由基于硅的材料制成的宝玑双层游丝

摘要

本发明涉及一种基于硅的宝玑双层游丝(1，31)，该宝玑双层游丝(1，31)包括细弹簧(3，33)、末端弯曲(7，37)和提升装置(9，39)，该细弹簧(3，33)与内桩(5，35)同轴地形成一体，该提升装置(9，39)位于所述细弹簧的外圈(15，45)和所述末端弯曲之间。根据本发明，该游丝具有相互固定在一起的两个单独部件，以提高所述游丝的扩展精度。本发明还涉及制造所述游丝的方法。本发明涉及时计机芯领域。

说明书

技术领域

本发明涉及宝玑双层游丝/挑框游丝(Breguet overcoil balance spring)及其制造方法，并且更具体地涉及由基于硅的材料制成的这种类型的游丝。

背景技术

时计的调节部件通常包括称为摆轮的惯性飞轮和称为游丝的谐振器。这些部件决定了时计的工作品质。实际上，它们调节机芯的工作，即，它们控制机芯的频率。

使用基于硅的材料制造时计部件是已知的。由于尤其在电子领域内的当前方法的进步，可微机械加工材料例如硅的使用在制造精度方面具有优点。还可利用硅对磁力和温度变化具有非常低的敏感性的优点。但是，由于当前不能制造具有若干层级的硅部件，因此要被制造的部件必须是平的。

发明内容

本发明的目的是，通过提出一种易于制造并且使得变差(ratevariation)减小的由基于硅的材料制成的宝玑双层游丝，以克服全部或一部分上述缺陷。

因此，本发明涉及一种由基于硅的材料制成的宝玑双层游丝，该宝玑双层游丝包括与内桩同轴地形成一体件的细弹簧、末端弯曲以及用于所述细弹簧的外圈和所述末端弯曲的提升装置(elevation device)，该游丝包括相互固定在一起的两个单独部件，以提高所述游丝的扩展精度，其特征在于，该提升装置包括至少一个立柱，该至少一个立柱将所述外圈的一端连接到所述末端弯曲的一端且与细弹簧-内桩组件或末端弯曲形成一体。

有利地，由在多层基于硅的材料上制成的两个单独部件形成简单组件，该组件几乎对磁力和温度变化不敏感，并且不再需要当前使用的用于由金属条制造这种游丝的复杂调整步骤。

根据本发明的其它有利特征：

-提升装置包括至少一个附加立柱，该至少一个附加立柱将所述外圈的一端连接到所述末端弯曲的一端且与末端弯曲或细弹簧-内桩组件形成一体；

-每个所述至少一个立柱都固定在凹部中，该凹部形成于与所述至少一个立柱的端部相对的端部中；

-提升装置包括至少一个间隔件，该间隔件安装成用于所述至少一个立柱的加强件，以保持所述外圈的端部与所述末端弯曲的端部之间的预定间隔；

-所述至少一个间隔件与末端弯曲和/或细弹簧-内桩组件形成一体；

-提升装置的组装在细弹簧-内桩组件和末端弯曲之间是反向的(reversed)；

-提升装置还包括用于提高所述至少一个立柱的固定力的固定装置；

-固定装置包括粘结材料、所述材料的氧化物层、或金属层；

-游丝包括至少一个硅氧化物(silicon oxide)部分，以使游丝具有更高的机械强度/更大的机械抵抗力并改善游丝的热弹性系数；

-所述末端弯曲是菲利普斯(Philips)弯曲，以改善所述游丝的同心扩展；

-所述细弹簧的至少一个内圈包括格罗斯曼(Grossmann)弯曲，以改善所述游丝的同心扩展。

此外，本发明涉及一种时计，其特征在于，该时计包括根据前述变型中的任一个的宝玑双层游丝。

最后，本发明涉及制造宝玑双层游丝的方法，该方法包括以下步骤：

a)提供第一衬底，该第一衬底包括基于硅的顶层和底层，该顶层和底层通过中间层相互连接在一起；

b)在顶层中选择性地蚀刻至少一个凹腔，以限定末端弯曲或与细弹簧同轴地形成一体的内桩；

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

c)在底层中选择性地蚀刻至少一个凹腔，以限定至少一个立柱，该至少一个立柱连接到末端弯曲的一端或连接到所述细弹簧的外圈；

d)提供具有基于硅的层的第二衬底；

e)在所述第二衬底的层中选择性地蚀刻至少一个凹腔，以限定与细弹簧同轴地形成一体的内桩或限定末端弯曲，该细弹簧的外圈包括至少一个凹部，该末端弯曲的一端具有至少一个凹部；

