for a given functional element in order to achieve optimum temperature compensation can easily be calculated by a person skilled in the art or simply determined experimentally.
  • the calculated or determined layer thicknesses for the silicon oxide coating are available in tabular form. Customary coatings with thicknesses of 1 to 8 pm, more preferably 2 to 5 pm.
  • the processes known from the prior art for applying a silicon oxide coating are all very time-consuming. Performing a thermal oxidation with oxygen to produce a conventional layer thickness of 3 to 8 pm at temperatures of about 1000 ° C usually takes 40 to 80 hours. It is therefore desirable that functional elements of a mechanical timepiece can be made such that they ideally show no temperature dependence in their movement behavior. In the event that the thermal oxidation of the spiral spring made of silicon is carried out by a CVD method, this takes place at temperatures and 1000 ° C.
  • invention 19 may be prepared by the methods known to those skilled in the art such as, for example, directed growth, for example epitaxy, crystallization or recrystallization or crystal growing.
  • directed growth for example epitaxy, crystallization or recrystallization or crystal growing.
  • the crystals are simplified in some figures drawn as a rectangle or four, can be isotropic as well as anisotropic.
  • Other methods for producing the crystals is spark plasma sintering or laser crystallization.
  • the modulus distribution has a direct effect on the flexural rigidity. At a bend of the spiral spring that spiral portion with a lower modulus of elasticity bends more strongly than one with a higher modulus of elasticity. If such an E-modulus difference within a turn of a coil spring, it tends to twisting.
  • the object of the invention is to provide a coil spring for mechanical movements with excellent vibration behavior. This object is achieved by a coil spring according to claim 1. Further advantageous aspects, details and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.
  • a spiral spring is known to include windings, wherein a cross section of a winding has a height and a width. At least one layer of silicon oxide is applied to a boundary region of the spiral spring.
  • the cross section of the spiral spring comprises along its height at least two superposed regions of a silicon material.
  • the respective silicon material comprises a plurality of regions of amorphous and / or polycrystalline and / or monocrystalline silicon.
  • Each region has formed at least two anchors by growing silicon oxide into the boundary region of the core of the coil spring.
  • Each anchor has an individual roughness. The individual roughnesses of the anchors should ideally be the same, but naturally differ by the different growth behavior of the individual crystals of silicon oxide or silicon dioxide.
  • the spiral spring according to the invention for a mechanical movement is now characterized in that after the thermal oxidation by means of oxygen or a thermal CVD method for applying a Si0 2 - layer of the exposed Sprialfedern in each area at least one anchor, the same roughness as a has another anchor of an adjacent area.
  • the greater the number of such anchors over adjacent regions having the same roughness the easier the topology or roughness profile becomes over the entire height of the coil spring and the greater the likelihood of a comparatively low average roughness over all anchors of all regions of the coil spring ,
  • Such a spiral spring is correspondingly smooth and ensures an improved vibration behavior of the mechanical movement.
  • the roughness also known as the roughness depth, denotes the unevenness of the surface height of the anchors.
  • the surface roughness can be influenced, inter alia, by the abovementioned production methods for the spiral spring, in which the surface of the spiral spring is polished, ground, lapped, honed, etched, vapor-deposited and / or oxidized or corroded.
  • the term roughness can furthermore designate a shape deviation of the third to fifth order in the case of technical surfaces in accordance with DIN 4760.
  • the roughness of the surfaces of the coil springs should be as small as possible.
  • the roughness can be measured and determined with different measuring devices: by means of manual methods, for example by the Rugotest; using profile-based methods, such as stylus methods; and by means of area-based methods, for example by optically planar methods.
  • a width variation of an oxide layer on the spiral spring amounts to a maximum of 15%, preferably 10% and more preferably maximum. 5% / the total width of the oxide layer.
  • the above-described spiral spring according to the invention also overcomes a further disadvantage that, due to an inhomogeneous distribution of the roughness peaks, ie the tips of the armatures, inhomogeneous width fluctuations of the oxide layer along the height of the spiral spring arise along the height of the spiral spring. This adversely affects the vibration behavior.
  • the average roughness over the armatures of the regions assumes a maximum value from the interval 0.5 pm to 10.0 pm.
  • the average roughness is preferably in the interval from 0.1 ⁇ m to 5.0 ⁇ m and more preferably in the interval from 0.3 ⁇ m to 3.0 ⁇ m.
  • the average roughness over the anchors of the ranges in the interval from 0.001 pm to 2.0 pm.
  • the distribution of the individual roughnesses of the anchors of the areas should be minimal.
  • the frequency with respect to the number of anchors of each area should be maximum.
  • the cross section of the helical spring is constructed in such a way that the Si crystals are distributed essentially homogeneously with respect to their size and orientation over the cross section of the helical spring.
  • One possible method for producing at least one functional element for mechanical movements comprises the following steps:
  • the at least one functional element Separating the at least one functional element by removing the material of the solid body surrounding the respective functional element.
  • the solid can be prepared by sublimation, CVD, LPCVD, epitaxial deposition, etc.
  • the functional element is a spiral spring.
  • a homogeneous distribution of the silicon particles or Si crystals, preferably of amorphous and / or monocrystalline silicon particles or silicon crystals, over the cross section of the spiral spring is achieved for example by annealing.
  • a temperature T greater than or equal to 800 ° C. and a time duration t of tempering greater than or equal to 10 hours have proven to be advantageous.
  • a distribution of the Si crystals, which is much more homogeneous than that of FIG. 18, over the cross section of the spiral spring is obtained.
  • surfaces F1, F2, F3 have the same bending strength when a force F is exerted, thus ensuring substantially the same bending strength over the entire turn of the coil spring. This results in a homogeneous swing and torsion of the coil spring is avoided.
  • a spiral spring for mechanical movements with a coincident with the vibration plane of the spiral spring coil spring plane E and a perpendicular to the spiral spring plane E, extending through the center of the spiral spring coil spring axis A available.
  • the spiral spring is constructed in a direction parallel to the coil spring axis A of at least five layers, namely a first, outer layer of silicon oxide, at least a second layer of polycrystalline silicon and at least a fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer and the fourth layer consist of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm, a third, between the second layer of polycrystalline silicon and the fourth layer of polycrystalline silicon arranged layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, and a fifth outer layer of silicon oxide.
  • the diameter of the anisotropic silicon crystals is 10nm to 30000nm and their height 500nm to 50pm.
  • the diameter of the isotropic silicon crystals is 1 nm to 10000 nm.
  • the spiral spring has an intermediate layer of substantially isotropic silicon crystals, which is arranged between two layers of anisotropic silicon crystals.
  • the construction of the spiral spring according to the invention of at least five layers is completed by two outer layers of silicon oxide, by which the sensitivity of the coil spring is reduced to temperature fluctuations.
  • the present invention encompasses any type of spiral spring for mechanical movements in which at least two layers of anisotropic silicon crystals separated from one another by a layer of substantially isotropic silicon crystals are arranged between two outer layers of silicon oxide.
  • the spiral spring In order to achieve a constant oscillation behavior of the coil spring and thus a high and as constant as possible accuracy of the movement, namely the remindholkonstante the spiral spring must be as constant as possible.
  • the fact is utilized that silicon oxide has a temperature coefficient of the modulus of elasticity opposite to the silicon.
  • the thickness of the silicon oxide coating required for a given cross-section of the coil spring to achieve optimum temperature compensation can be readily calculated by one skilled in the art or simply determined experimentally.
  • the calculated or determined layer thicknesses for the silicon oxide coating are available in tabular form. Common are coatings with thicknesses of 2 to 8 pm.
  • the coil spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis A of at least five layers, namely a first layer of silicon oxide, a second layer of polycrystalline silicon disposed on the first layer of silicon oxide, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 3000 nm, preferably 10 nm to 1000 nm, and a height parallel to the coil spring axis A of 2 pm to 500nm, preferably 2 pm to 50 pm, a third polycrystalline silicon layer disposed on the second polycrystalline silicon layer, the third layer consisting of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 1 nm to 1000 nm, preferably 10 nm to 1000 nm, one on the third layer Polycrystalline silicon arranged fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists of anisotropic silicon crystals, the anisotropic silicon crystals having a diameter parallel to the spiral spring plane E
  • the two outer layers of silicon oxide are formed with complete dissolution of the outer layers of substantially isotropic silicon crystals present before the oxidation.
  • the finished Spiral spring then stand the two outer layers of silicon oxide in direct contact with each one layer of anisotropic silicon crystals.
  • a helical spring which is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis A of at least six layers, namely a first, outer layer of silicon oxide, a sixth, arranged on the first layer of silicon oxide layer of polycrystalline silicon, wherein the sixth layer consists of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 10 nm to 1000 nm, arranged on the sixth layer of polycrystalline silicon second layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm have a third, arranged on the second layer of polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer of We - essential isotropic Silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, a fourth layer of polycrystalline silicon disposed on the third layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists of anis
  • only one of the two outer layers of silicon oxide with complete dissolution of the present before the oxidation outer layer of substantially isotropic silicon crystals is formed in the method described below in more detail for the preparation of the coil spring.
  • the further outer layers of silicon oxide in the course of the oxidation no complete dissolution of the outer layer of essentially isotropic silicon crystals present before the oxidation takes place.
  • one of the two outer layers of silicon oxide is in direct contact Contact with a layer of anisotropic silicon crystals and the other outer layer of silicon oxide is in direct contact with a layer of substantially isotropic silicon crystals, which then again followed by a layer of anisotropic silicon crystals.
  • the spiral spring is constructed in a direction parallel to the coil spring axis A of at least seven layers, namely a first, outer layer of silicon oxide, a sixth, arranged on the first layer of silicon oxide layer of polycrystalline silicon, wherein the sixth layer consists of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 10 nm to 1000 nm, arranged on the sixth layer of polycrystalline silicon second layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm, a third, arranged on the second layer of polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer of the Substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, a arranged on the third layer of polycrystalline silicon fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists
  • the two outer layers of silicon oxide are only partially dissolved by the outer layer present before the oxidation Layers of essentially isotropic silicon crystals are formed.
  • Layers of essentially isotropic silicon crystals are formed.
  • both outer layers of silicon oxide are then in direct contact with a layer of essentially isotropic silicon crystals, which are then each followed by a layer of anisotropic silicon crystals.
  • the spiral spring preferably has at least one further layer consisting essentially of isotropic silicon crystals in one direction parallel to the spiral spring axis A and at least one further layer consisting of anisotropic silicon crystals, wherein the further layer consisting essentially of isotropic silicon crystals is arranged between two layers consisting of anisotropic silicon crystals and the further layer consisting of anisotropic silicon crystals is arranged between two layers consisting of essentially isotropic silicon crystals.
  • the second intermediate layer of essentially isotropic silicon crystals provided according to this embodiment further reduces the stresses in the silicon substrate and reduces damage during the production process.
  • the spiral spring in a direction parallel to the spiral spring axis
  • the first and / or the fifth layer of silicon oxide has a thickness parallel to the spiral spring axis A of 2 pm to 8 pm.
  • a thickness of the silicon oxide layer of 2 pm to 8 pm the temperature dependence of the elastic modulus of the spiral spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized.
  • the layers consisting of essentially isotropic silicon crystals have a layer thickness parallel to the spiral spring axis A of 20 nm to 5 ⁇ m.
  • a layer thickness of 20 nm to 5 pm has been found to be ideal in terms of reducing stresses in the silicon substrate.
  • the layers consisting of anisotropic silicon crystals have a layer thickness parallel to the spiral spring axis A of 2 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • a layer thickness of 2 ⁇ m to 150 ⁇ m has proven to be outstandingly suitable for preventing stresses in the material and for achieving an excellent vibration behavior of the spiral spring.
  • the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 20 nm to 500 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 5 m to 20 pm. Crystals with the dimensions mentioned have proven to be excellent for preventing stresses in the material and for achieving excellent vibration behavior of the coil spring. As will be described below in connection with the method according to the invention, it will not be difficult for a person skilled in the art to control the process parameters in the context of a CVD deposition in such a way that crystals grow in the desired dimensioning.
  • the substantially isotropic silicon crystals have a diameter of 20 nm to 400 nm, preferably 50 nm to 100 nm.
  • intermediate layers which are composed of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 20 nm to 400 nm, preferably 50 nm to 100 nm, stresses in the silicon substrate are particularly greatly reduced.
  • the area of a cutting plane of the spiral spring containing the spiral spring axis A is preferably from 0.001 mm 2 to 0.01 mm 2 and / or the height of the spiral spring parallel to the spiral spring axis A is from 0.05 mm to 0.3 mm.
  • the present invention also includes a method of making a helical spring for mechanical timepieces comprising the steps of providing a silicon wafer, wherein the silicon wafer comprises a sacrificial layer of silicon dioxide, performing an LPCVD method of forming a first sacrificial layer disposed on the silicon dioxide sacrificial layer A layer of polycrystalline silicon, wherein the first layer consists of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, performing a CVD method for forming a second layer of polycrystalline silicon disposed on the first layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 2 pm to 50 pm, performing an LPCVD method
  • the process parameters for carrying out a low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process, as well as the process parameters for carrying out a chemical vapor deposition (CVD) process for the removal of carbon from the gas phase are known to the person skilled in the art.
  • LPCVD low-pressure chemical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the structuring of the spiral spring takes place by a person skilled in the known per se material-removing etching or cutting process.
  • the material removal can be carried out, for example, by means of an etching process with the aid of photomasks.
  • the spiral spring is detached from the silicon wafer by dissolving the sacrificial layer of silicon dioxide by means of an etching process.
  • Chemical etching processes using, for example, hydrofluoric acid are well known to those skilled in the art.
  • the oxidation carried out after detachment of the spiral spring from the silicon wafer takes place according to a method familiar to the person skilled in the art. Thus, for example, a thermal oxidation can be carried out at elevated temperatures. Since the oxidation is carried out after the detachment of the coil spring from the silicon wafer, the coil spring is accessible from all sides, whereby an outer silica surface coating is formed.
  • the first and fifth layers consisting of essentially isotropic silicon crystals which are initially formed by the method according to the invention are at least partially oxidized and thus at least partially dissolved as a layer of polycrystalline silicon or at least partially into one Layer of silicon oxide converted.
  • the oxidation is carried out after the detachment of the spiral spring from the silicon wafer for a longer period of time, a complete dissolution of the initially formed first and / or fifth layers consisting of essentially isotropic silicon crystals takes place. One or both of the layers are thereby converted into layers of silicon oxide.
  • the LPCVD process is preferably carried out for a period in which a layer of polycrystalline silicon with a thickness parallel to the spiral spring axis A of from 0.2 ⁇ m to 1 ⁇ m is formed.
  • LPCVD process relatively low Schichtabscheideraten of about 20 nm / min are connected.
  • the preferred layer thicknesses of 0.2 ⁇ m to 1 ⁇ m in the context of the present invention can thus be achieved within acceptable process times.
  • the CVD method is preferably carried out for a period of time in which a layer of polycrystalline silicon having a thickness parallel to the spiral spring axis A of 2 pm to 150 pm is formed.
  • layer deposition rates of 1 ⁇ m / min to 5 ⁇ m / min are achieved in CVD methods.
  • preferred layer thicknesses of 2 m to 150 m can thus be achieved within acceptable process times.
  • the oxidation is carried out after the detachment of the coil spring from the silicon wafer for a period in which a layer of silicon oxide with a thickness parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 8 pm is formed.
  • a thickness of the silicon oxide layer of 2 pm to 8 pm the temperature dependence of the elastic modulus of the coil spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized.
  • the CVD process is carried out at a process temperature between 600 ° C and 1200 ° C, more preferably between 960 ° C and 1060 ° C.
  • layers of polycrystalline silicon are formed, which are composed of anisotropic silicon crystals with a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm. These have excellent properties with respect to the prevention of stress and to achieve excellent vibration behavior of the coil spring.
  • the CVD process is carried out at a process pressure of between 2.7-10 3 Pa and 13.3-10 3 Pa.
  • layers of polycrystalline silicon are formed, which are made up of anisotropic silicon crystals having a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the spiral spring axis A of 2 pm to 50 pm. These have excellent properties in terms of preventing stress and achieving excellent vibratory behavior of the coil spring.
  • the LPCVD process and / or the CVD process is carried out using silane or dichlorosilane as the process gas.
  • the desired layers form within relatively short process times.
  • the CVD process is preferably carried out with an increased gas flow compared to the LPCVD process, an increased process pressure and an elevated process temperature.
  • the CVD method is carried out at process parameters that lead to the deposition of a layer thickness of 1 pm to 5 pm per minute.
  • the preferred layer thicknesses of from 2 ⁇ m to 150 ⁇ m in the context of the present invention can thus be achieved within acceptable process times.
  • the present invention also includes a helical spring for a mechanical watch, wherein the helical spring is made according to one of the methods described above.
  • the present invention includes a mechanical watch with one of the coil springs described above.
  • the functional elements of a mechanical timepiece should ideally show no temperature dependence in their motion behavior.
  • silicon oxide has a temperature coefficient of the modulus of elasticity opposite to the silicon.
  • a surface coating of silicon oxide or silicon dioxide is produced by a thermal oxidation and in the functional element a plurality of armatures are likewise formed by the thermal oxidation.
  • the anchors penetrate into the material of the functional element and provide for a temperature dependence of the movement behavior of the functional element.
  • the substantially isotropic silicon particles preferably have a diameter of 0.03 pm to 1 pm.
  • the solids formed in the solid pores preferably have a diameter of 0.01 m to 0.3 pm.
  • the solid produced by sintering has a density of at least 95% and preferably at least 99% of the density of crystalline silicon.
  • the process according to the invention has a significantly reduced expenditure of time for the production of the silicon oxide surface coating.
  • the oxidation of the silicon can proceed more rapidly due to the pores also located on the surface, since a larger surface area of the silicon particles present in the solid body is accessible for the oxidation.
  • anchors in the functional element are formed by the thermal oxidation such that the anchors of silicon oxide extend at least partially into a second layer of silicon particles.
  • the temperature dependence of the modulus of elasticity of the coil spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized.
  • the sensitivity of the coil spring to temperature fluctuations can be minimized.
  • the silicon oxide anchors are formed in the material of the functional element, which protrude into the functional element into the second or third layer of silicon particles. Surprisingly, it has been found that these silicon oxide anchors impart a significantly improved mechanical stability to the functional element.
  • the silicon particles obtained in the abovementioned processes have a "substantially isotropic” form.
  • the term "substantially isotropic” in the context of the present invention means particles which have no clearly defined preferred direction.
  • the silicon particles do not have an ideal isotropic shape because they are not formed as spheres but have slight irregularities such as edges and small, flat surfaces.
  • the diameter of a substantially isotropic silicon particle is understood to mean the maximum diameter of the silicon particle.
  • the isostatic pressing method provided according to the invention is based on the physical law that the pressure in liquids and gases propagates uniformly on all sides and generates forces on the applied surfaces which are directly proportional to these surfaces.
  • a mold filled with silicon particles is introduced into the pressure vessel of a press plant.
  • the pressure acting on all sides of the mold via the liquid in the pressure vessel uniformly compresses the enclosed silicon powder.
  • the binders used are preferably polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyethylene glycol and mixtures thereof. These binders have been found to be particularly suitable for use in the manufacture of functional elements for mechanical watches.
  • silicon particles and binder in a weight ratio of silicon particles to binder of 100: 0, 1 to 100: 3 are used. Particular preference is given to using silicon particles and binders in a weight ratio of silicon particles to binder of from 100: 0.2 to 100: 2, and particularly preferably in a weight ratio of from 100: 0.5 to 100: 1.
  • the said preferred amounts of binder are on the one hand large enough to provide a sufficient connection of the silicon particles in the Homogenticiansuzes, and on the other hand low enough to be removed easily after the compression step from the solid can.
  • Ethanol is particularly preferably added to the binder before mixing with the silicon particles, in particular preferably in a weight ratio of ethanol to silicon particles of about 5: 1.
  • a hot isostatic pressing at 10 to 800 MPa and 30 ° C to 1400 ° C can be performed.
  • Excellent properties of the functional elements arise when compacting at a temperature of 600 ° C to 1400 ° C or at a pressure of 100 to 300 MPa.
  • the compression is carried out at a temperature of 600 ° C to 1400 ° C and at a pressure of 100 to 300 MPa.
  • the homogenized mixture of silicon particles and binder is preheated prior to the densification step at a temperature of 100 ° C to 120 ° C.
  • the compression is preferably carried out for a period of 2 to 4 hours.