f)将所述至少一个立柱组装在所述至少一个凹部中，以形成宝玑双层游丝。

有利地，与当前使用的用于由金属条制造这种游丝的复杂调整步骤相比，较少的步骤就能制造由基于硅的材料制成的具有提高的精度的游丝。

根据本发明的其它有利特征：

-第二衬底包括第二层基于硅的材料，该第二层通过中间层连接到第一层基于硅的材料，并且在步骤e)和f)之间，该方法还包括步骤g)：在所述第二衬底的第二层中选择性地蚀刻至少一个凹腔，以限定至少一个间隔件和/或至少一个附加立柱，该至少一个间隔件可以保持细弹簧-内桩组件与末端弯曲之间的预定间隔；

-在步骤c)期间，该蚀刻还限定至少一个间隔件，该间隔件可以保持细弹簧-内桩组件与末端弯曲之间的预定间隔；

-在步骤b)、c)和e)之后，该方法包括步骤h)：使所述材料氧化，以使所述宝玑双层游丝具有更高的机械强度并且改善所述宝玑双层游丝的热弹性系数；

-在步骤f)之后，该方法还包括步骤i)：使所述宝玑双层游丝氧化，以提高所述至少一个立柱的固定力；

-在步骤f)之前或之后，该方法还包括步骤j)：在所述至少一个立柱和所述至少一个凹部之间沉积粘结材料，以及最终步骤k)：加热所述游丝，以便使所述粘结材料活化，以提高所述至少一个立柱的固定力；

-在步骤f)之前，该方法还包括步骤1)：在所述至少一个立柱和所述至少一个凹部之间沉积金属材料，以用于在步骤f)期间使所述至少一个立柱压入(drive)所述至少一个凹部中，以提高所述至少一个立柱的固定力；

-在步骤f)期间或之后，该方法还包括步骤m)：在所述至少一个立柱和所述至少一个孔或凹部之间沉积硬钎料(braze material)或软钎料(soldering material)，以用于使所述至少一个立柱压入所述至少一个孔或凹部中，以提高所述至少一个立柱的固定力；

-该方法还包括最终步骤n)：加热所述宝玑双层游丝，以提高所述至少一个立柱的固定力。

附图说明

从以下参照附图通过非限制性示例给出的描述，可以更清楚地看出本发明的其它特征和优点，其中：

图1是根据本发明的宝玑双层游丝的立体图；

图2是图1的一个部分的放大图；

图3是图1的局部视图；

图4是图1的俯视图；

图5是根据本发明的第二实施例的宝玑双层游丝的立体图；

图6是图5的一个部分的放大图；

图7是图5的局部视图；

图8是图5的局部视图；

图9是图6的A-A截面图；

图10是制造方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图1至图9所示的示例示出用于组装在时计中与摆轮配合工作的宝玑双层游丝的两个实施例。这些附图从两个实施例示出根据本发明的宝玑双层游丝的可能的变型和/或替代方案。

在图1至图4中示出的示例中，根据第一实施例，游丝1包括细弹簧3、内桩5、末端弯曲7和提升装置9。细弹簧3和内桩5优选形成一体件，以防止在它们之间的接口处不精确，这种不精确对游丝1的扩展对称性是有害的。

如图1和图4所示，可以看到，细弹簧3优选具有包括格罗斯曼弯曲的内圈11。格罗斯曼弯曲通过相对于理想阿基米德游丝的理想弯曲矫正内圈11来补偿内桩5的使用。图1和图4还示出，内桩5总体上为三角形，并且能够接纳摆轮轴13。当然，摆轮轴13和/或内桩5的总体形状可以改变，而不会脱离本发明的范围。

优选地，在图1、图3和图4所示的示例中，末端弯曲7是菲利普斯弯曲，即，在游丝1扩展期间保持其重心位于摆轮轴13上的弯曲。优选地，如图4所示，末端弯曲7和细弹簧3的高度相同。

由于上文所述的末端弯曲7与细弹簧3-内桩5组件的几何形状的一致性，在结构上确保了游丝1的扩展对称性，但是所使用的制造类型和材料必须不能妨碍扩展。

为了确保这些弯曲的制造精度以及使游丝1几乎对磁力和温度变化不敏感，可以使用基于硅的材料。有利地，这也是可微机械加工材料，即，可以例如通过深反应离子蚀刻(DRIE)基于晶体硅的晶片来以小于1微米的精确度制造的材料。