  • the functional elements produced have particularly good properties if the solid produced by the compacting step has pores with a maximum diameter of 0.001 ⁇ m to 1 ⁇ m.
  • the functional element is separated by removal of the material surrounding the functional element in the manner known to those skilled in the art.
  • the material removal is preferably carried out by etching or cutting.
  • the etching is particularly preferably carried out by a dry etching process, the cutting is particularly preferably carried out by laser cutting.
  • the silica surface coating is produced by thermal oxidation.
  • oxygen acts on the functional element at elevated temperature.
  • the thickness of the silicon oxide surface coating can be controlled.
  • the precise parameters of thermal oxidation to form a silica surface coating are well known in the art. Their finding for a specific oxidation process is therefore no problem for the person skilled in the art.
  • any type of functional element for mechanical watches can be produced by the method according to the invention.
  • the functional elements are preferably a helical spring, a toothed wheel, a gear wheel, an escape wheel, an armature, a riff free or a shaft. Special advantages ben in the production of a coil spring for mechanical watches, since a particularly high mechanical stability and a particularly temperature-independent vibration behavior are required for this functional element.
  • the functional element according to the invention is characterized in that a solid produced from isotropic silicon particles by isostatic compaction has formed a multiplicity of pores having a maximum diameter of 0.001 ⁇ m to 1 ⁇ m.
  • the functional element carries a silicon oxide surface coating on the functional element.
  • a plurality of silicon oxide anchors are formed in the solid body, which extend in the solid state of the functional element at least up to a second layer of silicon particles.
  • the pores formed in the solid body preferably have a diameter of 0.01 ⁇ m to 0.3 ⁇ m.
  • the present invention also includes a mechanical watch having a functional element formed according to the invention. All of the above-mentioned preferred embodiments may individually or in combination with other preferred embodiments further develop the coil spring according to the invention.
  • Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of a coil spring used in a mechanical timepiece
  • Figure 2 is a Schamtica view of a cross section through a turn of the coil spring.
  • Fig. 3 is an enlarged view of the Quedozens by the coil spring, wherein on a Ausenthesis a layer of silicon dioxide is applied;
  • Fig. 4 is a schematic detail view of an armature extending from the layer of silicon dioxide into the core of silicon
  • Fig. 5 is another schematic representation of a section through the coil spring wherein the silicon core of the coil spring is constructed in its crystalline structure according to a first embodiment
  • FIG. 6 is another schematic representation of a section through the coil spring, which is constructed according to a further embodiment
  • FIG. 7 is a plan view of a Si wafer produced by a sintering process in which the coil springs have already been produced by etching or cutting
  • FIG. 7 is a plan view of a Si wafer produced by a sintering process in which the coil springs have already been produced by etching or cutting
  • FIG. 8 is a detail view of the area marked A in FIG. 7; FIG.
  • Fig. 9 is a schematic partial view of a vertical section, wherein two opposite side surfaces of the coil spring are shown; 10 to 13, 15 shots with an electronic scanning microscope of a section of the edge region of a turn of a spiral spring, wherein the plan view is shown on the height h of the coil spring;
  • Figure 14 is a perspective view with an electronic scanning microscope of a portion of a turn of the coil spring;
  • FIG. 16 shows various micrographs of a silicon-oxide-wound spiral spring produced from polycrystalline silicon;
  • FIG. 17 shows various micrographs of a coil spring made of monocrystalline silicon and coated with silicon oxide
  • Figure 18 is a schematic view of a cross section of a coil spring in which the silicon crystals are not homogenized and increase in size with increasing height of the coil spring;
  • Figure 19 is a schematic view of a cross section of a coil spring in which the silicon crystals are homogenized by a special process and thus have a widely homogeneous size distribution along the height of the coil spring;
  • Figure 20 is a perspective view of a portion of the coil spring to illustrate the resulting due to the invention bending stiffness. Ways to carry out the invention
  • Figure 1 shows a perspective view of a coil spring 20 for mechanical movements.
  • the spiral spring 20 has a spiral spring plane E which coincides with the oscillation plane of the spiral spring 20 and a spiral spring axis A which extends perpendicular to the spiral spring plane E through the oscillation center of the spiral spring 20.
  • the coil spring 20 has an inner coil spring attachment portion S.
  • the outer spring holding point H of the coil spring 20 serves for the fixed connection of the spiral spring with a circuit board or a bearing plate.
  • the coil spring 20 has a plurality of turns 22.
  • Figure 2 shows a plan view of a cross section 24 through a turn 22 of the coil spring 20.
  • each of the turns 22 of the coil spring 20 consists of a core 25 and a sheath 27, which consists of a layer 34 of silicon dioxide.
  • the layer 34 of silicon dioxide is carried by each of the side surfaces 30 of each turn 22 of the coil spring 20.
  • the layer 34 of silicon dioxide is generated by thermal odidation of the coil spring 20.
  • Figure 3 shows a section through the coil spring 20 of Figure 1, according to an alternative embodiment.
  • the coil spring 20 carries on an outer side a layer 34 of silicon dioxide. This can be achieved by suitable masking measures.
  • the coil spring 20 comprises windings 22 (see FIG. 1), wherein a cross-section 24 of a winding 22 has a height h and a width b. At least one layer 34 of silicon dioxide is applied to a boundary region 31.
  • Each region 26, has at least two Anchor 28 u formed by growing crystals of silicon dioxide 34 in the boundary region 31.
  • the anchors are formed in the process of thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) of silicon material of the existing coil spring 20.
  • An E-module may be used in areas 26 ! , 26 2 , ..., 26 n vary by a maximum of 2% to a maximum of 3%.
  • the modulus of elasticity is measured on the total modulus of elasticity of the considered cross-section 24 of the coil spring 20. To calculate the effective modulus of elasticity z.
  • epitaxial deposition processes or directional growth preferentially form crystal orientations or textures, preferably ⁇ 1 10> and ⁇ 1 1 1> and The textures ⁇ 100>, ⁇ 21 1> or ⁇ 331> may also be present, however, because of the different e-moduli of the textures, a homogeneous distribution of the textures over the cross-section 24 of the spiral spring is to be aimed at. There must be at least two different textures in the regions 26 !, 26 2 ,..., 26 n in order to ensure a largely sufficient homogeneity of the cross section 24 of the spiral spring 20.
  • the crystals are shown in simplified form as rectangles or rectangles, but they may be both isotropic and anisotropic, as shown for example in FIGS. 5 or 6.
  • the finished outer surface 39 of the winding 22 of the spiral spring 20 corresponds to the outer surface of the finished at least one layer 34 made of silicon dioxide, ie after completion of the separation process of the spiral spring 20 from the carrier (silicon wafer 10) and after completion of the oxidation process to produce the at least one Layer 34 of silicon dioxide (see, for example, Figures 5 to 9 and the description thereof).
  • the carrier silicon wafer 10
  • the oxidation process to produce the at least one Layer 34 of silicon dioxide
  • FIG. 4 shows a detailed view of an armature 28 u of a region 26, according to FIG. 3.
  • the armature 28 u has an individual roughness R u which does not generally coincide exactly with the mean roughness R over all armatures 28 of all regions 26 - roughness R runs along a center line 32 through all the anchors of all areas.
  • FIGS. 6 and 6 each show a section through a turn 22 of the spiral spring 20 of FIG. 1, wherein the spiral spring axis A is a component of the cutting plane and thus the cutting plane is perpendicular to the spiral spring plane E.
  • the thicknesses of the individual layers are not reproduced to scale in FIGS. 5 and 6, so that it is not possible to deduce from the thickness of the one layer illustrated in the drawing to the thickness of another layer.
  • FIG. 6 shows a state of the coil spring 20 during the manufacturing process.
  • the serving as a carrier silicon wafer 10 is provided in the representation shown in Figure 6 with a sacrificial layer 10.1 made of silicon dioxide.
  • a 0.4 pm thick first layer 1 1 made of polycrystalline silicon is deposited on the sacrificial layer 10.
  • This first layer 1 1 consists of essentially isotropic silicon crystals 9, which in the exemplary embodiment shown have a diameter of 100 nm to 400 nm.
  • the LPCVD procedure is carried out with silane as the process gas at a pressure of 0.6-10 3 Pa and a temperature of 1000 ° C. Due to the deposition rate of about 200 nm / min, the first layer 1 1 builds up within about 2 minutes.
  • a CVD process is performed.
  • a process pressure of 5.7 - 10 3 Pa and a process temperature of 1060 ° C a deposition rate of about 2 pm per minute sets.
  • a second layer 12 of polycrystalline silicon arranged on the first layer 1 1 of polycrystalline silicon is formed with a thickness parallel to the spiral axis A of 40 ⁇ m.
  • the second layer 12 of polycrystalline silicon is made of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 in the illustrated embodiment has a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 100 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 5 pm to 30 pm exhibit.
  • the parameters gas flow, process pressure and process temperature are set to the values for the method described above in connection with the formation of the first layer 11 and an LPCVD method for forming a third 13, arranged on the second 12 layer of polycrystalline silicon 0, 4 m thick layer of polycrystalline silicon performed.
  • This third layer 13 in turn consists of substantially isotropic silicon crystals 9 with a diameter of 100 nm to 400 nm.
  • a fourth polycrystalline silicon layer 14 disposed on the third polycrystalline silicon layer 13 is formed with a thickness parallel to the coil spring axis A of 40 ⁇ m.
  • the fourth layer 14 of polycrystalline silicon likewise consists of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 in the illustrated embodiment have a diameter. have parallel to the spiral spring plane E from 50 nm to 100 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 5 pm to 30 pm.
  • the spiral spring connected to the silicon wafer 10 has the shape shown in FIG. Subsequently, the structuring of the spiral spring takes place successively by a material-removing chemical etching process with the aid of photomasks, the detachment of the spiral spring from the silicon wafer 10 by dissolving the sacrificial layer 10.1 made of silicon dioxide by means of a chemical etching process, and the implementation of a thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) to produce a layer 34 of silicon oxide.
  • the thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) is carried out for a correspondingly selected time period so that a first 1 and a fifth 5 layer 34 of silicon oxide with a layer thickness of about 2.5 ⁇ m are formed.
  • the first consisting of substantially isotropic silicon crystals layer 1 1 dissolves completely.
  • FIG. 1 An inventive embodiment of the coil spring 20 for mechanical movements is shown in FIG.
  • the spiral spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis A of five layers 1, 2, 3, 4, 5, namely a 2.5 pm thick, first layer 1 of silicon oxide, one arranged on the first layer 1 of silicon oxide, 40th m thick, second layer 2 of polycrystalline silicon, wherein the second layer 2 consists of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 100 nm and a height parallel to the spiral spring axis A from 5 pm to 30 pm, a 0.4 pm thick third, arranged on the second layer 2 of polycrystalline silicon layer 3 of polycrystalline silicon, wherein the third layer 3 of substantially isotropic silicon crystals 9 having a diameter of 100 nm to 400 nm, one on the third layer 3rd made of polycrystalline silicon, 40 pm thick, the fourth layer 4 of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer 4 of anisotropic silicon crystals
  • the coil spring shown can be manufactured with minimal loss through fractures and cracks of consistently excellent quality. Although the following description refers to a coil spring as a functional element, this should not be construed as limiting the invention.
  • FIG. 7 shows a plan view of an Si wafer 10 produced by a sintering process, in which the spiral springs 20 have already been produced and exposed by etching or cutting.
  • essentially isotropic silicon particles 40 (see FIG. 9) with a diameter of between 0.03 ⁇ m and 1 ⁇ m were used as a by-product in the production of silicon granules with the aid of a fluidized bed Procedures were incurred.
  • the binder used was polyvinyl alcohol.
  • the mixture of silicon particles 40 and binder in the ratio of 100: 0.75 was carried out by spraying a Binder ittel / ethanol mixture on the silicon particles 40.
  • the mixture thus produced was prepared by milling in a ball mill for a period of Homogenized for 12 hours with simultaneous vacuum degassing.
  • the homogenized mixture of silicon particles 40 and binder was sintered to a solid.
  • the sintering is a hot isostatic compaction, this is carried out at a temperature of 1000 ° C and a pressure of 250 MPa for 3 hours.
  • the produced solid or Si wafer 6 has pores 2 (see FIG. 9) with a maximum diameter P of 0.001 ⁇ to 1 m.
  • the solid produced by the densification of the homogenized mixture of silicon particles 1 and binder preferably has a density of at least 95%, preferably at least 99%, of the density of crystalline silicon.
  • the binder was removed by evacuation from the solid produced in this way.
  • the separation of the binder is preferably carried out by evacuation or by purging with an inert gas. Simultaneously with the separation of the binder, the silicon solid formed is cooled to room temperature.
  • FIG. 8 shows a detailed view of the region of the Si wafer 10 labeled A in FIG. 6. It is obvious to a person skilled in the art that the material of the spiral spring 20 can be different.
  • the separation of the coil spring 20 is preferably carried out by a dry etching, whereby the surrounding the coil spring 20 material 21 is removed.
  • the silicon particles 40 illustrated as spheres in an idealized manner in FIG. 9 each have an average diameter D of between 0.03 ⁇ m and 1 ⁇ m. It is a schematic partial view of a vertical section shown, wherein two opposite side surfaces 30 of the coil spring 20 are shown in part. Between the individual silicon particles 40, the pores 42 can be seen, which have formed due to the sintering process. The pores 42 have a maximum diameter P of 0.001 pm to 1 pm, preferably 0.01 pm to 0.3 pm.
  • the solid (Si wafer 10) produced by compacting a homogenized mixture of silicon particles 1 and the binder polyvinyl alcohol has a density of at least 95%, preferably at least 99%, of the density of crystalline silicon. Depending on the choice of the size distribution of the silicon particles 40, the density of the sintered solid body can correspond to up to 99.9% of the density of crystalline silicon.
  • the layer 34 on the silicon surface is formed in the course of the treatment of the Si wafer 10.
  • a plurality of anchors 44 of silicon oxide or silicon dioxide are formed. within the Si wafer 10, which have the material properties described above.
  • the individual silicon particles 1 arrange themselves during the compaction in layers 45 ! , 45 2 , .., 4 5 n . Due to the size distribution of the silicon particles 40 and the size distribution of the pores 42 in the Si wafer 10, the layers 45 ! , 45 2 , .., 45 n are shown only schematically.
  • the size distribution of the pores 42 in the Si wafer 10 and the treatment parameters in the furnace in the production of the layer 34 on the silicon surface cause the largest proportion of the anchor 44 of silicon oxide at least until the second layer 45 2 and 45 n - i extends from silicon particles 40th
  • the spiral spring thus produced has excellent properties in terms of temperature behavior and excellent mechanical stability.
  • FIG. 10 to 13, 15 show images with an electronic scanning microscope of a section of the edge region of a turn of a spiral spring, wherein the plan view is shown on the height h of the coil spring.
  • FIG. 10 shows an enlarged detail of FIG. 11, and
  • FIG. 12 shows an enlarged detail of FIG. 13.
  • FIGS. 10 and 11 show, with respect to a first sample, a section of the cross-section 24 of a winding 22 of a first spiral spring, wherein the roughness on the finished outer surface 39 of the winding 22 of the first spiral spring is comparatively large.
  • the finished outer surface 39 also corresponds to the side surface 16 in FIG. 9.
  • FIGS. 12 and 13 show, with respect to a second sample, a section of the cross section 24 of a winding 22 of another second spiral spring, the roughness on the finished outer surface 39 of the winding 22 of the second spiral spring of FIGS. 12 and 13 in comparison with FIGS. 10 and 1 1 is small.
  • the finished outer surface 39 of the winding 22 of the respective spiral spring corresponds to the outer surface of the respective finished at least one layer of silicon dioxide 34, ie after completion of the separation process of the respective coil spring from the carrier, for example from the silicon wafer 10, and after completion of the oxidation process for producing the at least one layer of silicon dioxide 34 (cf., for example, FIGS. 5 to 9 and the description thereof).
  • the roughness or roughness depth R of the material of the transition or boundary region 30 to the at least one oxide layer, in particular silicon dioxide layer 34 is considered.
  • This material can be, for example, amorphous and / or polycrystalline and / or monocrystalline silicon, for example layers 2, 4, 12, 14 of anisotropic silicon crystals, layers 3, 11, 13 of substantially isotropic silicon (-5) crystals, respectively anisotropic silicon crystals 8 and isotropic silicon crystals 9, respectively.
  • the roughness depth of the output surface 38 for applying the at least one layer of silicon dioxide 34 thus for example the etched silicon side surface 38 according to FIG.
  • a roughness R z of the output surface 38 in the amount of 0.001 pm to 3 pm, preferably from 0.01 pm to 2 pm, has proven to be ideal with respect to the reduction of stresses in the finished coil spring 20.
  • the surface roughness R z of the finished outer surface 39 should be 0.001 m to 2 pm.
  • FIG. 14 shows a perspective view with an electronic scanning microscope of a portion of a winding 22 of the coil spring.
  • FIG. 16 shows various micrographs of a coil spring made of polycrystalline silicon and coated with silicon oxide.
  • FIG. 17 shows various microscopic photographs of a spiral spring produced from monocrystalline silicon 36 and coated with silicon dioxide 34.
  • FIG. 18 shows a schematic view of a cross section of a spiral spring 20, in which the silicon crystals 36 are not homogenized and increase in size as the height h of the spiral spring 20 increases.
  • FIG. 19 shows a schematic view of a cross section of a spiral spring 20, in which the silicon crystals 36 are homogenized by a special process, for example annealing, as described above and thus have a largely homogeneous size distribution along the height h of the spiral spring 20.
  • Figure 20 is a perspective view of a portion of the coil spring 20 illustrating the bending stiffness resulting from the invention, as previously described.

Abstract

The invention discloses a helical spring (20) for a mechanical timepiece. The cross section (24) of the helical spring (20) comprises, along the height (h) of the helical spring (20), at least two regions (26i,...,26n), where i=1, ..., n, which are located one above the other and consist of a polycrystalline silicon. Each region (26i) has formed at least two anchors (28i,j) by virtue of crystals of the silicon dioxide (34) being grown into the boundary region (30), wherein each anchor (28i,j) has a roughness (Ri,j), where j=1, ..., m. Each region (26i) has arranged in it at least one anchor (28i,j) which has the same roughness as another anchor (28i-1,j',28i+1,j') of an adjacent region (26i). The invention also discloses a method for producing at least one functional element (8) for mechanical timepieces. Silicon particles or silicon crystals (1, 36) are distributed homogeneously, in respect of the size and orientation of the silicon particles or silicon crystals (1, 36), over the cross section (24) of the functional elements (8, 20).

Description

SPIRALFEDER FÜR MECHANISCHE UHRWERKE  SPIRAL SPRING FOR MECHANICAL MOVEMENTS
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke. The invention relates to a coil spring for mechanical movements.
Stand der Technik Ein mechanisches Uhrwerk weist als zentrale Bestandteile ein Federhaus mit Zugfeder, Räderwerk, Hemmung und Schwingsystem (Unruh) auf. Dabei stellt das Federhaus mit Zugfeder den Antrieb des Uhrwerks zur Verfügung. Die Kraftübertragung erfolgt beginnend beim Federhaus über das Räderwerk zum Ankerrad, das einen Bestandteil der Hemmung darstellt. Das Räderwerk treibt die Zeiger der Uhr an und übersetzt die in der Zugfeder gespeicherte Federkraft in Drehbewegungen verschiedener Geschwindigkeiten, wodurch Sekunden, Minuten, Stunden usw. angezeigt werden. PRIOR ART A mechanical movement has as its central components a barrel with tension spring, gear train, escapement and oscillating system (balance). The barrel with tension spring provides the drive of the movement. The power is transmitted starting from the barrel via the gear train to the escape wheel, which represents a part of the escapement. The gear train drives the hands of the watch and translates the spring force stored in the tension spring into rotational motions of different speeds, indicating seconds, minutes, hours and so on.
Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Spiralfeder vorgese- hen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet. Schließlich umfasst die Unruh eine Vorrichtung zur Gangregulierung, wie beispielsweise einen Rücker, mit welchem die Schwingeigenschaft der Spiralfeder verändert und damit der gewünschte korrekte Gang der Uhr eingestellt werden kann. Der exakte Gang der Uhr basiert auf dem möglichst gleichmäßigen Hin- und Herschwingen der Spiralfeder um ihre Gleichgewichtsposition. Dabei greift der Anker abwechselnd hemmend und freigebend so in das Ankerrad ein, dass die Bewegung stets in gleichem Zeitmaß pulsiert. Ohne stetige Energiezufuhr würde die Unruh jedoch ihre Bewegung einstellen. Deshalb wird kontinuierlich die vom Federhaus kommende Kraft über das Räderwerk auf die Unruh übertragen. Die Hemmung leitet die Kraft über Ankerrad und Anker an die Unruh weiter. Beim Verlassen seiner Gleichgewichtsposition bewirkt der Schwingkörper der Unruh ein Vorspannen der Spiralfeder, wodurch ein Rückholdrehmoment erzeugt wird, das die Spiralfeder, nach ihrer Freigabe durch den Anker, zur Rückkehr in ihre Gleichgewichtsposition veranlasst. Dadurch wird dem Schwingkörper eine gewisse kinetische Energie verliehen, weshalb er über seine Gleichgewichtsposition hinaus schwingt, bis ihn das Gegendrehmoment der Spiralfeder anhält und zum Rück- schwingen zwingt. Die Spiralfeder reguliert somit die Schwingungsperiode der Unruh und damit den Gang der Uhr. The balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Furthermore, a spiral spring is provided which, together with the mass of the oscillating body, forms the oscillatory and clocking system. Finally, the balance includes a device for regulating the speed, such as a back, with which the rocker characteristic of the coil spring changed and thus the desired correct gear of the clock can be adjusted. The exact course of the clock is based on the most even swinging back and forth of the coil spring to their equilibrium position. The armature intervenes alternately inhibiting and releasing in the escape wheel so that the movement always pulsates in the same time. However, without a steady supply of energy, the balance would stop moving. Therefore, the force coming from the barrel is continuously transmitted to the balance via the gear train. The escapement forwards the power via the escape wheel and the anchor to the balance wheel. Upon leaving its equilibrium position, the oscillating body of the balance causes biasing of the coil spring, creating a return torque that causes the coil spring, after release by the armature, to return to its equilibrium position. As a result, the oscillating body is given a certain amount of kinetic energy, which is why it oscillates beyond its equilibrium position until the counter-torque of the spiral spring stops it and forces it to swing back. The spiral spring thus regulates the oscillation period of the balance and thus the course of the clock.
Eine mechanische Uhr besteht aus einer Vielzahl kleinster Funktionselemente, die zum Erreichen einer hohen Ganggenauigkeit der Uhr exakt aufeinander abgestimmt und mit hoher Genauigkeit geformt werden müssen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Funktionselementen, insbesondere auch von Spiralfedern, für mechanische Uhren bekannt. A mechanical watch consists of a large number of smallest functional elements that must be precisely matched to each other and achieved with high accuracy in order to achieve high accuracy of the watch. Various methods for the production of functional elements, in particular also coil springs, for mechanical watches are known from the prior art.
Nachfolgend wird Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid als gleichbedeutende Begriffe verwendet. Subsequently, silicon oxide or silicon dioxide is used as synonymous terms.
Für die Herstellung der Funktionselemente bzw. Spiralfedern für mechanische Uhren werden Si-Wafer (Si-Wafer) verwendet. Diese Si-Wafer bestehen im Wesentlichen aus isotropen Silizium-Partikeln, die auf verschiedene Arten hergestellt werden können. Als Nebenprodukt fallen bei der Herstellung von Silizium-Granulat mit Hilfe von Wirbelschicht-Verfahren die gewünschten Silizium-Partikel mit einem Durchmesser von 0,01 pm bis 10 pm an. Bei diesen Verfahren entsteht neben dem grobkörnigen Granulat auch sehr feines Siliziumpulver, dessen Partikelgrößen in dem gewünschten Bereich liegen. Si wafers (Si wafers) are used for the production of the functional elements or coil springs for mechanical watches. These Si wafers consist essentially of isotropic silicon particles, which can be produced in various ways. As a by-product of the production of silicon granules by means of fluidized bed process, the desired silicon particles with a diameter of 0.01 .mu.m to 10 .mu.m. In addition to the coarse-grained granules, these processes also produce very fine silicon powder whose particle sizes are in the desired range.
Siliziumpulver mit Korngrößen im Mikrometer- und Sub-Mikrometer-Bereich lässt sich auch aus Silan-Gas durch Hochtemperatur-Pyrolyse, nach dem Siemens- Verfahren, durch Wasserstoff-Reduktionsverfahren unter Einsatz von Tetrachlor- silanen oder durch andere chemische Gasphasenabscheidungsverfahren erzeugen. Aus dem Siliziumpulver wird mittels eines Sinterprozesses ein nanopartikulärer Probenkörper hergestellt. Hierzu offenbart die internationale Patentanmeldung WO 2010/097228 ein Spark-Plasma-Sintern. Die deutsche Veröffentlichung DE 1 1 2009 000 068 T5 der internationalen Patentanmeldung WO 2009/155849 offenbart den Einsatz von Siliziumpulver mit einem Korndurchmesser von 0, 1 pm bis 1000 pm bei kaltisostatischen oder heißisostatischen Sinterprozess. Silicon powder with particle sizes in the micrometer and sub-micron range can also be produced from silane gas by high-temperature pyrolysis, by the Siemens process, by hydrogen reduction processes using tetrachlorosilanes or by other chemical vapor deposition processes. From the silicon powder, a nanoparticle specimen is produced by means of a sintering process. For this purpose, international patent application WO 2010/097228 discloses spark plasma sintering. The German publication DE 1 1 2009 000 068 T5 of the international patent application WO 2009/155849 discloses the use of silicon powder with a grain diameter of 0, 1 pm to 1000 pm in cold isostatic or hot isostatic sintering process.
Die DE 10 2008 061 182 A1 offenbart die Herstellung von Spiralfedern durch Laserschneiden aus der Nutzschicht eines Silizium-Wafers. Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von me- chanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt. DE 10 2008 061 182 A1 discloses the production of spiral springs by laser cutting from the wear layer of a silicon wafer. EP 1 422 436 A1 discloses a method for producing spiral springs for the oscillatory system of mechanical clocks made of monocrystalline silicon.
Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt. EP 1 422 436 A1 discloses a method for producing spiral springs for the oscillatory system of mechanical clocks made of monocrystalline silicon.
Die DE 101 27 733 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Schrauben- oder Spiralfedern aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silizium durch eine me- chanische abtragende Bearbeitung. DE 101 27 733 A1 discloses a method for producing helical or spiral springs made of crystalline, in particular monocrystalline silicon by a mechanical erosion machining.
Die DE 10 2008 029 429 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für Uhrwerke, bei dem die Spiralfedern durch Ätzverfahren mit Hilfe von Ätzmasken aus einem Silizium-Ausgangsmaterial (Si-Wafer) freigelegt werden. DE 10 2008 029 429 A1 discloses a method for producing spiral springs for watch movements, in which the spiral springs are exposed by etching processes with the aid of etching masks made of a silicon starting material (Si wafers).
Schließlich ist aus der EP 2 201 428 A1 eine Spiralfeder bekannt, die durch Aus- schneiden oder Ätzen aus einem durch epitaktisches Abscheiden von polykristallinem Silizium erhaltenen plattenförmigen Substrat hergestellt wird. Das epitaktische Abscheiden des polykristallinen Siliziums erfolgt dabei mit Hilfe eines CVD- Verfahrens. Die so erhaltenen Spiralfedern weisen ein ausgezeichnetes Schwingverhalten auf und bewirken damit eine hohe Ganggenauigkeit des Uhrwerks. Aller- dings kommt es bei der Herstellung der Spiralfedern häufig zu Brüchen und Rissen der Federn, was einen hohen Materialausschuss nach sich zieht. Die Herstellung von Spiralfedern mit ausgezeichnetem Schwingverhalten bei gleichzeitig möglichst geringen Materialverlusten durch Ausschuss stellt im Bereich der mechanischen Uhrwerke ein zentrales Ziel dar. Finally, EP 2 201 428 A1 discloses a spiral spring which is produced by cutting or etching from a plate-shaped substrate obtained by epitaxial deposition of polycrystalline silicon. The epitaxial deposition of the polycrystalline silicon is carried out using a CVD method. The spiral springs obtained in this way have an excellent vibration behavior and thus cause a high accuracy of the movement. However, the manufacture of the coil springs frequently causes fractures and cracks in the springs, which results in a high scrap of material. The production of coil springs with excellent vibration behavior and at the same time the lowest possible material losses due to rejects is a central goal in the field of mechanical movements.
Die Dicke der Beschichtung aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid, die für ein gege- benes Funktionselement erforderlich ist, um eine optimale Temperaturkompensation zu erreichen, kann vom Fachmann problemlos berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Die so berechneten bzw. bestimmten Schichtdicken für den Siliziumoxid-Überzug sind tabellarisch verfügbar. Üblich sind Beschichtungen mit Dicken von 1 bis 8 pm, besonders bevorzugt 2 bis 5 pm. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Aufbringen einer Silizi- umoxid-Beschichtung sind alle sehr zeitaufwändig. Die Durchführung einer thermischen Oxidation mit Sauerstoff zur Erzeugung einer üblichen Schichtdicke von 3 bis 8 pm dauert bei Temperaturen von über 1000°C in der Regel 40 bis 80 Stunden. Es ist daher wünschenswert, dass Funktionselemente einer mechanischen Uhr derart hergestellt werden können, dass sie in ihrem Bewegungsverhalten im Idealfall keine Temperaturabhängigkeit zeigen. Für den Fall, dass die thermische Oxidation der Spiralfeder aus Silizium mit einem CVD-Verfahren durchgeführt wird, erfolgt dies bei Temperaturen und 1000°C. The thickness of the silicon oxide or silicon dioxide coating required for a given functional element in order to achieve optimum temperature compensation can easily be calculated by a person skilled in the art or simply determined experimentally. The calculated or determined layer thicknesses for the silicon oxide coating are available in tabular form. Customary coatings with thicknesses of 1 to 8 pm, more preferably 2 to 5 pm. The processes known from the prior art for applying a silicon oxide coating are all very time-consuming. Performing a thermal oxidation with oxygen to produce a conventional layer thickness of 3 to 8 pm at temperatures of about 1000 ° C usually takes 40 to 80 hours. It is therefore desirable that functional elements of a mechanical timepiece can be made such that they ideally show no temperature dependence in their movement behavior. In the event that the thermal oxidation of the spiral spring made of silicon is carried out by a CVD method, this takes place at temperatures and 1000 ° C.
Nachfolgend wird ein weiteres Problem bezüglich des inhomogenen Schwingver- haltens durch inhomogene Größenverteilung der Kristalle in der Spiralfeder beschrieben. Es ist ein bekannter Nachteil, dass die Spiralfeder in verschiedenen Teilbereichen der Spiralfeder bzw. in Teilbereichen einer Windung der Spiralfeder nicht homogen schwingt bzw. zum Tordieren neigt. Eine weitere Ursache dafür sind, neben den bereits oben genannten Ursachen, lokale Unterschiede in der Bie- gesteifigkeit der Spiralfeder, die durch eine unterschiedliche Größenverteilung der Kristalle in der Spiralfeder hervorgerufen sind. Dies wiederum verursacht unterschiedliche Werte für den Elastizitätsmodul (E-Modul) über den Querschnitt der Spiralfeder aufgrund der bekannten Formel In the following, another problem concerning the inhomogeneous vibration behavior due to inhomogeneous size distribution of the crystals in the spiral spring is described. It is a known disadvantage that the coil spring does not vibrate homogeneously in various subregions of the spiral spring or in subregions of a turn of the spiral spring or tends to twist. Another cause for this, in addition to the causes already mentioned above, are local differences in the bending stiffness of the spiral spring, which are caused by a different size distribution of the crystals in the spiral spring. This in turn causes different values for the modulus of elasticity (modulus of elasticity) over the cross section of the spiral spring on the basis of the known formula
Biegesteifigkeit = (Flächenträgheitsmoment I) * (E-Modul E) = I * E [Nmm2]. Dabei ist I wesentlich von der Geometrie bzw. dem Querschnitt der Spiralfeder abhängig, und E ist wesentlich von der Orientierung der Kristalle im Raum bzw. im Querschnitt der Spiralfeder abhängig. Beim Aufwachsen der Silizium-Kristalle (Si- Kristalle) des Hauptkörpers der Spiralfeder bilden sich bevorzugt bestimmte Raum- richtungen (Orientierungen) dieser Kristalle aus, wie Fig. 18 zeigt. Die Silizium- Kristalle des Hauptkörpers der Spirale, wie in Fig. 18 (Stand der Technik) und Fig. 19 (Erfindung) dargestellt, können durch die dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt sein, wie beispielsweise gerichtetes Aufwachsen, beispielsweise Epitaxie, Kristallisation bzw. Umkristallisation oder Kristallzucht. Die Kristalle sind in ei- nigen Figuren vereinfacht als Vier- bzw. Rechteck gezeichnet, können isotrop als auch anisotrop sein. Weitere Verfahren zur Herstellung der Kristalle, ist das Spark- Plasma-Sintern oder eine Laserkristallisation. Bending stiffness = (area moment of inertia I) * (modulus E) = I * E [Nmm 2 ]. In this case, I is essentially dependent on the geometry or the cross section of the spiral spring, and E is essentially dependent on the orientation of the crystals in space or in the cross section of the spiral spring. When growing the silicon crystals (Si crystals) of the main body of the spiral spring, certain spatial directions (orientations) of these crystals are preferably formed, as FIG. 18 shows. The silicon crystals of the main body of the spiral, as shown in Fig. 18 (prior art) and Fig. 19 (invention), may be prepared by the methods known to those skilled in the art such as, for example, directed growth, for example epitaxy, crystallization or recrystallization or crystal growing. The crystals are simplified in some figures drawn as a rectangle or four, can be isotropic as well as anisotropic. Other methods for producing the crystals is spark plasma sintering or laser crystallization.
Die E-Modul Verteilung hat eine direkte Auswirkung auf die Biegesteifigkeit. Bei einer Biegung der Spiralfeder biegt sich jener Spiralabschnitt mit geringerem E-Modul stärker als ein solcher mit höherem E-Modul. Liegt ein solcher E-Modul Unterschied innerhalb einer Windung einer Spiralfeder vor, so neigt diese zum Tordieren. The modulus distribution has a direct effect on the flexural rigidity. At a bend of the spiral spring that spiral portion with a lower modulus of elasticity bends more strongly than one with a higher modulus of elasticity. If such an E-modulus difference within a turn of a coil spring, it tends to twisting.
Des Weiteren kann, wie die in Figur 18 dargestellte inhomogene Verteilung der Si- Kristalle zeigt, eine nicht kompensierbare Temperaturdrift ergeben, da die für die Kompensation der Temperaturdrift erforderliche SiO2-Beschichtung nicht ausreicht, um die Temperaturdrift zu kompensieren. Wie jedoch bereits an anderer Stelle dargelegt, wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens der Spiralfeder nachteilig auf das Schwingungsverhalten aus. Bekanntlich wird üblicherweise für die Kompensation der Temperaturdrift eine durchschnittliche Schichtdicke der Siliziumdioxid-Beschichtung festgesetzt. Es kann jedoch solche Bereiche der Spi- ralfeder geben, in denen die lokale Verteilung der Si-Kristalle und deren Orientierung derart ist, dass die richtungsabhängige Temperaturdrift so stark ausgeprägt ist, dass eine beabsichtigte Temperaturkompensation nicht ausreicht. Darstellung der Erfindung Furthermore, as shown by the inhomogeneous distribution of the Si crystals shown in FIG. 18, an uncompensatable temperature drift can result, since the SiO 2 coating required for compensating for the temperature drift is insufficient to compensate for the temperature drift. However, as already stated elsewhere, the temperature dependence of the movement behavior of the coil spring has a detrimental effect on the vibration behavior. As is known, an average layer thickness of the silicon dioxide coating is usually set for the compensation of the temperature drift. However, there may be regions of the spiral spring in which the local distribution of the Si crystals and their orientation is such that the direction-dependent temperature drift is so pronounced that an intended temperature compensation is insufficient. Presentation of the invention
Aufgabe der Erfindung ist, eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit ausgezeichnetem Schwingverhalten bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spiralfeder gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren. The object of the invention is to provide a coil spring for mechanical movements with excellent vibration behavior. This object is achieved by a coil spring according to claim 1. Further advantageous aspects, details and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.
Eine Spiralfeder umfasst bekanntlich Windungen, wobei ein Querschnitt einer Windung eine Höhe und eine Breite hat. An einen Grenzbereich der Spiralfeder ist mindestens eine Schicht Siliziumoxid aufgebracht. Der Querschnitt der Spiralfeder umfasst entlang seiner Höhe mindestens zwei übereinander liegende Bereiche aus einem Siliziummaterial. Dabei umfasst das jeweilige Siliziummaterial mehrere Bereiche aus amorphen und/oder polykristallinen und/oder monokristallinen Siliziums. A spiral spring is known to include windings, wherein a cross section of a winding has a height and a width. At least one layer of silicon oxide is applied to a boundary region of the spiral spring. The cross section of the spiral spring comprises along its height at least two superposed regions of a silicon material. In this case, the respective silicon material comprises a plurality of regions of amorphous and / or polycrystalline and / or monocrystalline silicon.
Jeder Bereich hat durch Aufwachsen von Siliziumoxid in den Grenzbereich des Kerns der Spiralfeder hinein mindestens zwei Anker ausgebildet hat. Jeder Anker hat eine individuelle Rauheit. Die einzelnen Rauheiten der Anker sollten idealerweise gleich sein, unterscheiden sich aber naturgemäß durch das unterschiedliche Aufwachsverhalten der einzelnen Kristalle des Siliziumoxids bzw. Siliziumdioxids. Each region has formed at least two anchors by growing silicon oxide into the boundary region of the core of the coil spring. Each anchor has an individual roughness. The individual roughnesses of the anchors should ideally be the same, but naturally differ by the different growth behavior of the individual crystals of silicon oxide or silicon dioxide.
Die erfindungsgemäße Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk ist nun dadurch gekennzeichnet, dass nach dem thermischen Oxidieren mittels Sauerstoff oder ei- nem thermischen CVD -Verfahren zum Aufbringen einer Si02 - Schicht der freigelegten Sprialfedern in jedem Bereich mindestens ein Anker ist, der dieselbe Rauheit wie ein anderer Anker eines benachbarten Bereichs hat. Je größer die Anzahl solcher Anker über benachbarte Bereiche ist, die dieselbe Rauheit aufweisen, desto einfacher wird die Topologie bzw. das Rauheitsprofil über die gesamte Höhe der Spiralfeder und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für eine vergleichsweise niedrige mittlere Rauheit über alle Anker aller Bereiche der Spiralfeder. Eine solche Spiralfeder ist entsprechend glatt und sorgt für ein verbessertes Schwingverhalten des mechanischen Uhrwerks. Dabei bezeichnet die Rauheit, auch Rautiefe genannt, die Unebenheit der Oberflächenhöhe der Anker. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauheit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren aus dem Stand der Technik, die jeweils verschiedene Eigenheiten der Oberfläche der Anker berücksichtigen. Die Oberflächen- rauheit kann unter anderem durch die oben genannten Herstellungsverfahren für die Spiralfeder beeinflusst werden, bei denen die Oberfläche der Spiralfeder poliert, geschliffen, geläppt, gehont, geätzt, bedampft und/oder oxidiert bzw. korrodiert wird. The spiral spring according to the invention for a mechanical movement is now characterized in that after the thermal oxidation by means of oxygen or a thermal CVD method for applying a Si0 2 - layer of the exposed Sprialfedern in each area at least one anchor, the same roughness as a has another anchor of an adjacent area. The greater the number of such anchors over adjacent regions having the same roughness, the easier the topology or roughness profile becomes over the entire height of the coil spring and the greater the likelihood of a comparatively low average roughness over all anchors of all regions of the coil spring , Such a spiral spring is correspondingly smooth and ensures an improved vibration behavior of the mechanical movement. The roughness, also known as the roughness depth, denotes the unevenness of the surface height of the anchors. For the quantitative characterization of the roughness, there are different calculation methods from the prior art, each of which takes into account different peculiarities of the surface of the anchors. The surface roughness can be influenced, inter alia, by the abovementioned production methods for the spiral spring, in which the surface of the spiral spring is polished, ground, lapped, honed, etched, vapor-deposited and / or oxidized or corroded.
Der Begriff Rauheit kann weiterhin eine Gestaltabweichung dritter bis fünfter Ord- nung bei technischen Oberflächen nach DIN 4760 bezeichnen. The term roughness can furthermore designate a shape deviation of the third to fifth order in the case of technical surfaces in accordance with DIN 4760.