优选地，基于硅的材料还可以包覆有其氧化物涂层，以相对于摆轮改变其热膨胀系数和热弹性系数，以精确地调整时计机芯的等时性，即，使其变差降至最小。

为了制造宝玑双层游丝1，使用提升装置9将细弹簧3的外圈15固定到位于所述细弹簧上方的末端弯曲7上。如图1至图3所示，提升装置9包括立柱17和凹部19，该立柱17与末端弯曲7形成一体，该凹部19形成于细弹簧3的外圈15的增厚端部21中。如下所述，立柱17优选由连接到用于形成末端弯曲7的层上的第二层基于硅的材料制成，例如使用绝缘体上硅(SOI)。

如图2和图3所示，立柱17垂直于末端弯曲7的增厚端部23。立柱17具有大致弯曲成圆弧的椭圆形截面，该截面小于末端弯曲7的增厚端部23的截面和细弹簧3的外圈15的增厚端部21的截面。如图3和图4所示，末端弯曲的另一端具有用于与时计机芯的固定点例如夹板配合工作的连接装置25。

如图2所示，可以更清楚地看到，位于细弹簧3的外圈15的增厚端部21处的凹部19。凹部19的形状大致与立柱17的形状互补，从而可以将立柱17滑入凹部19中并靠在其上。从而，凹部19具有大致椭圆形的截面，该截面的侧面具有在图2中基本竖直的凹槽27，用于减小组装期间立柱17与凹部19之间的接触表面，但是该凹槽27还用作插入如下所述的固定装置29的空间。因此，显然，尽管立柱17的截面有利地与凹部19的截面是互补的，但是它们可以具有与大致弯曲成圆弧的椭圆形不同的形状。

在图5至图9所示的示例中，根据第二实施例，游丝31具有细弹簧33、内桩35、末端弯曲37和提升装置39。与第一实施例相同，细弹簧33和内桩35优选形成一体件，以防止在它们之间的接口处不精确，这种不精确对游丝31的扩展对称性是有害的。

如图5和图8所示，可以看到，与第一实施例相同，细弹簧33优选具有包括格罗斯曼弯曲的内圈41。图5和图8还示出，内桩35总体上为三角形，并且，与第一实施例的内桩5相同，内桩35能够接纳摆轮轴。当然，摆轮轴和/或内桩35的总体形状可以改变，而不会脱离本发明的范围。

优选地，在图5和图7所示的示例中，与第一实施相同，末端弯曲37是菲利普斯弯曲。同样优选地，末端弯曲37和细弹簧33的高度相同。

如上所述，与第一实施例相同，游丝31优选地由基于硅的材料制成。基于硅的材料还可以优选地包覆有其氧化物涂层，以相对于摆轮改变其热膨胀系数和热弹性系数，以精确地调整时计机芯的等时性，即，使其变差降至最小。

为了制造宝玑双层游丝31，使用提升装置39将细弹簧33的外圈45固定到位于所述细弹簧上方的末端弯曲37上。如图5至图9所示，提升装置39包括两个立柱47、两个间隔件61和两个凹部49，所述两个立柱47与细弹簧33的增厚端部51形成一体，所述两个间隔件61与末端弯曲37的增厚端部53形成一体，所述两个凹部49形成于末端弯曲37的增厚端部53中。

如下所述，立柱47和间隔件61优选由连接到分别用于形成细弹簧33和末端弯曲7的层上的第二层基于硅的材料制成，例如使用SOI。

如图5、图6和图9所示，每个立柱47都位于细弹簧33的增厚端部51的对侧且具有大致圆形的截面。

如图5和图7所示，在与增厚端部53相对的端部处，末端弯曲37具有连接装置55，用于与时计机芯的固定点例如夹板配合工作。如图6、图7和图9所示，可以更清楚地看到，位于末端弯曲37的增厚端部53处的凹部49。每个凹部49的形状大致与立柱47的形状互补，从而可以将每个立柱47滑入其中一个凹部49中并靠在其上。因此，显然，尽管立柱47的截面有利地与其相关联的凹部49的截面是互补的，但是它们的形状可以不同于圆形，或甚至彼此不同以防止立柱47被组装入并不是互补的形状的凹部49中。