Vor allem bei der Herstellung von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke ist die Rauheit wichtig. Die Rauheit der Oberflächen der Spiralfedern soll möglichst klein sein. Die Rauheit kann mit unterschiedlichen Messgeräten gemessen und bestimmt werden: mittels manueller Methoden, beispielsweise durch den Rugotest; mittels profilbasierter Methoden, beispielsweise durch Tastschnittverfahren; und mittels flächenbasierter Methoden, beispielsweise durch optisch flächenhaft messende Verfahren. Especially in the production of coil springs for mechanical movements, the roughness is important. The roughness of the surfaces of the coil springs should be as small as possible. The roughness can be measured and determined with different measuring devices: by means of manual methods, for example by the Rugotest; using profile-based methods, such as stylus methods; and by means of area-based methods, for example by optically planar methods.
Parallelitäts- oder Breitenschwankungen der Oxidschicht auf der Spiralfeder führen zu Abweichungen in der Ganggenauigkeit bei Temperaturschwankungen. Eine Breitenschwankung von 100nm führt zu einer Abweichung von 3 Sek/Tag, bei einer Temperaturdifferenz von 30 Grad Celsius. Eine Breitenschwankung einer Oxidschicht auf der Spiralfeder beträgt maximal 15%, bevorzugt 10% und besonders bevorzugt maximal. 5%/ der Gesamtbreite der Oxidschicht. Parallelism or width variations of the oxide layer on the coil spring lead to deviations in the accuracy of accuracy in the event of temperature fluctuations. A fluctuation of 100nm leads to a deviation of 3 sec / day, with a temperature difference of 30 degrees Celsius. A width variation of an oxide layer on the spiral spring amounts to a maximum of 15%, preferably 10% and more preferably maximum. 5% / the total width of the oxide layer.
Durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Spiralfeder wird auch ein weiterer Nachteil überwunden, dass durch eine inhomogene Verteilung der Rauheitsspitzen, also der Spitzen der Anker, entlang der Höhe der Spiralfeder auch inhomogene Breitenschwankungen der Oxidschicht entlang der Höhe der Spiralfeder entstehen. Dies beeinträchtigt das Schwingungsverhalten negativ. Die erfindungsgemäße Spi- ralfeder weist stattdessen eine homogene Verteilung der Rauheitsspitzen auf, was ein gleichmäßiges Schwingverhalten begünstigt. The above-described spiral spring according to the invention also overcomes a further disadvantage that, due to an inhomogeneous distribution of the roughness peaks, ie the tips of the armatures, inhomogeneous width fluctuations of the oxide layer along the height of the spiral spring arise along the height of the spiral spring. This adversely affects the vibration behavior. The inventive Instead, the spring has a homogeneous distribution of the roughness peaks, which promotes a uniform vibration behavior.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spiralfeder nimmt die mittlere Rauheit über die Anker der Bereiche maximal einen Wert aus dem Intervall 0,5 pm bis 10,0 pm an. Bevorzugt liegt die mittlere Rauheit im Intervall von 0, 1 pm bis 5,0 pm und weiter bevorzugt im Intervall von 0,3 m bis 3,0 pm. In one embodiment of the spiral spring according to the invention, the average roughness over the armatures of the regions assumes a maximum value from the interval 0.5 pm to 10.0 pm. The average roughness is preferably in the interval from 0.1 μm to 5.0 μm and more preferably in the interval from 0.3 μm to 3.0 μm.
Es ist ebenso möglich, dass bei der Spiralfeder die mittlere Rauheit über die Anker der Bereiche im Intervall von 0,001 pm bis 2,0 pm liegt. It is also possible that in the coil spring, the average roughness over the anchors of the ranges in the interval from 0.001 pm to 2.0 pm.
Die Verteilung der einzelnen Rauheiten der Anker der Bereiche sollte minimal sein. Die Frequenz bezüglich der Anzahl der Anker jeden Bereiches sollte maximal sein. The distribution of the individual roughnesses of the anchors of the areas should be minimal. The frequency with respect to the number of anchors of each area should be maximum.
Wie oben beschrieben, kann es eine nicht kompensierbare Temperaturdrift durch eine inhomogene Verteilung der Si-Kristalle und deren Orientierung über den Querschnitt der Spiralfeder geben. Um eine von der Temperaturdrift unabhängige Spiralfeder zu erhalten, ist erfindungsgemäß der Querschnitt der Spiralfeder derart aufgebaut, dass die Si-Kristalle über den Querschnitt der Spiralfeder im Wesentlichen homogen hinsichtlich ihrer Größe und Orientierung verteilt sind. As described above, there can be an uncompensatable temperature drift due to an inhomogeneous distribution of the Si crystals and their orientation across the cross section of the coil spring. In order to obtain a spiral spring which is independent of the temperature drift, according to the invention the cross section of the helical spring is constructed in such a way that the Si crystals are distributed essentially homogeneously with respect to their size and orientation over the cross section of the helical spring.
Ein mögliches Verfahren zur Herstellung mindestens eines Funktionselements für mechanische Uhrwerke umfasst die folgenden Schritte: One possible method for producing at least one functional element for mechanical movements comprises the following steps:
Homogenes Verteilen von Silizium-Partikeln bzw. Silizium-Kristallen über ei- nen jeweiligen Querschnitt der Funktionselemente hinsichtlich der Größe und der Orientierung der Silizium-Partikel bzw. Silizium-Kristalle; Homogeneous distribution of silicon particles or silicon crystals over a respective cross section of the functional elements with regard to the size and the orientation of the silicon particles or silicon crystals;
Herstellen eines Festkörpers durch Sintern der homogenisierten Mischung der im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikel; Producing a solid by sintering the homogenized mixture of the substantially isotropic silicon particles;
Vereinzeln des mindestens einen Funktionselements durch Abtrag des das jeweilige Funktionselement umgebenden Materials des Festkörpers. Neben dem Sintern der Silizium-Partikel bzw. Silizium-Kristalle sich auch andere Verfahren zur Herstellung eines Festkörpers aus Siliziummaterial denkbar. So kann der Festköper z.B. durch Sublimation, CVD, LPCVD, epitaktisches Abscheiden usw. gerhestellt werden. In einer Ausführungsform ist das Funktionselement eine Spiralfeder. Separating the at least one functional element by removing the material of the solid body surrounding the respective functional element. In addition to the sintering of the silicon particles or silicon crystals, other methods for producing a solid of silicon material are conceivable. For example, the solid can be prepared by sublimation, CVD, LPCVD, epitaxial deposition, etc. In one embodiment, the functional element is a spiral spring.
Eine homogene Verteilung der Silizium-Partikel bzw. Si-Kristalle, bevorzugt von amorphen und/oder monokristallinen Silizium-Partikeln bzw. Silizium-Kristallen, über den Querschnitt der Spiralfeder wird beispielsweise durch Tempern erreicht. Beim Tempern hat sich insbesondere eine Temperatur T größer oder gleich 800°C und eine Zeitdauer t des Temperns größer oder gleich 10 Stunden als vorteilhaft herausgestellt. Als Ergebnis erhält man gemäß Fig. 19 eine im Vergleich zu Figur 18 deutlich homogenere Verteilung der Si-Kristalle über den Querschnitt der Spiralfeder. Insbesondere weisen gemäß Fig. 20 Flächen F1 , F2, F3 beim Ausüben einer Kraft F die gleiche Biegefestigkeit auf und gewährleisten somit im Wesentlichen dieselbe Biegefestigkeit über die gesamte Windung der Spiralfeder. Daraus resultiert ein homogenes Schwingen und eine Torsion der Spiralfeder wird vermieden. A homogeneous distribution of the silicon particles or Si crystals, preferably of amorphous and / or monocrystalline silicon particles or silicon crystals, over the cross section of the spiral spring is achieved for example by annealing. During tempering, in particular, a temperature T greater than or equal to 800 ° C. and a time duration t of tempering greater than or equal to 10 hours have proven to be advantageous. As a result, according to FIG. 19, a distribution of the Si crystals, which is much more homogeneous than that of FIG. 18, over the cross section of the spiral spring is obtained. In particular, as shown in FIG. 20, surfaces F1, F2, F3 have the same bending strength when a force F is exerted, thus ensuring substantially the same bending strength over the entire turn of the coil spring. This results in a homogeneous swing and torsion of the coil spring is avoided.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellt eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit einer mit der Schwingungsebene der Spiralfeder zusammenfallenden Spiralfederebene E und einer senkrecht zu der Spiralfederebene E, durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder verlaufenden Spiralfederachse A zur Verfügung. Die Spiralfeder ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest fünf Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumoxid, zumindest einer zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium und zumindest einer vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht und die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehen, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer dritten, zwischen der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium und der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, und einer fünften, äußeren Schicht aus Siliziumoxid. In further embodiments of the present invention provides a spiral spring for mechanical movements with a coincident with the vibration plane of the spiral spring coil spring plane E and a perpendicular to the spiral spring plane E, extending through the center of the spiral spring coil spring axis A available. The spiral spring is constructed in a direction parallel to the coil spring axis A of at least five layers, namely a first, outer layer of silicon oxide, at least a second layer of polycrystalline silicon and at least a fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer and the fourth layer consist of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm, a third, between the second layer of polycrystalline silicon and the fourth layer of polycrystalline silicon arranged layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, and a fifth outer layer of silicon oxide.
Der Durchmesser der anisotropen Silizium- Kristalle beträgt 10nm bis 30000nm und deren Höhe 500nm bis 50pm. Der Durchmesser der isotropen Silizium-Kristalle be- trägt 1 nm bis 10000nm. The diameter of the anisotropic silicon crystals is 10nm to 30000nm and their height 500nm to 50pm. The diameter of the isotropic silicon crystals is 1 nm to 10000 nm.
Wie bereits erwähnt kommt es bei der Herstellung der Spiralfedern häufig zu Brüchen und Rissen der Federn, was einen hohen Materialausschuss nach sich zieht. Es kann vermutet werden, dass diese Brüche durch Spannungen im Silizium- Substrat bewirkt werden, die sich während des epitaktischen Abscheidens des po- lykristallinen Siliziums aufbauen. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass diese Spannungen deutlich vermindert werden können, wenn die Spiralfeder eine Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen aufweist, die zwischen zwei Schichten aus anisotropen Silizium-Kristallen angeordnet ist. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Spiralfeder aus zumindest fünf Schichten wird durch zwei äußere Schichten aus Siliziumoxid vervollständigt, durch die die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen vermindert wird. In ihrer allgemeinsten Form umfasst die vorliegende Erfindung also jede Art von Spiralfeder für mechanische Uhrwerke, bei der zwischen zwei äußeren Schichten aus Siliziumoxid zumindest zwei durch eine Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen voneinander getrennte Schichten aus anisotropen Silizium- Kristallen angeordnet sind. As already mentioned, fractures and tearing of the springs often occur in the production of the spiral springs, which entails a high scrap of material. It can be assumed that these fractures are caused by stresses in the silicon substrate which build up during the epitaxial deposition of the polycrystalline silicon. Surprisingly, it has now been found that these stresses can be significantly reduced if the spiral spring has an intermediate layer of substantially isotropic silicon crystals, which is arranged between two layers of anisotropic silicon crystals. The construction of the spiral spring according to the invention of at least five layers is completed by two outer layers of silicon oxide, by which the sensitivity of the coil spring is reduced to temperature fluctuations. Thus, in its most general form, the present invention encompasses any type of spiral spring for mechanical movements in which at least two layers of anisotropic silicon crystals separated from one another by a layer of substantially isotropic silicon crystals are arranged between two outer layers of silicon oxide.
Um ein möglichst konstantes Schwingverhalten der Spiralfeder und damit eine hohe und möglichst konstante Ganggenauigkeit des Uhrwerks zu erreichen, muss nämlich die Rückholkonstante der Spiralfeder möglichst konstant sein. Zur Minimie- rung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante wird im Falle von Spiralfedern aus Silizium die Tatsache ausgenutzt, dass Siliziumoxid einen, dem Silizium entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweist. Durch eine Beschichtung einer Silizium-Spiralfeder mit einem Überzug aus Siliziumoxid kann so die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden. In order to achieve a constant oscillation behavior of the coil spring and thus a high and as constant as possible accuracy of the movement, namely the Rückholkonstante the spiral spring must be as constant as possible. In order to minimize the temperature dependence of the return constant, in the case of spiral springs made of silicon, the fact is utilized that silicon oxide has a temperature coefficient of the modulus of elasticity opposite to the silicon. By coating a silicon spiral spring with a coating of silicon oxide, the temperature dependence of the modulus of elasticity of the spiral spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized. As a result, the sensitivity of the coil spring to temperature fluctuations can be minimized.
Die Dicke der Beschichtung aus Siliziumoxid, die für einen gegebenen Querschnitt der Spiralfeder erforderlich ist, um eine optimale Temperaturkompensation zu er- reichen, kann vom Fachmann problemlos berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Die so berechneten bzw. bestimmten Schichtdicken für den Siliziumoxid-Überzug sind tabellarisch verfügbar. Üblich sind Beschichtungen mit Dicken von 2 bis 8 pm. The thickness of the silicon oxide coating required for a given cross-section of the coil spring to achieve optimum temperature compensation can be readily calculated by one skilled in the art or simply determined experimentally. The calculated or determined layer thicknesses for the silicon oxide coating are available in tabular form. Common are coatings with thicknesses of 2 to 8 pm.
Bevorzugt ist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest fünf Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten Schicht aus Siliziumoxid, einer auf der ersten Schicht aus Siliziumoxid angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 3000 nm, bevorzugt 10 nm bis 1000 nm, und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 500nm, bevorzugt 2 pm bis 50 pm, aufweisen, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 1 nm bis 1000 nm, bevorzugt 10 nm bis 1000 nm, besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 3000 nm, bevorzugt 10 nm bis 1000 nm, und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 m bis 500nm, bevorzugt 2 pm bis 50 pm, aufweisen, und einer auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften Schicht aus Siliziumoxid. Preferably, the coil spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis A of at least five layers, namely a first layer of silicon oxide, a second layer of polycrystalline silicon disposed on the first layer of silicon oxide, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 3000 nm, preferably 10 nm to 1000 nm, and a height parallel to the coil spring axis A of 2 pm to 500nm, preferably 2 pm to 50 pm, a third polycrystalline silicon layer disposed on the second polycrystalline silicon layer, the third layer consisting of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 1 nm to 1000 nm, preferably 10 nm to 1000 nm, one on the third layer Polycrystalline silicon arranged fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists of anisotropic silicon crystals, the anisotropic silicon crystals having a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 3000 nm, preferably 10 nm to 1000 nm, and a height parallel to the coil spring axis A from 2 m to 500 nm, preferred 2 pm to 50 pm, and a fifth layer of silicon oxide disposed on the fourth layer of polycrystalline silicon.
In dieser Ausführungsform werden in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder die beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid unter vollständiger Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen gebildet. In der ferti- gen Spiralfeder stehen dann die beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid in direktem Kontakt mit jeweils einer Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen. In this embodiment, in the method for producing the spiral spring described in more detail below, the two outer layers of silicon oxide are formed with complete dissolution of the outer layers of substantially isotropic silicon crystals present before the oxidation. In the finished Spiral spring then stand the two outer layers of silicon oxide in direct contact with each one layer of anisotropic silicon crystals.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Spiralfeder, die in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest sechs Schichten aufgebaut ist, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumoxid, einer sechsten, auf der ersten Schicht aus Siliziumoxid angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die sechste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der sechsten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im We- sentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Hö- he parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, und einer auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften, äußeren Schicht aus Siliziumoxid. Also preferred is a helical spring which is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis A of at least six layers, namely a first, outer layer of silicon oxide, a sixth, arranged on the first layer of silicon oxide layer of polycrystalline silicon, wherein the sixth layer consists of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 10 nm to 1000 nm, arranged on the sixth layer of polycrystalline silicon second layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm have a third, arranged on the second layer of polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer of We - essential isotropic Silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, a fourth layer of polycrystalline silicon disposed on the third layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to Spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm, and arranged on the fourth layer of polycrystalline silicon fifth, outer layer of silicon oxide.
In dieser Ausführungsform wird in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder nur eine der beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid unter vollständiger Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen gebildet. Bei der Bildung der weiteren äußeren Schichten aus Siliziumoxid erfolgt im Laufe der Oxidation keine vollständige Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen. In der fertigen Spiralfe- der steht dann eine der beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid in direktem Kontakt mit einer Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen und die andere äußere Schicht aus Siliziumoxid steht in direktem Kontakt mit einer Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen, auf welche dann wieder eine Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen folgt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest sieben Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumoxid, einer sechsten, auf der ersten Schicht aus Siliziumoxid angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die sechste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium- Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der sechsten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium- Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristalli- nem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer siebten, auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die siebte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der siebten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften, äußeren Schicht aus Siliziumoxid. In this embodiment, only one of the two outer layers of silicon oxide with complete dissolution of the present before the oxidation outer layer of substantially isotropic silicon crystals is formed in the method described below in more detail for the preparation of the coil spring. During the formation of the further outer layers of silicon oxide, in the course of the oxidation no complete dissolution of the outer layer of essentially isotropic silicon crystals present before the oxidation takes place. In the finished spiral spring, one of the two outer layers of silicon oxide is in direct contact Contact with a layer of anisotropic silicon crystals and the other outer layer of silicon oxide is in direct contact with a layer of substantially isotropic silicon crystals, which then again followed by a layer of anisotropic silicon crystals. According to a further preferred embodiment, the spiral spring is constructed in a direction parallel to the coil spring axis A of at least seven layers, namely a first, outer layer of silicon oxide, a sixth, arranged on the first layer of silicon oxide layer of polycrystalline silicon, wherein the sixth layer consists of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 10 nm to 1000 nm, arranged on the sixth layer of polycrystalline silicon second layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm, a third, arranged on the second layer of polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer of the Substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, a arranged on the third layer of polycrystalline silicon fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 2 pm to 50 pm, a seventh, arranged on the fourth layer of polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the seventh layer of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, a fifth, outer layer of silicon oxide disposed on the seventh layer of polycrystalline silicon.
In dieser Ausführungsform werden in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder die beiden äußeren Schichten aus Silizi- umoxid nur unter teilweiser Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen gebildet. Bei der Bildung der beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid erfolgt im Laufe der Oxidation keine vollständige Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen. In der fertigen Spiralfeder ste- hen dann beide äußeren Schichten aus Siliziumoxid in direktem Kontakt mit einer Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen, auf welche dann wieder jeweils eine Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen folgt. In this embodiment, in the method for producing the spiral spring described in more detail below, the two outer layers of silicon oxide are only partially dissolved by the outer layer present before the oxidation Layers of essentially isotropic silicon crystals are formed. During the formation of the two outer layers of silicon oxide, in the course of the oxidation no complete dissolution of the outer layers of substantially isotropic silicon crystals present before the oxidation takes place. In the finished coil spring, both outer layers of silicon oxide are then in direct contact with a layer of essentially isotropic silicon crystals, which are then each followed by a layer of anisotropic silicon crystals.
Bevorzugt weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A zumindest eine weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen beste- hende Schicht und zumindest eine weitere aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht auf, wobei die weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium- Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist und die weitere aus anisotropen Silizium- Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Silizi- um-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist. Durch die gemäß dieser Ausführungsform vorgesehene zweite Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen werden die Spannungen im Silizium-Substrat weiter vermindert und Beschädigungen während des Herstellungsprozesses reduziert. The spiral spring preferably has at least one further layer consisting essentially of isotropic silicon crystals in one direction parallel to the spiral spring axis A and at least one further layer consisting of anisotropic silicon crystals, wherein the further layer consisting essentially of isotropic silicon crystals is arranged between two layers consisting of anisotropic silicon crystals and the further layer consisting of anisotropic silicon crystals is arranged between two layers consisting of essentially isotropic silicon crystals. The second intermediate layer of essentially isotropic silicon crystals provided according to this embodiment further reduces the stresses in the silicon substrate and reduces damage during the production process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A n weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehende Schichten und n weitere aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehende Schichten auf, wobei jede weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist und jede weitere aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist, wobei n eine natürliche Zahl aus dem Intervall [ 1 ; 200 ] ist; bevorzugt ist n aus dem Intervall [ 1 ; 20 ]. Durch weitere Zwischenschichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen werden die Spannungen im Silizium-Substrat zusätz- lieh vermindert und Beschädigungen während des Herstellungsprozesses praktisch auf Null reduziert. According to a further preferred embodiment of the present invention, the spiral spring in a direction parallel to the spiral spring axis A n further consisting of substantially isotropic silicon crystals layers and n further consisting of anisotropic silicon crystals layers, each further consists of substantially isotropic silicon crystals Crystalline layer is disposed between two layers consisting of anisotropic silicon crystals and each further consisting of anisotropic silicon crystals layer between two consisting of substantially isotropic silicon crystals layers is arranged, where n is a natural number from the interval [1; 200] is; preferably, n is selected from the interval [1; 20]. Further intermediate layers of essentially isotropic silicon crystals additionally increase the stresses in the silicon substrate. lely reduced and damage during the manufacturing process practically reduced to zero.
Bevorzugt weist die erste und/oder die fünfte Schicht aus Siliziumoxid eine Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 8 pm auf. Durch eine Dicke der Silizi- umoxid-Schicht von 2 pm bis 8 pm kann die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Preferably, the first and / or the fifth layer of silicon oxide has a thickness parallel to the spiral spring axis A of 2 pm to 8 pm. By a thickness of the silicon oxide layer of 2 pm to 8 pm, the temperature dependence of the elastic modulus of the spiral spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized.
Besonders bevorzugt weisen die aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten eine Schichtdicke parallel zur Spiralfederachse A von 20 nm bis 5 pm auf. Eine Schichtdicke von 20 nm bis 5 pm hat sich als ideal in Bezug auf die Verminderung von Spannungen in dem Silizium-Substrat herausgestellt. Particularly preferably, the layers consisting of essentially isotropic silicon crystals have a layer thickness parallel to the spiral spring axis A of 20 nm to 5 μm. A layer thickness of 20 nm to 5 pm has been found to be ideal in terms of reducing stresses in the silicon substrate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten eine Schichtdicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 150 pm auf. Eine Schichtdicke von 2 pm bis 150 pm hat sich als hervorragend geeignet zur Verhinderung von Spannungen im Material und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder herausgestellt. According to a further preferred embodiment, the layers consisting of anisotropic silicon crystals have a layer thickness parallel to the spiral spring axis A of 2 μm to 150 μm. A layer thickness of 2 μm to 150 μm has proven to be outstandingly suitable for preventing stresses in the material and for achieving an excellent vibration behavior of the spiral spring.
Besonders bevorzugt weisen die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 20 nm bis 500 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 m bis 20 pm auf. Kristalle mit den genannten Abmessungen haben sich als ausgezeichnet geeignet zur Verhinderung von Spannungen im Material und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder herausgestellt. Wie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch beschrieben wird, stellt es für den Fachmann keine Schwierigkeit dar, im Rahmen einer CVD-Abscheidung die Prozessparameter so zu steuern, dass Kristalle in der gewünschten Dimensionierung aufwachsen. Particularly preferably, the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 20 nm to 500 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 5 m to 20 pm. Crystals with the dimensions mentioned have proven to be excellent for preventing stresses in the material and for achieving excellent vibration behavior of the coil spring. As will be described below in connection with the method according to the invention, it will not be difficult for a person skilled in the art to control the process parameters in the context of a CVD deposition in such a way that crystals grow in the desired dimensioning.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser von 20 nm bis 400 nm, bevorzugt 50 nm bis 100 nm auf. Durch Zwischenschichten, die aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 20 nm bis 400 nm, bevorzugt 50 nm bis 100 nm aufgebaut sind, werden Spannungen im Silizium-Substrat besonders stark vermindert. Bevorzugt beträgt die Fläche einer die Spiralfederachse A beinhaltenden Schnittebene der Spiralfeder von 0,001 mm2 bis 0,01 mm2 und/oder die Höhe der Spiralfeder parallel zur Spiralfederachse A von 0,05 mm bis 0,3 mm. Durch eine Querschnittsfläche und/oder eine Höhe in der genannten Größenordnung ergeben sich besonders gute Eigenschaften hinsichtlich des Schwingverhaltens. Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit den Schritten Bereitstellen eines Silizium- Wafers, wobei der Silizium-Wafer eine Opferschicht aus Siliziumdioxid aufweist, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer ersten, auf der Siliziumdioxid-Opferschicht angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die erste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der ersten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle ei- nen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer fünften, auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die fünfte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, Strukturierung der Spiralfeder durch ein materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren, Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durch Auflösen der Opferschicht aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens, Durchführung einer Oxidation zur Erzeugung einer zumindest eine sechste und eine siebte Schicht aus Siliziumoxid umfassenden Siliziumoxid- Oberflächenbeschichtung der Spiralfeder, wobei die Ausbildung der sechsten Schicht aus Siliziumoxid unter Auflösung zumindest eines Teils der ersten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schicht erfolgt und die Ausbildung der siebten Schicht aus Siliziumoxid unter Auflösung zumindest eines Teils der fünften aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schicht erfolgt. Grundsätzlich sind die Prozessparameter für die Durchführung eines Niederdruck Chemical Vapor Deposition (LPCVD) Verfahrens ebenso wie die Prozessparameter für die Durchführung eines Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahrens zur Ab- scheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase dem Fachmann bekannt. Durch Variation von Druck und Temperatur in der jeweiligen Reaktorkammer können Ge- schwindigkeit und Art der Abscheidung des Kohlenstoffs und damit die Kristallbildung auf der Siliziumdioxid-Opferschicht des Silizium-Wafers gesteuert werden. According to another preferred embodiment of the present invention, the substantially isotropic silicon crystals have a diameter of 20 nm to 400 nm, preferably 50 nm to 100 nm. By intermediate layers, which are composed of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 20 nm to 400 nm, preferably 50 nm to 100 nm, stresses in the silicon substrate are particularly greatly reduced. The area of a cutting plane of the spiral spring containing the spiral spring axis A is preferably from 0.001 mm 2 to 0.01 mm 2 and / or the height of the spiral spring parallel to the spiral spring axis A is from 0.05 mm to 0.3 mm. By a cross-sectional area and / or a height in the mentioned order of magnitude, particularly good properties with respect to the vibration behavior result. The present invention also includes a method of making a helical spring for mechanical timepieces comprising the steps of providing a silicon wafer, wherein the silicon wafer comprises a sacrificial layer of silicon dioxide, performing an LPCVD method of forming a first sacrificial layer disposed on the silicon dioxide sacrificial layer A layer of polycrystalline silicon, wherein the first layer consists of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, performing a CVD method for forming a second layer of polycrystalline silicon disposed on the first layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 2 pm to 50 pm, performing an LPCVD method to the training a third, arranged on the second layer of polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer consists of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, performing a CVD method for forming one on the third Layer of polycrystalline silicon arranged fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer consists of anisotropic silicon crystals, wherein the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 2 pm to 50 pm, implementation an LPCVD method for forming a fifth layer of polycrystalline silicon disposed on the fourth polycrystalline silicon layer, the fifth layer consisting of substantially isotropic silicon crystals having a diameter of 10 nm to 1000 nm, structuring the coil spring by a material-removing layer Etching or cutting method, detaching the coil spring from the silicon wafer by dissolving the sacrificial layer of silicon dioxide by means of an etching process, performing an oxidation to produce a silicon oxide surface coating of the spiral spring comprising at least a sixth and a seventh layer of silicon oxide, wherein the formation of the 6th layer of silicon oxide with dissolution of at least a portion of the first consisting of substantially isotropic silicon crystals layer and the formation of the seventh layer of silicon oxide with dissolution of at least a portion of the fifth in Wese natural isotropic silicon crystal layer exists. In principle, the process parameters for carrying out a low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process, as well as the process parameters for carrying out a chemical vapor deposition (CVD) process for the removal of carbon from the gas phase, are known to the person skilled in the art. By varying the pressure and temperature in the respective reactor chamber, the speed and type of deposition of the carbon and thus the crystal formation on the silicon dioxide sacrificial layer of the silicon wafer can be controlled.
Die Strukturierung der Spiralfeder erfolgt durch ein dem Fachmann an sich bekanntes materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren. Der Materialabtrag kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken vorgenommen werden. The structuring of the spiral spring takes place by a person skilled in the known per se material-removing etching or cutting process. The material removal can be carried out, for example, by means of an etching process with the aid of photomasks.
Nachfolgend wird die Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durch Auflösen der Opferschicht aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens abgelöst. Chemische Ätzverfahren unter Verwendung von beispielsweise Flusssäure sind dem Fachmann allgemein bekannt. Die nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durchgeführte Oxidation erfolgt nach einem dem Fachmann geläufigen Verfahren. So kann beispielsweise eine thermische Oxidation bei erhöhten Temperaturen vorgenommen werden. Da die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durchgeführt wird, ist die Spiralfeder von allen Seiten zugänglich, wodurch sich eine äußere Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung ausbildet. Im Laufe der Ausbildung der Siliziumoxid-Schicht werden die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ausgebildete erste und fünfte, aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten zumindest teilweise oxidiert und damit zumindest zum Teil als Schicht aus polykristallinem Silizium aufgelöst bzw. zumindest zum Teil in eine Schicht aus Siliziumoxid umgewandelt. Subsequently, the spiral spring is detached from the silicon wafer by dissolving the sacrificial layer of silicon dioxide by means of an etching process. Chemical etching processes using, for example, hydrofluoric acid are well known to those skilled in the art. The oxidation carried out after detachment of the spiral spring from the silicon wafer takes place according to a method familiar to the person skilled in the art. Thus, for example, a thermal oxidation can be carried out at elevated temperatures. Since the oxidation is carried out after the detachment of the coil spring from the silicon wafer, the coil spring is accessible from all sides, whereby an outer silica surface coating is formed. In the course of the formation of the silicon oxide layer, the first and fifth layers consisting of essentially isotropic silicon crystals which are initially formed by the method according to the invention are at least partially oxidized and thus at least partially dissolved as a layer of polycrystalline silicon or at least partially into one Layer of silicon oxide converted.
Wird die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer für einen längeren Zeitraum durchgeführt, so erfolgt eine vollständige Auflösung der zunächst ausgebildeten ersten und/oder fünften, aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten. Eine oder beide der Schichten werden dadurch in Schichten aus Siliziumoxid umgewandelt. If the oxidation is carried out after the detachment of the spiral spring from the silicon wafer for a longer period of time, a complete dissolution of the initially formed first and / or fifth layers consisting of essentially isotropic silicon crystals takes place. One or both of the layers are thereby converted into layers of silicon oxide.
Bevorzugt wird das LPCVD-Verfahren für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfeder- achse A von 0,2 pm bis 1 pm ausbildet. Mit LPCVD-Verfahren sind relativ niedrige Schichtabscheideraten von ca. 20 nm/min verbunden. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 0,2 pm bis 1 pm sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen. The LPCVD process is preferably carried out for a period in which a layer of polycrystalline silicon with a thickness parallel to the spiral spring axis A of from 0.2 μm to 1 μm is formed. With LPCVD process relatively low Schichtabscheideraten of about 20 nm / min are connected. The preferred layer thicknesses of 0.2 μm to 1 μm in the context of the present invention can thus be achieved within acceptable process times.
Das CVD-Verfahren wird bevorzugt für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 150 pm ausbildet. Mit den im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Prozessparametern werden bei CVD-Verfahren Schichtabscheideraten von 1 pm/min bis 5 pm/min erreicht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 2 m bis 150 m sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen. The CVD method is preferably carried out for a period of time in which a layer of polycrystalline silicon having a thickness parallel to the spiral spring axis A of 2 pm to 150 pm is formed. With the process parameters preferred in the context of the present invention, layer deposition rates of 1 μm / min to 5 μm / min are achieved in CVD methods. In the context of the present invention preferred layer thicknesses of 2 m to 150 m can thus be achieved within acceptable process times.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 8 pm ausbildet. Durch eine Dicke der Siliziumoxid-Schicht von 2 pm bis 8 pm kann die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Bevorzugt wird das CVD-Verfahren bei einer Prozesstemperatur zwischen 600°C und 1200°C, besonders bevorzugt zwischen 960°C und 1060°C ausgeführt. Bei den genannten Prozesstemperaturen bilden sich Schichten aus polykristallinem Silizium aus, welche aus anisotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und einer Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufgebaut sind. Diese weisen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung von Spannungen und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder auf. According to a further preferred embodiment of the present invention, the oxidation is carried out after the detachment of the coil spring from the silicon wafer for a period in which a layer of silicon oxide with a thickness parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 8 pm is formed. By a thickness of the silicon oxide layer of 2 pm to 8 pm, the temperature dependence of the elastic modulus of the coil spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized. Preferably, the CVD process is carried out at a process temperature between 600 ° C and 1200 ° C, more preferably between 960 ° C and 1060 ° C. At the mentioned process temperatures, layers of polycrystalline silicon are formed, which are composed of anisotropic silicon crystals with a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 2 pm to 50 pm. These have excellent properties with respect to the prevention of stress and to achieve excellent vibration behavior of the coil spring.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das CVD-Verfahren bei einem Prozessdruck zwischen 2,7- 103 Pa und 13,3- 103 Pa ausgeführt. Bei den ge- nannten Prozessdrucken bilden sich Schichten aus polykristallinem Silizium aus, welche aus anisotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und einer Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufgebaut sind. Diese weisen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung von Spannungen und zum Erreichen ei- nes ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder auf. According to another preferred embodiment, the CVD process is carried out at a process pressure of between 2.7-10 3 Pa and 13.3-10 3 Pa. In the process pressures mentioned, layers of polycrystalline silicon are formed, which are made up of anisotropic silicon crystals having a diameter parallel to the spiral spring plane E of 10 nm to 1000 nm and a height parallel to the spiral spring axis A of 2 pm to 50 pm. These have excellent properties in terms of preventing stress and achieving excellent vibratory behavior of the coil spring.
Besonders bevorzugt wird das LPCVD-Verfahren und/oder das CVD-Verfahren unter Verwendung von Silan oder Dichlorsilan als Prozessgas durchgeführt. Bei Verwendung dieser Prozessgase bilden sich die gewünschten Schichten innerhalb relativ kurzer Prozesszeiten aus. Bevorzugt wird das CVD-Verfahren mit einem gegenüber dem LPCVD-Verfahren erhöhten Gasfluss, einem erhöhten Prozessdruck und einer erhöhten Prozesstemperatur durchgeführt. Durch die genannte Veränderung der Prozessparameter kann die Ausbildung der gewünschten unterschiedlichen Schichten gesteuert werden. Bevorzugt wird das CVD-Verfahren bei Prozessparametern durchgeführt, die zur Abscheidung einer Schichtdicke von 1 pm bis 5 pm pro Minute führen. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 2 pm bis 150 pm sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen. Particularly preferably, the LPCVD process and / or the CVD process is carried out using silane or dichlorosilane as the process gas. When using these process gases, the desired layers form within relatively short process times. The CVD process is preferably carried out with an increased gas flow compared to the LPCVD process, an increased process pressure and an elevated process temperature. By the mentioned change of the process parameters, the formation of the desired different layers can be controlled. Preferably, the CVD method is carried out at process parameters that lead to the deposition of a layer thickness of 1 pm to 5 pm per minute. The preferred layer thicknesses of from 2 μm to 150 μm in the context of the present invention can thus be achieved within acceptable process times.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Spiralfeder für eine mechanische Uhr, wobei die Spiralfeder nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. The present invention also includes a helical spring for a mechanical watch, wherein the helical spring is made according to one of the methods described above.
Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung eine mechanische Uhr mit einer der oben beschriebenen Spiralfedern. In addition, the present invention includes a mechanical watch with one of the coil springs described above.
Wie oben bereits beschrieben, sollten die Funktionselemente einer mechanischen Uhr sollten in ihrem Bewegungsverhalten im Idealfall keine Temperaturabhängig- keit zeigen. Zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens von aus Silizium gefertigten Funktionselementen wird die Tatsache ausgenutzt, dass Siliziumoxid einen, dem Silizium entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweist. Durch eine Beschichtung eines Funktionselements aus Silizium mit einem Überzug aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid und dem Eindringen von Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid in das Funktionselement kann die Empfindlichkeit des Funktionselements gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden. As already described above, the functional elements of a mechanical timepiece should ideally show no temperature dependence in their motion behavior. To minimize the temperature dependence of the movement behavior of functional elements made of silicon, the fact is exploited that silicon oxide has a temperature coefficient of the modulus of elasticity opposite to the silicon. By coating a functional element made of silicon with a coating of silicon oxide or silicon dioxide and the penetration of silicon oxide or silicon dioxide into the functional element, the sensitivity of the functional element to temperature fluctuations can be reduced to a minimum.
Auf dem Funktionselement wird durch eine thermische Oxidation eine Oberflächen- beschichtung aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid erzeugt und im Funktionselement bilden sich ebenfalls durch die thermische Oxidation eine Vielzahl von Ankern aus. Die Anker dringen in das Material des Funktionselements ein und sorgen für eine Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens des Funktionselements. Die im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikel weisen bevorzugt einen Durchmesser von 0,03 pm bis 1 pm auf. Die im Festkörper ausgebildeten Poren haben bevorzugt einen Durchmesser von 0,01 m bis 0,3pm. On the functional element, a surface coating of silicon oxide or silicon dioxide is produced by a thermal oxidation and in the functional element a plurality of armatures are likewise formed by the thermal oxidation. The anchors penetrate into the material of the functional element and provide for a temperature dependence of the movement behavior of the functional element. The substantially isotropic silicon particles preferably have a diameter of 0.03 pm to 1 pm. The solids formed in the solid pores preferably have a diameter of 0.01 m to 0.3 pm.
Der durch das Sintern erzeugte Festkörper weist eine Dichte von zumindest 95% und bevorzugt von zumindest 99% der Dichte von kristallinem Silizium auf. The solid produced by sintering has a density of at least 95% and preferably at least 99% of the density of crystalline silicon.
Durch das Zusammenspiel der Größe der verwendeten Silizium-Partikel und der Größe der nach dem Sintern im Festkörper gebildeten Poren, erhält man Funktionselemente, deren Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung und auch die Ausbildung der Anker in deutlich verringerter Reaktionszeit erzeugt werden. Daraus resultiert eine weiter verbesserte mechanische Stabilität bei gleichzeitig minimierter Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens. Due to the interplay of the size of the silicon particles used and the size of the pores formed in the solid after sintering, functional elements are obtained whose silicon oxide surface coating and also the formation of the anchors are produced in a significantly reduced reaction time. This results in a further improved mechanical stability while minimizing the temperature dependence of the movement behavior.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einem deutlich reduzierten Zeitaufwand für die Erzeugung der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung aus. Durch den Einsatz von im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikeln, mit den oben beschrie- benen Eigenschaften bilden sich beim Sintern die Poren mit den oben beschriebenen Eigenschaften aus. The process according to the invention has a significantly reduced expenditure of time for the production of the silicon oxide surface coating. Through the use of essentially isotropic silicon particles, with the properties described above, the pores with the properties described above form during sintering.
Bei der Erzeugung der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung kann die Oxidation des Siliziums aufgrund der auch an der Oberfläche lokalisierten Poren schneller voranschreiten, da eine größere Oberfläche der im Festkörper vorhandenen Silizi- um-Partikel für die Oxidation zugänglich ist. Es bilden sich somit Anker im Funktionselement durch die thermische Oxidation derart aus, dass sich die Anker aus Siliziumoxid zumindest teilweise bis in eine zweite Schicht aus Silizium-Partikel erstrecken. In the formation of the silicon oxide surface coating, the oxidation of the silicon can proceed more rapidly due to the pores also located on the surface, since a larger surface area of the silicon particles present in the solid body is accessible for the oxidation. Thus, anchors in the functional element are formed by the thermal oxidation such that the anchors of silicon oxide extend at least partially into a second layer of silicon particles.
Beispielsweise kann durch die Beschichtung einer Silizium-Spiralfeder mit einem Überzug aus Siliziumoxid die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden. Mit voranschreitender Oxidation bilden sich im Material des Funktionselements die Siliziumoxid-Anker aus, die bis in die zweite oder dritte Schicht von Silizium- Partikeln in das Funktionselement hineinragen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass diese Siliziumoxid-Anker dem Funktionselement eine deutlich verbes- serte mechanische Stabilität verleihen. For example, by coating a silicon spiral spring with a coating of silicon oxide, the temperature dependence of the modulus of elasticity of the coil spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized. As a result, the sensitivity of the coil spring to temperature fluctuations can be minimized. With progressing oxidation, the silicon oxide anchors are formed in the material of the functional element, which protrude into the functional element into the second or third layer of silicon particles. Surprisingly, it has been found that these silicon oxide anchors impart a significantly improved mechanical stability to the functional element.
Diese erhöhte mechanische Stabilität tritt neben der bekannten, durch eine Silizi- umoxid-Oberflächenbeschichtung bewirkten Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens des Funktionselements auf. This increased mechanical stability occurs in addition to the known minimization of the temperature dependence of the movement behavior of the functional element caused by a silicon oxide surface coating.