在图6和图9所示的示例中，凹部49具有大致圆形的截面，该截面的侧面具有基本竖直的凹槽57，用于减少在组装过程中各个立柱47与其相关联的凹部49之间的接触表面，但是该凹槽57还用作插入如下所述的固定装置29的空间。

优选地，根据第二实施例中示出的本发明的变型，间隔件61位于细弹簧33的增厚端部51和末端弯曲37的增厚端部53之间，以保持它们之间的预定间隔。根据图6、图7和图9中示出的示例，可以看到，间隔件61与末端弯曲37形成一体且抵靠在细弹簧33的增厚端部51上。因此，显然，间隔件61限制了立柱47穿过其各自凹部49的程度且从而改善了游丝31的制造质量。

通过阅读第二实施例，可以推断出，包括间隔件61的变型也可用于第一实施例。同样，显然，间隔件61和立柱17、47可与末端弯曲7、37和/或细弹簧3、33形成一体。类似地，没有间隔件61时，在细弹簧3、33-内桩5、35组件中和在末端弯曲7、37中可以包括至少一个立柱17、47，这意味着与上面参照间隔件61描述的相同，使用两个SOI。

同样，显然，与第二实施例的装置39相比，第一实施例的提升装置9安装成反向的，但具有同样有利的效果。实际上，可观察到，凹部19、49和立柱17、47的位置在细弹簧3、33和末端弯曲7、37之间是相反的。

优选地，从上述两个实施例中，提升装置9、39还可包括用于提高立柱17、47的固定力的固定装置29。根据本发明，根据以下描述的所使用的方法，存在固定装置29的多个可能的替代方案。因此，固定装置29包括在每个立柱17、47和其凹部19、49之间的至少一层28、58。如上所述，所述至少一层28、58可设置在凹槽27、57中且可以从而包括粘结材料、金属材料、所使用的材料的氧化物或熔融合金、或甚至是硬钎料或软钎料。

下面将参照图10说明制造根据本发明的两个实施例的宝玑双层游丝1、31的方法71。方法71主要包括制造部件的步骤73和组装部件的步骤77。优选地，该方法还包括机械增强所述部件的步骤75和增强该组件的步骤81。

如图10所示，第一步骤73用于在各个阶段70、72和74期间制造宝玑双层游丝1、31的部件，即，细弹簧3、33-内桩5、35组件、末端弯曲7、37和提升装置9、39。优选地，将使用干法或湿法微机械加工技术，以便非常精确地制造所述部件。在上述示例中，微机械加工可以是对基于晶体硅的晶片的深反应离子蚀刻类型的干法各向异性蚀刻。

因此，阶段70首先包括提供第一SOI衬底和第二硅晶片衬底。当然，如上所述，在使用位于与包括每个立柱的部件相对的部件上的间隔件61的变型方案的情况下和/或在使用位于每个部件上的至少一个立柱17、47的变型方案的情况下，第二层衬底也可以是SOI类型的。

然后，阶段72和74包括分别蚀刻第一衬底的层和第二衬底的层。首先，例如使用光敏树脂光刻方法为每层覆上保护性掩膜。其次，对掩膜-晶片组件进行各向异性蚀刻，仅有所述层的未受保护的部分被蚀刻。最后，在第三阶段，除去保护性掩膜。因此，显然，保护性掩膜直接确定了在每层上被蚀刻部件的最终形状。

在阶段72和/或74中，根据上述实施例和/或变型方案，例如可以从SOI衬底获得图3的形成一体件的带有立柱17和连接装置25的末端弯曲7，从SOI衬底获得图7的形成一体件的带有间隔件61、连接装置55和凹部49的末端弯曲37，还可以从SOI衬底获得图8的形成一体件的带有立柱47的细弹簧33-内桩35组件，以及从单个硅层获得图1和图2的带有凹部19的细弹簧3-内桩5组件。

有利地，易于为已有的机芯尺寸制造宝玑双层游丝1、31。因此，有利地，仍然可以通过用新的、由硅制成的、变差和品质改进的宝玑双层游丝来替换通常使用的金属宝玑双层游丝来简单地制造机芯。还可以得出如下结论，可以在每个衬底上数次蚀刻相同的部件。

第二步骤77用于组装在步骤73中蚀刻出的部件，即，细弹簧3、33-内桩5、35组件、末端弯曲7、37以及提升装置9、39。首先，例如通过破坏在每个部件与其衬底之间残留下来的材料桥状物来使每个必要部件与被蚀刻晶片分离。其次，将这三个部件组装在一起，以形成由两个单独部件组成的游丝1、31。在此第二阶段中，使用提升装置9、39将外圈15、45的端部21、51装配到末端弯曲7、37的端部23、53中。