Die bei den genannten Verfahren anfallenden Silizium-Partikel weisen eine „im Wesentlichen isotrope" Form auf. Unter dem Begriff„im Wesentlichen isotrop" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Partikel verstanden, die keine deutlich ausgebildete Vorzugsrichtung aufweisen. Die Silizium-Partikel weisen keine ideale isotrope Form auf, da sie nicht als Kugeln ausgebildet werden, sondern leichte Unregelmäßigkeiten wie Kanten und kleine, ebene Flächen aufweisen. Unter dem Durchmesser eines im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikels wird der maximale Durchmesser des Silizium-Partikels verstanden. The silicon particles obtained in the abovementioned processes have a "substantially isotropic" form. The term "substantially isotropic" in the context of the present invention means particles which have no clearly defined preferred direction. The silicon particles do not have an ideal isotropic shape because they are not formed as spheres but have slight irregularities such as edges and small, flat surfaces. The diameter of a substantially isotropic silicon particle is understood to mean the maximum diameter of the silicon particle.
Die erfindungsgemäß vorgesehene isostatische Pressmethode beruht auf dem physikalischen Gesetz, dass sich der Druck in Flüssigkeiten und Gasen allseitig gleichmäßig fortpflanzt und auf den beaufschlagten Flächen Kräfte erzeugt, die zu diesen Flächen direkt proportional sind. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine mit Silizium-Partikeln gefüllte Pressform in den Druckbehälter einer Pressanlage eingebracht. Der Druck, der über die Flüssigkeit in dem Druckbehälter allseitig auf die Pressform wirkt, komprimiert das eingeschlossene Silizium-Pulver gleichmäßig. Als Bindemittel werden bevorzugt Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral, Polyethyl- englykol und deren Gemische verwendet. Diese Bindemittel haben sich als besonders gut geeignet für die Verwendung bei der Herstellung von Funktionselementen für mechanische Uhren herausgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Silizium-Partikel und Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis Silizium-Partikel zu Bindemittel von 100:0, 1 bis zu 100:3 eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Silizium-Partikel und Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis Silizium-Partikel zu Bin- demittel von 100:0,2 bis zu 100:2, und insbesondere bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von 100:0,5 bis zu 100: 1 eingesetzt. Die genannten bevorzugten Mengen an Bindemittel sind einerseits groß genug, um für eine ausreichende Verbindung der Silizium-Partikel im Rahmen des Homogenisierungsschritts zu sorgen, und andererseits gering genug, um nach dem Verdichtungsschritt problemlos aus dem Festkörper entfernt werden zu können. The isostatic pressing method provided according to the invention is based on the physical law that the pressure in liquids and gases propagates uniformly on all sides and generates forces on the applied surfaces which are directly proportional to these surfaces. In the method according to the invention, a mold filled with silicon particles is introduced into the pressure vessel of a press plant. The pressure acting on all sides of the mold via the liquid in the pressure vessel uniformly compresses the enclosed silicon powder. The binders used are preferably polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyethylene glycol and mixtures thereof. These binders have been found to be particularly suitable for use in the manufacture of functional elements for mechanical watches. According to a preferred embodiment of the present invention, silicon particles and binder in a weight ratio of silicon particles to binder of 100: 0, 1 to 100: 3 are used. Particular preference is given to using silicon particles and binders in a weight ratio of silicon particles to binder of from 100: 0.2 to 100: 2, and particularly preferably in a weight ratio of from 100: 0.5 to 100: 1. The said preferred amounts of binder are on the one hand large enough to provide a sufficient connection of the silicon particles in the Homogenisierungsschritts, and on the other hand low enough to be removed easily after the compression step from the solid can.
Besonders bevorzugt wird dem Bindemittel vor dem Vermischen mit den Silizium-Partikeln Ethanol zugefügt, insbesondere bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von Ethanol zu Silizium-Partikel von rund 5: 1 . Ethanol is particularly preferably added to the binder before mixing with the silicon particles, in particular preferably in a weight ratio of ethanol to silicon particles of about 5: 1.
Das M ischen von Si l izium-Partikeln und B indem ittel erfolgt bevorzugt durch Aufsprühen des Bindemittels auf die Silizium-Partikel. M ischen of Si l silicon particles and B ittel preferably carried out by spraying the binder on the silicon particles.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Homogenisieren der Mischung von Silizium-Partikeln und Bindemittel durch Mahlen in einer Kugelmühle für einen Zeitraum von 2 bis 24 Stunden erfolgt. Insbesondere bevorzugt erfolgt das Mahlen in der Kugelmühle bei gleichzeitiger Vakuumentgasung. Besondere Bedeutung für die Ausbildung der gewünschten Poren besitzt der Schritt des Verdichtens der homogenisierten Mischung aus Silizium-Partikeln und Bindemittel zu einem Festkörper. In Folge der Anwendung kaltisostatischen oder heißisostatischen Pressens wird der Druck von allen Richtungen gleichmäßigen auf das Siliziumpulver ausgeübt. Das heißisostatische Pressen verbessert durch Er- wärmung zudem die Struktur des sich ausbildenden Silizium-Festkörpers. Particularly good results can be achieved if the homogenization of the mixture of silicon particles and binder by milling in a ball mill for a period of 2 to 24 hours. Particularly preferably, the milling takes place in the ball mill with simultaneous vacuum degassing. Of particular importance for the formation of the desired pores has the step of compacting the homogenized mixture of silicon particles and binder to a solid. As a result of the application of cold isostatic or hot isostatic pressing, the pressure is uniformly applied to the silicon powder from all directions. The hot isostatic pressing also improves the structure of the forming silicon solid by heating.
Grundsätzlich kann ein heißisostatisches Pressen bei 10 bis 800 MPa und 30°C bis 1400°C durchgeführt werden. Ausgezeichnete Eigenschaften der Funktionselemente ergeben sich, wenn das Verdichten bei einer Temperatur von 600°C bis 1400 °C oder bei einem Druck von 100 bis 300 MPa erfolgt. Insbesondere bevorzugt erfolgt das Verdichten bei einer Temperatur von 600°C bis 1400 °C und bei einem Druck von 100 bis 300 MPa. In principle, a hot isostatic pressing at 10 to 800 MPa and 30 ° C to 1400 ° C can be performed. Excellent properties of the functional elements arise when compacting at a temperature of 600 ° C to 1400 ° C or at a pressure of 100 to 300 MPa. Particularly preferably, the compression is carried out at a temperature of 600 ° C to 1400 ° C and at a pressure of 100 to 300 MPa.
Bevorzugt wird die homogenisierte Mischung aus Silizium-Partikeln und Bindemittel vor dem Verdichtungsschritt bei einer Temperatur von 100°C bis 120 °C vorgewärmt. Das Verdichten erfolgt bevorzugt für einen Zeitraum von 2 bis 4 Stunden. Preferably, the homogenized mixture of silicon particles and binder is preheated prior to the densification step at a temperature of 100 ° C to 120 ° C. The compression is preferably carried out for a period of 2 to 4 hours.
Besonders gute Eigenschaften weisen die hergestellten Funktionselemente auf, wenn der durch den Verdichtungsschritt erzeugte Festkörper Poren mit einem maximalen Durchmesser von 0,001 pm bis 1 pm aufweist. The functional elements produced have particularly good properties if the solid produced by the compacting step has pores with a maximum diameter of 0.001 μm to 1 μm.
Aus dem Silizium-Festkörper wird in der dem Fachmann bekannten Weise das Funktionselement durch Abtrag des das Funktionselement umgebenden Materials vereinzelt. Der Materialabtrag erfolgt dabei bevorzugt durch Ätzen oder Ausschneiden. Das Ätzen erfolgt besonders bevorzugt durch ein Trockenätzverfahren, das Ausschneiden erfolgt besonders bevorzugt durch Laserschneiden. Die genannten Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb deren Einsatz im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fachmann kein Problem darstellt. From the silicon solid body, the functional element is separated by removal of the material surrounding the functional element in the manner known to those skilled in the art. The material removal is preferably carried out by etching or cutting. The etching is particularly preferably carried out by a dry etching process, the cutting is particularly preferably carried out by laser cutting. The methods mentioned are known from the prior art, which is why their use in the context of the method according to the invention is not a problem for the person skilled in the art.
Bevorzugt wird die Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung durch eine thermische Oxidation erzeugt. Dabei wirkt Sauerstoff bei erhöhter Temperatur auf das Funkti- onselement ein. Durch die Zeitdauer der Oxidation kann die Dicke der Siliziumoxid- Oberflächenbeschichtung gesteuert werden. Die genauen Parameter einer thermischen Oxidation zur Bildung einer Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Deren Auffinden für einen bestimmten Oxidations- vorgang stellt für den Fachmann daher kein Problem dar. Grundsätzlich kann durch das erfindungsgemäße Verfahren jede Art von Funktionselement für mechanische Uhren hergestellt werden. Bevorzugt handelt es sich bei den Funktionselementen um eine Spiralfeder, ein Zahnrad, ein Gangrad, ein Ankerrad, einen Anker, einen Unruhreif oder eine Welle. Besondere Vorteile erge- ben sich bei der Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhren, da für dieses Funktionselement eine besonders hohe mechanische Stabilität und ein besonders temperaturunabhängiges Schwingungsverhalten erforderlich sind. Preferably, the silica surface coating is produced by thermal oxidation. In this case, oxygen acts on the functional element at elevated temperature. By the duration of the oxidation, the thickness of the silicon oxide surface coating can be controlled. The precise parameters of thermal oxidation to form a silica surface coating are well known in the art. Their finding for a specific oxidation process is therefore no problem for the person skilled in the art. In principle, any type of functional element for mechanical watches can be produced by the method according to the invention. The functional elements are preferably a helical spring, a toothed wheel, a gear wheel, an escape wheel, an armature, a riff free or a shaft. Special advantages ben in the production of a coil spring for mechanical watches, since a particularly high mechanical stability and a particularly temperature-independent vibration behavior are required for this functional element.
Das erfindungsgemäße Funktionselement zeichnet sich dadurch aus, dass ein aus isotropen Silizium-Partikeln durch isostatisches Verdichten hergestellter Festkörper eine Vielzahl von Poren ausgebildet hat, die einen maximalen Durchmesser von 0,001 pm bis 1 pm aufweisen. Das Funktionselement trägt eine Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung auf dem Funktionselement. Ferner sind mehrere Anker aus Siliziumoxid im Festkörper ausgebildet, die sich im Festkörper des Funktionselements zumindest bis zu einer zweiten Schicht aus Silizium-Partikel erstrecken. Bevorzugt weisen die im Festkörper ausgebildeten Poren einen Durchmesser von 0,01 pm bis 0,3pm auf. The functional element according to the invention is characterized in that a solid produced from isotropic silicon particles by isostatic compaction has formed a multiplicity of pores having a maximum diameter of 0.001 μm to 1 μm. The functional element carries a silicon oxide surface coating on the functional element. Furthermore, a plurality of silicon oxide anchors are formed in the solid body, which extend in the solid state of the functional element at least up to a second layer of silicon particles. The pores formed in the solid body preferably have a diameter of 0.01 μm to 0.3 μm.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine mechanische Uhr mit einem Funktionselement, das erfindungsgemäß ausgebildet ist. Sämtliche oben genannten bevorzugten Ausführungsformen können einzeln oder in Kombination mit anderen bevorzugten Ausführungsformen die erfindungsgemäße Spiralfeder weiterbilden. The present invention also includes a mechanical watch having a functional element formed according to the invention. All of the above-mentioned preferred embodiments may individually or in combination with other preferred embodiments further develop the coil spring according to the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen- hang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. In den Figuren zeigen The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings. The proportions in the figures do not always correspond to the actual size ratios, as some shapes are simplified and other shapes are shown enlarged in relation to other elements for ease of illustration. In the figures show
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausfürhungsfrom einer Spiralfeder, die bei einer mechanischen Uhr eingesetzt wird; Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of a coil spring used in a mechanical timepiece;
Fig. 2 eine schamtischen Ansicht eines Querschnitts durch eine Windung der Spiralfeder; Fig. 3 vergrößerte Darstellung des Queschnitts durch die Spiralfeder, wobei auf einer Ausenfläche eine Schicht aus Siliziumdioxid aufgebracht ist; Figure 2 is a Schamtischen view of a cross section through a turn of the coil spring. Fig. 3 is an enlarged view of the Queschnitts by the coil spring, wherein on a Ausenfläche a layer of silicon dioxide is applied;
Fig. 4 eine schematische Detailansicht eines Ankers der sich aus der Schicht aus Siliziumdioxid in das Kern aus Silizium hinein erstreckt; Fig. 5 eine andere schematische Darstellung eines Schnitts durch die Spiralfeder wobei der Siliziumkern der Spiralfeder in seiner kristallinen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform aufgebaut ist; Fig. 4 is a schematic detail view of an armature extending from the layer of silicon dioxide into the core of silicon; Fig. 5 is another schematic representation of a section through the coil spring wherein the silicon core of the coil spring is constructed in its crystalline structure according to a first embodiment;
Fig. 6 eine andere schematische Darstellung eines Schnitts durch die Spiralfeder, die gemäß einer weiteren Ausführungsform aufgebaut ist; Fig. 7 eine Draufsicht auf einen mit einem Sinterprozess hergestellten Si-Wafer, bei dem bereits die Spiralfedern durch Ätzen oder Ausschneiden hergestellt wurden; Fig. 6 is another schematic representation of a section through the coil spring, which is constructed according to a further embodiment; FIG. 7 is a plan view of a Si wafer produced by a sintering process in which the coil springs have already been produced by etching or cutting; FIG.
Fig. 8 eine Detailansicht des in Fig. 7 mit A kennzeichneten Bereichs; FIG. 8 is a detail view of the area marked A in FIG. 7; FIG.
Fig. 9 eine schematische Teilansicht eines vertikalen Schnitts, wobei zwei gegenüberliegende Seitenflächen der Spiralfeder dargestellt sind; Fig. 10 bis 13, 15 Aufnahmen mit einem elektronischen Rastermikroskop von einem Schnitt des Randbereichs einer Windung einer Spiralfeder, wobei die Draufsicht auf die Höhe h der Spiralfeder dargestellt ist; Fig. 9 is a schematic partial view of a vertical section, wherein two opposite side surfaces of the coil spring are shown; 10 to 13, 15 shots with an electronic scanning microscope of a section of the edge region of a turn of a spiral spring, wherein the plan view is shown on the height h of the coil spring;
Figur 14 eine perspektivische Aufnahme mit einem elektronischen Rastermikroskop eines Bereichs einer Windung der Spiralfeder; Figur 16 verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus polykristallinem Silizium hergestellten und mit Siliziumoxid beschichteten Spiralfeder; Figure 14 is a perspective view with an electronic scanning microscope of a portion of a turn of the coil spring; FIG. 16 shows various micrographs of a silicon-oxide-wound spiral spring produced from polycrystalline silicon;
Figur 17 verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus monokristallinem Silizium hergestellten und mit Siliziumoxid beschichteten Spiralfeder; Figur 18 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder, bei der die Siliziumkristalle nicht homogenisiert sind und mit zunehmender Höhe der Spiralfeder in ihrer Größe zunehmen; FIG. 17 shows various micrographs of a coil spring made of monocrystalline silicon and coated with silicon oxide; Figure 18 is a schematic view of a cross section of a coil spring in which the silicon crystals are not homogenized and increase in size with increasing height of the coil spring;
Figur 19 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder, bei der die Siliziumkristalle durch einen speziellen Prozess homogenisiert sind und somit eine weitgehen homogene Größenverteilung entlang der Höhe der Spiralfeder aufweisen; und Figure 19 is a schematic view of a cross section of a coil spring in which the silicon crystals are homogenized by a special process and thus have a widely homogeneous size distribution along the height of the coil spring; and
Figur 20 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Spiralfeder zur Verdeutlichung der sich aufgrund der Erfindung ergebenden Biegesteifigkeit. Wege zur Ausführung der Erfindung Figure 20 is a perspective view of a portion of the coil spring to illustrate the resulting due to the invention bending stiffness. Ways to carry out the invention
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Spiralfeder 20 für mechanische Uhrwerke. Die Spiralfeder 20 weist eine mit der Schwingungsebene der Spiralfeder 20 zusammenfallende Spiralfederebene E und eine senkrecht zu der Spiralfederebene E durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder 20 verlaufende Spiralfe- derachse A auf. Zur drehfesten Verbindung mit einer Unruhwelle (nicht dargestellt) weist die Spiralfeder 20 einen inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt S auf. Der äußere Federhaltepunkt H der Spiralfeder 20 dient der festen Verbindung der Spiralfeder mit einer Platine oder einer Lagerplatine. Die Spiralfeder 20 weist mehrere Windungen22 auf. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt 24 durch eine Windung 22 der Spiralfeder 20. Bei der hierdargestellten Ausführungsform besteht jede der Windungen 22 der Spiralfeder 20 aus einem Kern 25 und einer Umhüllung 27, die aus einer Schicht 34 aus Siliziumdioxid besteht. Die Schicht 34 aus Siliziumdioxid wird von jeder der Seitenflächen 30 einer jeden Windung 22 der Spiralfeder 20 getragen Die Schicht 34 aus Siliziumdioxid wird durch thermische Odidation der Spiralfeder 20 erzeugt. Nach der thermischen Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigneten CVD-Verfahren) ergibt sich für die Spiralfeder 20 eine Höhe h und eine Breite b der Windungen 22 der Spiralfeder 20. Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die Spiralfeder 20 der Figur 1 , gemäß einer alternativen Ausführungsform. Die Spiralfeder 20 trägt dabei auf einer Außenseite eine Schicht 34 aus Siliziumdioxid. Dies kann durch geeignete Maskierungsmaßnahmen erreicht werden Die Spiralfeder 20 umfasst Windungen 22 (siehe Figur 1 ), wobei ein Querschnitt 24 einer Windung 22 eine Höhe h und eine Breite b hat. An einem Grenzbereich 31 ist mindestens eine Schicht 34 aus Siliziumdioxid aufgebracht. Der Querschnitt 24 entlang der Höhe h umfasst mindestens zwei übereinander liegende diskrete Bereiche 26! , 26n , i=1 , n, aus einem Siliziummaterial. Das Siliziummaterial der Bereiche 2Q i=1 , n, umfasst amorphes und/oder polykris- tallines und/oder monokristallines Silizium 2, 3, 4, 8, 9, 1 1 , 12, 13, 14. Jeder Bereich 26, hat mindestens zwei Anker 28u durch Aufwachsen von Kristallen des Siliziumdioxids 34 in den Grenzbereich 31 ausgebildet. Die Anker werden beim Pro- zess der thermischen Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigneten CVD- Verfahren) aus Siliziummaterial der bestehenden Spiralfeder 20 gebildet Jeder Anker 28u hat eine individuelle Rauheit Ru, j=1 , ... , m. Figure 1 shows a perspective view of a coil spring 20 for mechanical movements. The spiral spring 20 has a spiral spring plane E which coincides with the oscillation plane of the spiral spring 20 and a spiral spring axis A which extends perpendicular to the spiral spring plane E through the oscillation center of the spiral spring 20. For non-rotatable connection with a balance shaft (not shown), the coil spring 20 has an inner coil spring attachment portion S. The outer spring holding point H of the coil spring 20 serves for the fixed connection of the spiral spring with a circuit board or a bearing plate. The coil spring 20 has a plurality of turns 22. Figure 2 shows a plan view of a cross section 24 through a turn 22 of the coil spring 20. In the embodiment shown here, each of the turns 22 of the coil spring 20 consists of a core 25 and a sheath 27, which consists of a layer 34 of silicon dioxide. The layer 34 of silicon dioxide is carried by each of the side surfaces 30 of each turn 22 of the coil spring 20. The layer 34 of silicon dioxide is generated by thermal odidation of the coil spring 20. After the thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) results for the coil spring 20, a height h and a width b of the windings 22 of the coil spring 20th Figure 3 shows a section through the coil spring 20 of Figure 1, according to an alternative embodiment. The coil spring 20 carries on an outer side a layer 34 of silicon dioxide. This can be achieved by suitable masking measures. The coil spring 20 comprises windings 22 (see FIG. 1), wherein a cross-section 24 of a winding 22 has a height h and a width b. At least one layer 34 of silicon dioxide is applied to a boundary region 31. The cross-section 24 along the height h comprises at least two superimposed discrete regions 26 ! , 26 n , i = 1, n, of a silicon material. The silicon material of the regions 2Q i = 1, n, comprises amorphous and / or polycrystalline and / or monocrystalline silicon 2, 3, 4, 8, 9, 1 1, 12, 13, 14. Each region 26, has at least two Anchor 28 u formed by growing crystals of silicon dioxide 34 in the boundary region 31. The anchors are formed in the process of thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) of silicon material of the existing coil spring 20. Each armature 28 u has an individual roughness R u , j = 1, ..., m.
Erfindungsgemäß ist in jedem Bereich 26, mindestens ein Anker 28u angeordnet, der dieselbe Rauheit wie ein anderer Anker 28Μ ,Γ und/oder 28i+1 ,r eines benachbarten Bereichs 26, hat, also Ru, = R i-i , und/oder Ru, = R ,+! ,,'. According to the invention, at least one armature 28 u is arranged in each region 26, which has the same roughness as another armature 28 Μ, Γ and / or 28 i + 1, r of an adjacent region 26, ie R u , = R ii , and / or R u , = R, + ! ,, '.
Ein E-Modul darf in den Bereichen 26! , 262, ... ,26n maximal um 2% bis höchstens 3% variieren. Der E-Modul wird am Gesamt E-Modul des betrachteten Querschnitts 24 der Spiralfeder 20 gemessen. Zur Berechnung des effektiven E-Moduls wird z. B. die „Voigt-Reuss-Hill-Methode" angewandt. Bei Polysilizium bilden sich z. B. bei Epitaxie-Abscheideverfahren oder gerichtetem Aufwachsen bevorzugt Kristallorientierungen bzw. Texturen aus. Bevorzugt bilden sich <1 10> und <1 1 1 > und <31 1 > aus. Es können aber auch noch die Texturen <100>, <21 1 >oder <331 > vorliegen. Es ist wegen der unterschiedlichen E-Module der Texturen eine homogene Verteilung der Texturen über den Querschnitt 24 der Spiralfeder anzustreben. Es müssen in den Bereichen 26! , 262, ... ,26n mindestens je zwei verschiedene Texturen vorliegen, um eine weitestgehend ausreichende Homogenität des Querschnitts 24 der Spiralfeder 20 zu gewährleisten. In den Figuren 3 und 4 sind die Kristalle vereinfacht als Vier- bzw. Rechtecke dargestellt, sie können jedoch sowohl isotrop als auch anisotrop sein, wie beispielsweise in den Figuren 5 oder 6 dargestellt ist. An E-module may be used in areas 26 ! , 26 2 , ..., 26 n vary by a maximum of 2% to a maximum of 3%. The modulus of elasticity is measured on the total modulus of elasticity of the considered cross-section 24 of the coil spring 20. To calculate the effective modulus of elasticity z. In the case of polysilicon, for example, epitaxial deposition processes or directional growth preferentially form crystal orientations or textures, preferably <1 10> and <1 1 1> and The textures <100>, <21 1> or <331> may also be present, however, because of the different e-moduli of the textures, a homogeneous distribution of the textures over the cross-section 24 of the spiral spring is to be aimed at. There must be at least two different textures in the regions 26 !, 26 2 ,..., 26 n in order to ensure a largely sufficient homogeneity of the cross section 24 of the spiral spring 20. In FIGS. 3 and 4, the crystals are shown in simplified form as rectangles or rectangles, but they may be both isotropic and anisotropic, as shown for example in FIGS. 5 or 6.
Die fertige Außenfläche 39 der Windung 22 der Spiralfeder 20 entspricht der Au- ßenfläche der fertigen mindestens einer Schicht 34 aus Siliziumdioxid, also nach Abschluss des Trennvorgangs der Spiralfeder 20 vom Träger (Silizium-Wafer 10) und nach Abschluss des Oxidiervorgangs zum Erzeugen der mindestens einer Schicht 34 ausSiliziumdioxid (vgl. beispielsweise Figuren 5 bis 9 und die Beschreibung dazu). Aus Gründen der vereinfachten Darstellung ist in Figur 3 nur ei- ne einzige Schicht 34 aus Siliziumdioxid 34 dargestellt, es kann aber mehr als eine Schicht 34 aus Siliziumdioxid auf das Siliziummaterial aufgebracht werden. The finished outer surface 39 of the winding 22 of the spiral spring 20 corresponds to the outer surface of the finished at least one layer 34 made of silicon dioxide, ie after completion of the separation process of the spiral spring 20 from the carrier (silicon wafer 10) and after completion of the oxidation process to produce the at least one Layer 34 of silicon dioxide (see, for example, Figures 5 to 9 and the description thereof). For reasons of simplified illustration, only one single layer 34 of silicon dioxide 34 is shown in FIG. 3, but more than one layer 34 of silicon dioxide can be applied to the silicon material.
Figur 4 zeigt eine Detailansicht eines Ankers 28u eines Bereichs 26, nach Figur 3. Der Anker 28u hat eine individuelle Rauheit Ru, die in der Regel nicht genau übereinstimmt mit der mittleren Rauheit R über alle Anker 28 aller Bereiche 26. Die mitt- lere Rauheit R verläuft entlang einer Mittellinie 32 durch alle Anker aller Bereiche. FIG. 4 shows a detailed view of an armature 28 u of a region 26, according to FIG. 3. The armature 28 u has an individual roughness R u which does not generally coincide exactly with the mean roughness R over all armatures 28 of all regions 26 - roughness R runs along a center line 32 through all the anchors of all areas.
Die Darstellungen der Figuren 6 und 6 zeigen jeweils einen Schnitt durch eine Windung 22 der Spiralfeder 20 der Figur 1 , wobei die Spiralfederachse A Bestandteil der Schnittebene ist und somit die Schnittebene senkrecht auf der Spiralfederebene E steht. Die Dicken der einzelnen Schichten sind in den Figuren 5und 6 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben, es kann also nicht von der zeichnerisch dargestellten Dicke der einen Schicht auf die Dicke einer anderen Schicht geschlossen werden. The illustrations of FIGS. 6 and 6 each show a section through a turn 22 of the spiral spring 20 of FIG. 1, wherein the spiral spring axis A is a component of the cutting plane and thus the cutting plane is perpendicular to the spiral spring plane E. The thicknesses of the individual layers are not reproduced to scale in FIGS. 5 and 6, so that it is not possible to deduce from the thickness of the one layer illustrated in the drawing to the thickness of another layer.
Figur 6 zeigt einen Zustand der Spiralfeder 20 während des Herstellungsprozesses. Der als Träger dienende Silizium-Wafer 10 ist bei der in Figur 6 gezeigten Darstellung mit einer Opferschicht 10.1 aus Siliziumdioxid versehen. Durch ein LPCVD-Verfahren wird auf der Opferschicht 10.1 eine 0,4 pm dicke erste Schicht 1 1 aus polykristallinem Silizium abgeschieden. Diese erste Schicht 1 1 besteht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 9, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 100 nm bis 400 nm aufweisen. Das LPCVD-Verfahren wird mit Silan als Prozessgas bei einem Druck von 0,6- 103 Pa und einer Temperatur von 1000 °C durchgeführt. Durch die dabei erzielte Abscheiderate von ca. 200 nm/min baut sich die erste Schicht 1 1 innerhalb von rund 2 Minuten auf. FIG. 6 shows a state of the coil spring 20 during the manufacturing process. The serving as a carrier silicon wafer 10 is provided in the representation shown in Figure 6 with a sacrificial layer 10.1 made of silicon dioxide. By means of an LPCVD method, a 0.4 pm thick first layer 1 1 made of polycrystalline silicon is deposited on the sacrificial layer 10. This first layer 1 1 consists of essentially isotropic silicon crystals 9, which in the exemplary embodiment shown have a diameter of 100 nm to 400 nm. The LPCVD procedure is carried out with silane as the process gas at a pressure of 0.6-10 3 Pa and a temperature of 1000 ° C. Due to the deposition rate of about 200 nm / min, the first layer 1 1 builds up within about 2 minutes.
Nachfolgend werden Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur erhöht und unter Verwendung von Silan als Prozessgas wird ein CVD-Verfahren durchgeführt. Bei einem Prozessdruck von 5,7- 103 Pa und einer Prozesstemperatur von 1060°C stellt sich eine Abscheiderate von rund 2 pm pro Minute ein. Innerhalb von 20 Minuten wird eine auf der ersten Schicht 1 1 aus polykristallinem Silizium angeordnete zweite Schicht 12 aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfe- derachse A von 40 pm ausgebildet. Die zweite Schicht 12 aus polykristallinem Silizium besteht aus anisotropen Silizium-Kristallen 8, wobei die anisotropen Silizium- Kristalle 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen. Anschließend werden die Parameter Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur auf die Werte für das oben im Zusammenhang mit der Ausbildung der ersten Schicht 1 1 beschriebene Verfahren eingestellt und ein LPCVD-Verfahren zur Ausbildung einer dritten 13, auf der zweiten 12 Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten 0,4 m dicken Schicht aus polykristallinem Silizium durchgeführt. Diese dritte Schicht 13 besteht wiederum aus im Wesentlichen isotropen Silizium- Kristallen 9 mit einem Durchmesser von 100 nm bis 400 nm. Subsequently, gas flow, process pressure and process temperature are increased, and using silane as a process gas, a CVD process is performed. At a process pressure of 5.7 - 10 3 Pa and a process temperature of 1060 ° C, a deposition rate of about 2 pm per minute sets. Within 20 minutes, a second layer 12 of polycrystalline silicon arranged on the first layer 1 1 of polycrystalline silicon is formed with a thickness parallel to the spiral axis A of 40 μm. The second layer 12 of polycrystalline silicon is made of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 in the illustrated embodiment has a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 100 nm and a height parallel to the coil spring axis A from 5 pm to 30 pm exhibit. Subsequently, the parameters gas flow, process pressure and process temperature are set to the values for the method described above in connection with the formation of the first layer 11 and an LPCVD method for forming a third 13, arranged on the second 12 layer of polycrystalline silicon 0, 4 m thick layer of polycrystalline silicon performed. This third layer 13 in turn consists of substantially isotropic silicon crystals 9 with a diameter of 100 nm to 400 nm.
Nachfolgend werden Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur wieder erhöht und unter Verwendung von Silan als Prozessgas wird ein weiteres CVD-Verfahren durchgeführt. Bei einem Prozessdruck von 5,7- 103 Pa und einer Prozesstemperatur von 1060°C stellt sich eine Abscheiderate von rund 2 pm pro Minute ein. Innerhalb von 20 Minuten wird eine auf der dritten Schicht 13 aus polykristallinem Silizium angeordnete vierte Schicht 14 aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 40 pm ausgebildet. Die vierte Schicht 14 aus polykristallinem Silizium besteht ebenfalls aus anisotropen Silizium-Kristallen 8, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmes- ser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen. Subsequently, gas flow, process pressure and process temperature are increased again, and using silane as the process gas another CVD process is performed. At a process pressure of 5.7 - 10 3 Pa and a process temperature of 1060 ° C, a deposition rate of about 2 pm per minute sets. Within 20 minutes, a fourth polycrystalline silicon layer 14 disposed on the third polycrystalline silicon layer 13 is formed with a thickness parallel to the coil spring axis A of 40 μm. The fourth layer 14 of polycrystalline silicon likewise consists of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 in the illustrated embodiment have a diameter. have parallel to the spiral spring plane E from 50 nm to 100 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 5 pm to 30 pm.
Nach diesem Prozessschritt weist die mit dem Silizium-Wafer 10 verbundene Spiralfeder die in Figur 6 dargestellte Form auf. Anschließend erfolgen nacheinander die Strukturierung der Spiralfeder durch ein materialabtragendes chemisches Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken, das Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer 10 durch Auflösen der Opferschicht 10.1 aus Siliziumdioxid wiederum mit Hilfe eines chemischen Ätzverfahrens, und die Durchführung einer thermischen Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigne- ten CVD-Verfahren) zur Erzeugung einer Schicht 34 aus Siliziumoxid. Die thermische Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigneten CVD-Verfahren) wird für einen entsprechend gewählten Zeitraum durchgeführt, so dass sich eine erste 1 und eine fünfte 5 Schicht 34 aus Siliziumoxid mit einer Schichtdicke von rund 2,5 pm ausbilden. Im Zuge der Bildung der ersten Schicht 34 aus Siliziumoxid löst sich die erste, aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht 1 1 vollständig auf. Durch die Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung wird eine Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder 20 erreicht. After this process step, the spiral spring connected to the silicon wafer 10 has the shape shown in FIG. Subsequently, the structuring of the spiral spring takes place successively by a material-removing chemical etching process with the aid of photomasks, the detachment of the spiral spring from the silicon wafer 10 by dissolving the sacrificial layer 10.1 made of silicon dioxide by means of a chemical etching process, and the implementation of a thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) to produce a layer 34 of silicon oxide. The thermal oxidation (with oxygen or a suitable CVD method) is carried out for a correspondingly selected time period so that a first 1 and a fifth 5 layer 34 of silicon oxide with a layer thickness of about 2.5 μm are formed. In the course of the formation of the first layer 34 made of silicon oxide, the first, consisting of substantially isotropic silicon crystals layer 1 1 dissolves completely. By the silicon oxide surface coating, a minimization of the temperature dependence of the vibration behavior of the coil spring 20 is achieved.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Spiralfeder 20 für mechanische Uhr- werke ist in Figur 5 dargestellt. Die Spiralfeder ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus fünf Schichten 1 , 2, 3, 4, 5 aufgebaut, nämlich aus einer 2,5 pm dicken, ersten Schicht 1 aus Siliziumoxid, einer auf der ersten Schicht 1 aus Siliziumoxid angeordneten, 40 m dicken, zweiten Schicht 2 aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht 2 aus anisotropen Silizium-Kristallen 8 besteht, wo- bei die anisotropen Silizium-Kristalle 8 einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen, einer 0,4 pm dicken dritten, auf der zweiten Schicht 2 aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht 3 aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht 3 aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 9 mit einem Durchmesser von 100 nm bis 400 nm besteht, einer auf der dritten Schicht 3 aus polykristallinem Silizium angeordneten, 40 pm dicken, vierten Schicht 4 aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht 4 aus anisotropen Silizium-Kristallen 8 besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle 8 einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfeder- achse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen, einer auf der vierten Schicht 4 aus polykristallinem Silizium angeordneten, 2,5 pm dicken, fünften Schicht 5 aus Siliziumoxid. An inventive embodiment of the coil spring 20 for mechanical movements is shown in FIG. The spiral spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis A of five layers 1, 2, 3, 4, 5, namely a 2.5 pm thick, first layer 1 of silicon oxide, one arranged on the first layer 1 of silicon oxide, 40th m thick, second layer 2 of polycrystalline silicon, wherein the second layer 2 consists of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 100 nm and a height parallel to the spiral spring axis A from 5 pm to 30 pm, a 0.4 pm thick third, arranged on the second layer 2 of polycrystalline silicon layer 3 of polycrystalline silicon, wherein the third layer 3 of substantially isotropic silicon crystals 9 having a diameter of 100 nm to 400 nm, one on the third layer 3rd made of polycrystalline silicon, 40 pm thick, the fourth layer 4 of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer 4 of anisotropic silicon crystals 8, wherein the anisotropic silicon crystals 8 have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 100 nm and a Have height parallel to the spiral spring axis A from 5 pm to 30 pm, a arranged on the fourth layer 4 of polycrystalline silicon, 2.5 pm thick, fifth layer 5 of silicon oxide.
Die dargestellte Spiralfeder kann unter minimalen Verlusten durch Brüche und Risse mit konstant ausgezeichneter Qualität hergestellt werden. Obwohl sich die nachfolgende Beschreibung auf eine Spiralfeder als Funktionselement bezieht, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. The coil spring shown can be manufactured with minimal loss through fractures and cracks of consistently excellent quality. Although the following description refers to a coil spring as a functional element, this should not be construed as limiting the invention.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf einen mit einem Sinterprozess hergestellten Si- Wafers 10, bei dem Bereits die Spiralfedern 20 durch Ätzen oder Ausschneiden hergestellt und freigelegt wurden. In dem Verfahren zur Herstellung des Si-Wafers 10 wurden im Wesentlichen isotrope Silizium-Partikel 40 (siehe Figur 9) mit einem Durchmesser zwischen 0,03 pm bis 1 pm verwendet, die als Nebenprodukt bei der Herstellung von Silizium-Granulat mit Hilfe eines Wirbelschicht-Verfahrens angefallen waren. Als Bindemittel wurde Polyvinylalkohol verwendet. Die Mischung von Si- lizium-Partikeln 40 und Bindemittel im Verhältnis von 100:0,75 erfolgte durch Aufsprühen einer Bindern ittel/Ethanol-Mischung auf die Silizium-Partikel 40. Die so erzeugte Mischung wurde durch Mahlen in einer Kugelmühle für einen Zeitraum von 12 Stunden unter gleichzeitiger Vakuumentgasung homogenisiert. FIG. 7 shows a plan view of an Si wafer 10 produced by a sintering process, in which the spiral springs 20 have already been produced and exposed by etching or cutting. In the method for producing the Si wafer 10, essentially isotropic silicon particles 40 (see FIG. 9) with a diameter of between 0.03 μm and 1 μm were used as a by-product in the production of silicon granules with the aid of a fluidized bed Procedures were incurred. The binder used was polyvinyl alcohol. The mixture of silicon particles 40 and binder in the ratio of 100: 0.75 was carried out by spraying a Binder ittel / ethanol mixture on the silicon particles 40. The mixture thus produced was prepared by milling in a ball mill for a period of Homogenized for 12 hours with simultaneous vacuum degassing.
Nach dem Einbringen der homogenisierten Mischung aus Silizium-Partikeln 40 und Bindemittel in eine Pressform (nicht dargestellt) erfolgte ein Sintern der homogenisierten Mischung zu einem Festkörper. Für den Fall, dass das Sintern ein heiß- isostatisches Verdichten ist, wird dies bei einer Temperatur von 1000°C und einem Druck von 250 MPa für 3 Stunden durchgeführt. Der erzeugte Festkörper bzw. Si- Wafer 6 besitzt Poren 2 (siehe Figur 9) mit einem maximalen Durchmesser P von 0,001 μΓΠ bis 1 m. Der durch die Verdichtung der homogenisierten Mischung aus Silizium-Partikeln 1 und Bindemittel erzeugte Festkörper weist bevorzugt eine Dichte von zumindest 95%, bevorzugt zumindest 99% der Dichte von kristallinem Silizium auf. Aus dem so erzeugten Festkörper wurde das Bindemittel durch Evakuieren abgezogen. Die Abtrennung des Bindemittels erfolgt bevorzugt durch Evakuieren oder durch Spülen mit einem Inertgas. Gleichzeitig mit dem Abtrennen des Bindemittels wird der gebildete Silizium-Festkörper auf Raumtemperatur abgekühlt. After introducing the homogenized mixture of silicon particles 40 and binder into a mold (not shown), the homogenized mixture was sintered to a solid. In the case where the sintering is a hot isostatic compaction, this is carried out at a temperature of 1000 ° C and a pressure of 250 MPa for 3 hours. The produced solid or Si wafer 6 has pores 2 (see FIG. 9) with a maximum diameter P of 0.001 μΓΠ to 1 m. The solid produced by the densification of the homogenized mixture of silicon particles 1 and binder preferably has a density of at least 95%, preferably at least 99%, of the density of crystalline silicon. The binder was removed by evacuation from the solid produced in this way. The separation of the binder is preferably carried out by evacuation or by purging with an inert gas. Simultaneously with the separation of the binder, the silicon solid formed is cooled to room temperature.
Figur 8 zeigt eine Detailansicht des in Fig. 6 mit A gekennzeichneten Bereichs des Si-Wafers 10. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Material der Spiralfeder 20 unterschiedlich sein kann. Die Vereinzelung der Spiralfeder 20 erfolgt bevorzugt durch ein Trockenätzverfahren, wodurch das die Spiralfeder 20 umgebende Material 21 abgetragen wird. FIG. 8 shows a detailed view of the region of the Si wafer 10 labeled A in FIG. 6. It is obvious to a person skilled in the art that the material of the spiral spring 20 can be different. The separation of the coil spring 20 is preferably carried out by a dry etching, whereby the surrounding the coil spring 20 material 21 is removed.