优选地，根据图1的第一实施例，在步骤77结束时，游丝1的整体高度大致等于用于形成末端弯曲7和立柱17的第一衬底的厚度。

根据图5的第二实施例，在步骤77结束时，游丝31的整体高度大致等于用于形成细弹簧33-内桩35组件和立柱47的第二衬底的厚度。有利地，由于间隔件61，在阶段77期间，确保了在细弹簧33的外圈45的增厚端部51和末端弯曲37的增厚端部53之间的间隔。

如上所述，方法71还可以包括增强被蚀刻部件的步骤75，此步骤包括执行等离子氧化，以便产生表面二氧化硅的过量厚度。在图10中以虚线示出的示例中，增强步骤75在蚀刻步骤73和组装步骤77之间执行，这意味着所有被蚀刻层都可以被氧化，即，所有部件同时被氧化。当然，步骤75也可以在阶段72和/或74之后执行。

如上所述，方法71还可以包括通过使用固定装置29来增强被蚀刻部件的组件的步骤81。在图10所示的示例中，可以分出三个不同的替代实施例，分别使用双线、三线或四线示出其过程。

根据图10中的由双线示出的固定装置29的第一替代实施例，增强步骤81可以包括在阶段83期间在凹部19、49的内侧和尤其在凹槽27、57中沉积层28、58，以便允许立柱17、47被压入所述凹部中。因此，此层28、58可以由例如通过气相沉积获得的金属层构成。由于硅中缺少塑性域，需要使用可以变形的层28、58，以防止立柱17、47和/或凹部19、49被破坏，这是由于为使游丝1、31正常工作所必须的压入力会产生大于所述硅的弹性区的极限的应力。

当然，可选择地，层28、58也可以不沉积在凹部19、49的内侧，而是沉积在立柱17、47的端部上。因此，在图10中的双线所示的示例中，可以清楚地看到，在该第一替代实施例中，层28、58必须在组装步骤77之前沉积。但是，阶段83的沉积物还可以由钎焊层28、58构成。钎焊可以在组装步骤77期间或之后执行。

根据图10中的四线所示的固定装置29的第二替代实施例，组件增强步骤81可以包括在过程85期间在凹部19、49和立柱17、47之间沉积粘结层28、58，以提高所述立柱的固定力。因此，第一阶段80可以包括在组装好的部件的界面处沉积粘结材料，然后优选地在第二阶段82中加热该组件以使所述粘结材料活化。此层28、58从而可以由例如聚合物粘结层构成。

当然，可选择地，如果粘结材料在未活化状态下不太粘或不足够粘，则沉积阶段80也可以在组装步骤77之前执行。从而，在组装步骤77之前，可以在凹部19、49内侧和/或在立柱17、47的端部上完成沉积阶段80，并且优选地在组装步骤77之后在阶段82期间加热。因此，在该第二替代实施例的示例中，显然，由于它们的粘附力，层28、58将组件牢固地保持就位。

根据图10中的三线所示的固定装置29的第三替代实施例，组件增强步骤81可以包括在过程87期间在凹部19、49与立柱17、47之间形成连接层28、58，以提高所述立柱的固定力。因此，第一阶段84可以包括例如通过等离子蚀刻来氧化基于硅的游丝1、31的表面以形成二氧化硅层，该二氧化硅层可以改善组装在一起的部件之间的连接，然后优选在第二阶段86加热该组件以使得所述连接更加改善。

当然，可选择地，氧化阶段84也可以在组装步骤77之前执行并且由可选的氧化步骤75代替。因此，已经被氧化的部件可以在步骤77期间被组装起来，并且优选地在阶段86期间被加热，以在凹部19、49和立柱17、47之间的界面处产生单个二氧化硅层28、58，以便提高所述立柱的固定力。应该指出，在加热阶段86之前的亲水化阶段改进了连接二氧化硅层的步骤。因此，可以清楚地看出，在该第三替代实施例的示例中，类似于另外两个替代实施例，层28、58使得凹部19、49与立柱17、47之间的组装增强。

最后，作为第三实施例的替代方案，可以想到包括单个步骤86的过程87，在该步骤86中，加热在步骤77中组装好的硅部件，以焊接所述部件的受应力界面。