Die in Figur 9 in idealisierter Weise als Kugeln dargestellten Silizium - Partikel 40 weisen jeweils einen mittleren Durchmesser D zwischen 0,03 pm bis 1 pm auf. Es ist eine schematische Teilansicht eines vertikalen Schnitts dargestellt, wobei zwei gegenüberliegende Seitenflächen 30 der Spiralfeder 20 zum Teil dargestellt sind. Zwischen den einzelnen Silizium-Partikeln 40 sind die Poren 42 zu erkennen, die sich aufgrund des Sinterprozesses ausgebildet haben. Die Poren 42 weisen einen maximalen Durchmesser P von 0,001 pm bis 1 pm bevorzugt 0,01 pm bis 0,3 pm auf. Der durch die Verdichtung einer homogenisierten Mischung aus Silizium- Partikeln 1 und dem Bindemittel Polyvinylalkohol erzeugte Festkörper (Si-Wafer 10) weist eine Dichte von zumindest 95%, bevorzugt zumindest 99% der Dichte von kristallinem Silizium auf. Je nach Wahl der Größenverteilung der Silizium-Partikel 40, kann die Dichte des gesinterten Festkörpers bis zu 99,9% der Dichte von kristallinem Silizium entsprechen. The silicon particles 40 illustrated as spheres in an idealized manner in FIG. 9 each have an average diameter D of between 0.03 μm and 1 μm. It is a schematic partial view of a vertical section shown, wherein two opposite side surfaces 30 of the coil spring 20 are shown in part. Between the individual silicon particles 40, the pores 42 can be seen, which have formed due to the sintering process. The pores 42 have a maximum diameter P of 0.001 pm to 1 pm, preferably 0.01 pm to 0.3 pm. The solid (Si wafer 10) produced by compacting a homogenized mixture of silicon particles 1 and the binder polyvinyl alcohol has a density of at least 95%, preferably at least 99%, of the density of crystalline silicon. Depending on the choice of the size distribution of the silicon particles 40, the density of the sintered solid body can correspond to up to 99.9% of the density of crystalline silicon.
Die Schicht 34 auf der Silizium Oberfläche bildet sich im Laufe der Behandlung des Si-Wafers 10 aus. Im Laufe der Ausbildung der Schicht 34 auf der Silizium - Oberfläche bilden sich mehrere Anker 44 aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid in- nerhalb des Si-Wafers 10 aus, die die oben beschriebenen Materialeigenschaften aufweisen. Die einzelnen Silizium-Partikel 1 ordnen sich während des Verdichtens in Schichten 45!, 452, .. ,4 5n an. Aufgrund der Größenverteilung der Silizium - Partikel 40 und der Größenverteilung der Poren 42 im Si-Wafer 10 können die Schichten 45!, 452, .., 45n nur schematisch eingezeichnet werden. Die Größenverteilung der Poren 42 im Si-Wafer 10 und die Behandlungsparameter im Ofen bei der Herstellung der Schicht 34 auf der Silizium - Oberfläche bewirken, dass sich der größte Anteil der Anker 44 aus Siliziumoxid zumindest bis in die zweite Schicht 452 bzw. 45n-i aus Silizium-Partikeln 40 erstreckt. Die so hergestellte Spiralfeder weist hervorragende Eigenschaften im Hinblick auf Temperaturverhalten und hervorragende mechanische Stabilität auf. The layer 34 on the silicon surface is formed in the course of the treatment of the Si wafer 10. In the course of the formation of the layer 34 on the silicon surface, a plurality of anchors 44 of silicon oxide or silicon dioxide are formed. within the Si wafer 10, which have the material properties described above. The individual silicon particles 1 arrange themselves during the compaction in layers 45 ! , 45 2 , .., 4 5 n . Due to the size distribution of the silicon particles 40 and the size distribution of the pores 42 in the Si wafer 10, the layers 45 ! , 45 2 , .., 45 n are shown only schematically. The size distribution of the pores 42 in the Si wafer 10 and the treatment parameters in the furnace in the production of the layer 34 on the silicon surface cause the largest proportion of the anchor 44 of silicon oxide at least until the second layer 45 2 and 45 n - i extends from silicon particles 40th The spiral spring thus produced has excellent properties in terms of temperature behavior and excellent mechanical stability.
Figuren 10 bis 13, 15 zeigen Aufnahmen mit einem elektronischen Rastermikroskop von einem Schnitt des Randbereichs einer Windung einer Spiralfeder, wobei die Draufsicht auf die Höhe h der Spiralfeder dargestellt ist. Figur 10 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 1 , und Figur 12 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 13. Figures 10 to 13, 15 show images with an electronic scanning microscope of a section of the edge region of a turn of a spiral spring, wherein the plan view is shown on the height h of the coil spring. FIG. 10 shows an enlarged detail of FIG. 11, and FIG. 12 shows an enlarged detail of FIG. 13.
Die Figuren 10 und 1 1 zeigen bezüglich einer ersten Probe einen Ausschnitt des Querschnitts 24 einer Windung 22 einer ersten Spiralfeder, wobei die Rauheit auf der fertigen Außenfläche 39 der Windung 22 der ersten Spiralfeder vergleichsweise groß ist. (Die fertige Außenfläche 39 entspricht auch der Seitenfläche 16 in Figur 9.) FIGS. 10 and 11 show, with respect to a first sample, a section of the cross-section 24 of a winding 22 of a first spiral spring, wherein the roughness on the finished outer surface 39 of the winding 22 of the first spiral spring is comparatively large. (The finished outer surface 39 also corresponds to the side surface 16 in FIG. 9.)
Die Figuren 12 und 13 zeigen bezüglich einer zweiten Probe einen Ausschnitt des Querschnitts 24 einer Windung 22 einer anderen zweiten Spiralfeder, wobei die Rauheit auf der fertigen Außenfläche 39 der Windung 22 der zweiten Spiralfeder der Figuren 12 und 13 im Vergleich zu den Figuren 10 und 1 1 klein ist. FIGS. 12 and 13 show, with respect to a second sample, a section of the cross section 24 of a winding 22 of another second spiral spring, the roughness on the finished outer surface 39 of the winding 22 of the second spiral spring of FIGS. 12 and 13 in comparison with FIGS. 10 and 1 1 is small.
Die fertige Außenfläche 39 der Windung 22 der jeweiligen Spiralfeder entspricht der Außenfläche der jeweiligen fertigen mindestens einen Schicht Siliziumdioxid 34, also nach Abschluss des Trennvorgangs der jeweiligen Spiralfeder vom Träger, beispielsweise vom Silizium-Wafer 10, und nach Abschluss des Oxidiervorgangs zum Erzeugen der mindestens einen Schicht Siliziumdioxid 34 (vgl. beispielsweise Figuren 5 bis 9 und die Beschreibung dazu). The finished outer surface 39 of the winding 22 of the respective spiral spring corresponds to the outer surface of the respective finished at least one layer of silicon dioxide 34, ie after completion of the separation process of the respective coil spring from the carrier, for example from the silicon wafer 10, and after completion of the oxidation process for producing the at least one layer of silicon dioxide 34 (cf., for example, FIGS. 5 to 9 and the description thereof).
In den Ausführungen zu den Figuren 3 und 4 wird die Rauheit bzw. Rautiefe R des Materials des Übergangs bzw. Grenzbereichs 30 zur mindestens einen Oxidschicht insbesondere Siliziumdioxidschicht 34 betrachtet. Dieses Material kann beispielsweise amorphes und/oder polykristallines und/oder monokristallines Silizium, beispielsweise Schichten 2, 4, 12, 14 aus anisotropen Silizium-Kristallen, Schichten 3, 1 1 , 13 aus im Wesentlichen isotropen Silizium(-5) Kristallen, mit jeweils anisotropen Silizium-Kristallen 8 bzw. isotropen Silizium-Kristallen 9 sein. Es gibt jedoch auch einen direkten Zusammenhang zwischen einerseits der Rautiefe der Ausgangsoberfläche 38 für das Aufbringen der mindestens einen Schicht Siliziumdioxid 34, also beispielsweise der geätzten Silizium-Seitenfläche 38 gemäß Figur 6, und andererseits der fertigen Außenfläche 39 der aufgewachsenen Oxidschicht 34. Wie man in den Fig. 10 bis 13 erkennen kann und oben bereits be- schrieben, weisen die aus den zwei unterschiedlichen fertigen Proben bezüglich der ersten Spiralfeder 20 (siehe Figur 10 und 1 1 ) und der zweiten Spiralfeder 20 (siehe Figur 12 und 13) resultierenden fertigen Außenflächen 39 stark unterschiedliche Rautiefen auf. Die vergleichsweise große Rauheit auf der fertigen Außenfläche 39 der Windung 22 der ersten Spiralfeder 20 gemäß den Figuren 10 und 1 1 hat den Nachteil, dass beim zugehörigen Bauteil bzw. Funktionselement 8 bzw. Spiralfeder 20 mit immer größerer Rauheit auch die Stabilität sinkt und die Bruchgefahr steigt, wie zuvor bereits ausführlich an diversen Stellen beschrieben. In the embodiments relating to FIGS. 3 and 4, the roughness or roughness depth R of the material of the transition or boundary region 30 to the at least one oxide layer, in particular silicon dioxide layer 34, is considered. This material can be, for example, amorphous and / or polycrystalline and / or monocrystalline silicon, for example layers 2, 4, 12, 14 of anisotropic silicon crystals, layers 3, 11, 13 of substantially isotropic silicon (-5) crystals, respectively anisotropic silicon crystals 8 and isotropic silicon crystals 9, respectively. However, there is also a direct relationship between on the one hand the roughness depth of the output surface 38 for applying the at least one layer of silicon dioxide 34, thus for example the etched silicon side surface 38 according to FIG. 6, and on the other hand the finished outer surface 39 of the grown oxide layer 34 10 to 13 and already described above, have the resulting from the two different finished samples with respect to the first coil spring 20 (see Figure 10 and 1 1) and the second coil spring 20 (see Figures 12 and 13) Outside surfaces 39 greatly different roughness. The comparatively large roughness on the finished outer surface 39 of the winding 22 of the first coil spring 20 according to FIGS. 10 and 11 has the disadvantage that with the associated component or functional element 8 or spiral spring 20 with ever greater roughness the stability also decreases and the risk of breakage increases, as previously described in detail at various points.
Eine Rautiefe Rz der Ausgangsoberfläche 38 in Höhe von 0,001 pm bis 3 pm, bevorzugt von 0,01 pm bis 2pm, hat sich als ideal in Bezug auf die Verminderung von Spannungen in der fertigen Spiralfeder 20 herausgestellt. Dazu sollte die Rautiefe Rz der fertigen Außenfläche 39 0,001 m bis 2 pm betragen. A roughness R z of the output surface 38 in the amount of 0.001 pm to 3 pm, preferably from 0.01 pm to 2 pm, has proven to be ideal with respect to the reduction of stresses in the finished coil spring 20. For this purpose, the surface roughness R z of the finished outer surface 39 should be 0.001 m to 2 pm.
Figur 14 zeigt eine perspektivische Aufnahme mit einem elektronischen Rastermikroskop eines Bereichs einer Windung 22 der Spiralfeder. Figur 16 zeigt verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus polykristallinem Silizium hergestellten und mit Siliziumoxid beschichteten Spiralfeder. Figure 14 shows a perspective view with an electronic scanning microscope of a portion of a winding 22 of the coil spring. FIG. 16 shows various micrographs of a coil spring made of polycrystalline silicon and coated with silicon oxide.
Figur 17 zeigt verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus monokristallinem Silizium 36 hergestellten und mit Siliziumdioxid 34 beschichteten Spiralfeder. Figur 18 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder 20, bei der die Siliziumkristalle 36 nicht homogenisiert sind und mit zunehmender Höhe h der Spiralfeder 20 in ihrer Größe zunehmen. FIG. 17 shows various microscopic photographs of a spiral spring produced from monocrystalline silicon 36 and coated with silicon dioxide 34. FIG. 18 shows a schematic view of a cross section of a spiral spring 20, in which the silicon crystals 36 are not homogenized and increase in size as the height h of the spiral spring 20 increases.
Figur 19 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder 20, bei der die Siliziumkristalle 36 durch einen speziellen Prozess, beispielsweise Tempern, wie oben beschrieben, homogenisiert sind und somit eine weitgehen homogene Größenverteilung entlang der Höhe h der Spiralfeder 20 aufweisen. FIG. 19 shows a schematic view of a cross section of a spiral spring 20, in which the silicon crystals 36 are homogenized by a special process, for example annealing, as described above and thus have a largely homogeneous size distribution along the height h of the spiral spring 20.
Figur 20 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils der Spiralfeder 20 zur Verdeutlichung der sich aufgrund der Erfindung ergebenden Biegesteifigkeit, wie oben bereits beschrieben. Figure 20 is a perspective view of a portion of the coil spring 20 illustrating the bending stiffness resulting from the invention, as previously described.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 erste Schicht aus Siliziumoxid 1 first layer of silicon oxide
2 zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen  2 second layer of anisotropic silicon crystals
3 dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-5 Kristallen3 third layer of essentially isotropic silicon-5 crystals
4 vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen 4 fourth layer of anisotropic silicon crystals
5 fünfte Schicht aus Siliziumoxid  5 fifth layer of silicon oxide
8 anisotrope Silizium-Kristalle  8 anisotropic silicon crystals
9 isotrope Silizium-Kristalle  9 isotropic silicon crystals
10 Silizium-Wafer 10 silicon wafers
10.1 Opferschicht aus Siliziumdioxid  10.1 sacrificial layer of silicon dioxide
1 1 erste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 1 1 first layer of substantially isotropic silicon crystals
12 zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen 12 second layer of anisotropic silicon crystals
13 dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 14 vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen  13 third layer of substantially isotropic silicon crystals 14 fourth layer of anisotropic silicon crystals
20 Spiralfeder  20 spiral spring
21 umgebendes Material  21 surrounding material
22 Windung  22 turn
24 Querschnitt 24 cross section
25 Kern 25 core
26 Bereich  26 area
27 Umhüllung  27 serving
28 Anker aus Siliziumdioxid  28 anchor made of silicon dioxide
30 Seitenfläche 30 side surface
31 Grenzbereich 31 border area
32 Mittellinie  32 midline
34 Schicht aus Siliziumdioxid  34 layer of silicon dioxide
36 Kristall (Siliziummaterial)  36 crystal (silicon material)
38 Ausgangsoberfläche  38 output surface
39 fertige Außenfläche 39 finished outer surface
40 Silizium-Partikel 42 Poren 40 silicon particles 42 pores
44 Anker  44 anchors
45!, 452,..., 45n Schichten 45 !, 45 2 , ..., 45 n layers
A Spiralfederachse  A spiral spring axis
b Breite der Spiralfeder b Width of the spiral spring
E Spiralfederebene  E spiral spring plane
F Kraft  F force
F1 . F2. F3 Fläche F1. F2. F3 area
S Spiralfederbefestigungsabschnitt h Höhe der Spiralfeder  S Spiral spring attachment section h Height of the spiral spring
H Federhaltepunkt  H spring breakpoint
R Rauheit (Rautiefe)  R roughness (roughness)
ß Winkel ß angle

Claims

Patentansprüche claims
Spiralfeder (20) für ein mechanisches Uhrwerk umfassend Comprising a spiral spring (20) for a mechanical movement
Windungen (22), wobei ein Querschnitt (24) einer Windung (22) der Spiralfeder Windings (22), wherein a cross section (24) of a winding (22) of the spiral spring
(20) eine Höhe (h) und eine Breite (b) hat, und (20) has a height (h) and a width (b), and
eine Schicht (34) Siliziumdioxid ist auf mindestens einer der Seitenflächen (30)aufgebracht ist, a layer (34) of silicon dioxide is deposited on at least one of the side surfaces (30),
wobei der Querschnitt (24) entlang der Höhe (h) mindestens zwei übereinander liegende Bereiche (26., , 26n) , i=1 , n, aus einem Siliziummaterial um- fasst, und wherein the cross section (24) along the height (h) at least two superimposed regions (26, 26, 26 n ), i = 1, n, from a silicon material comprises, and
jeder Bereich (26,) mindestens zwei Anker (28, .) ausgebildet hat, die durch Aufwachsen der Schicht (34) aus Siliziumdioxid sich in einem Grenzbereich (31 ) , wobei jeder Anker (28, .) eine Rauheit (R, .), j=1 , m, hat, each region (26,) has formed at least two anchors (28, 10) formed by growing the layer (34) of silicon dioxide in a boundary region (31), each anchor (28,) having a roughness (R,.) , j = 1, m, has,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in jedem Bereich (26,) mindestens ein Anker (28, .) ausgebildet ist, der dieselbe Rauheit wie ein anderer Anker (28,.1 , 28, + 1 ..) eines benachbarten Bereichs (26,) hat. in each region (26,) at least one armature (28,.) is formed, which has the same roughness as another armature (28, .1 , 28, + 1 ..) of an adjacent region (26,).
Spiralfeder (20) nach Anspruch 1 , wobei die mittlere Rauheit (R) über die Anker (28, j) der Bereiche (26., , 26n) maximal im Intervall von 0,5pm bis 10,0 m liegt, bevorzugt im Intervall von 0, 1 pm bis 5,0pm und weiter bevorzugt im Intervall von 0,3pm bis 3,0pm. Spiral spring (20) according to claim 1, wherein the average roughness (R) over the armature (28, j ) of the regions (26, 26, 26 n ) is a maximum in the interval of 0.5pm to 10.0 m, preferably in the interval from 0, 1 pm to 5.0 pm, and more preferably in the interval from 0.3pm to 3.0pm.
Spiralfeder (20) nach Anspruch 1 , wobei die mittlere Rauheit (R) über die Anker (28, .) der Bereiche (26, , 26n) im Intervall von 0,001 pm bis 2,0 pm liegt. A coil spring (20) according to claim 1, wherein the average roughness (R) across the anchors (28 ,. ) Of the regions (26, 26, 26 n ) is in the interval 0.001 pm to 2.0 pm.
Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei eine Breitenschwankung einer Oxidschicht auf der Spiralfeder maximal 15%, bevorzugt 10% und besonders bevorzugt maximal. 5%/ der Gesamtbreite der Oxidschicht beträgt. Spiral spring (20) according to one of the preceding claims, wherein a width variation of an oxide layer on the coil spring at most 15%, preferably 10% and more preferably maximum. 5% / the total width of the oxide layer is.
5. Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei die Verteilung der Rauheiten (R, . ) über die Anker (28, ,) der Bereiche (26! , ... , 2ßn) minimal ist. 5. spiral spring (20) according to any one of the preceding claims, wherein the distribution of the roughness (R,.) Via the armature (28,,) of the areas (26 !, ..., 2ß n ) is minimal.
6. Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei die Fre- quenz bezüglich der Anzahl der Anker (28, j ) jeden Bereiches (26., , 26n) maximal ist. 6. coil spring (20) according to one of the preceding claims, wherein the frequency with respect to the number of anchors (28, j ) of each region (26, 26, 26 n ) is maximum.
7. Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei ein E- Modul der Bereiche (26., , 26n) maximal um 2% bis 3% bezogen auf einen Gesamt E-Modul des betrachteten Querschnitts der Spiralfeder variiert. 8. Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei in jedem der Bereiche (26., , 26n) mindestens je zwei verschiedene Texturen vorliegen. 7. spiral spring (20) according to one of the preceding claims, wherein an E-modulus of the regions (26, 26, 26 n ) varies by a maximum of 2% to 3% based on a total modulus of the considered cross section of the coil spring. 8. spiral spring (20) according to any one of the preceding claims, wherein in each of the regions (26, 26, 26 n ) at least two different textures are present.
9. Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Siliziummaterial der Bereiche (26., , 26n) , i=1 , n, amorphes und/oder polykristallines und/oder monokristallines Silizium (2, 3, 4, 8, 9, 11 , 12, 13, 14) umfasst. 9. spiral spring (20) according to any one of the preceding claims, wherein the respective silicon material of the regions (26, 26, 26 n ), i = 1, n, amorphous and / or polycrystalline and / or monocrystalline silicon (2, 3, 4 , 8, 9, 11, 12, 13, 14).
10. Spiralfeder (20) nach einem der voran stehenden Ansprüche, wobei eine Rau- tiefe Rz einer Ausgangsoberfläche (38) für das Aufbringen der mindestens einen Schicht Siliziumdioxid (34) zwischen 0,03 pm bis 3 pm und bevorzugt 0,01 pm bis 2 pm beträgt, wobei eine Rautiefe Rz einer fertigen Außenfläche (39) zwischen 0,001 m bis 2 pm beträgt. 10. spiral spring (20) according to one of the preceding claims, wherein a roughness R z of an output surface (38) for applying the at least one layer of silicon dioxide (34) between 0.03 pm to 3 pm and preferably 0.01 pm to 2 pm, wherein a roughness R z of a finished outer surface (39) is between 0.001 m to 2 pm.
11. Mechanische Uhr mit einer Spiralfeder (20) gemäß einem der voran stehenden Ansprüche. 11. Mechanical watch with a spiral spring (20) according to one of the preceding claims.
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