制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件的方法
【專利摘要】本發明涉及一種制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件（31，41，61，91）的方法。根據本發明，所述方法（1）包括在單個高度上的LIGA工藝以及對直接在襯底（2）上的LIGA沉積物進行機加工的工藝。
【專利說明】制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種制造包括至少兩個不同的功能性高度(functional level)的一體式微機械構件的方法。
【背景技術】
[0002]利用連續的LIGA類型工藝一即，通過包括具有結構的樹脂模具和電鑄沉積在該模具的空腔內的金屬的堆疊層——形成具有多個不同的功能性高度的金屬構件是已知的。
[0003]然而，因為功能性高度必須適當地以彼此為參照，所以難以執行用于形成多個功能性高度的這些連續步驟。此外，清楚的是，與在單個高度上的兩次電鑄沉積相比，這個困難涉及更高的成本。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是，通過提出制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件的替代方法來克服前述全部或部分缺陷，該方法執行起來較不昂貴。
[0005]本發明因此涉及一種制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟:
[0006]a)形成硅襯底，該硅襯底的頂表面是導電的；
[0007]b)利用光敏樹脂構造模具以形成腔，所述腔的基部由所述導電的頂表面形成；
[0008]c)通過電鑄(galvanoplasty)填充所述模具的腔，以形成金屬部件；
[0009]d)選擇性地對所述金屬部件的一部分進行機加工，以形成具有至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件；
[0010]e)將所述微機械構件從所述硅襯底和所述光敏樹脂釋放出來。
[0011]顯然，根據本發明有利地，每個具有至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件由在特有的模型中通過LIGA工藝形成并然后直接在襯底上機加工的金屬部件形成，以便利用每個金屬部件在襯底上精確定位的優點。
[0012]結果，外部尺寸和可能地內部尺寸由于LIGA工藝而保持高精度，并且一體式微機械構件的其余部分享有比LIGA工藝低的機加工精度，從而節約了制造成本。因此得到了包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件，其更容易制造并且同時保持了非常高的精度的外部部分和可能地內部部分。
[0013]根據本發明的其它有利特征:
[0014]-通過對所述硅襯底摻雜和/或通過將導電層沉積在所述硅襯底上而使所述頂表面導電；
[0015]-所述娃襯底的厚度介于0.3mm和Imm之間；
[0016]-步驟b)包括下述階段:f)將光敏樹脂層沉積在所述硅襯底的導電的頂表面上；
g)選擇性地照射所述光敏樹脂的一部分；h)使所述光敏樹脂顯影(develop)以構造所述模亙..,N 9
[0017]-所述金屬部件由鎳磷基形成，例如NiP或NiP12；
[0018]-所述方法在所述步驟c)和所述步驟d)之間包括下述步驟:i)通過研磨(lapping)將所述模具和所述金屬部件整平；
[0019]-所述方法在所述步驟e)中包括下述階段:j)移除所述光敏樹脂；k)移除所述硅襯底；
[0020]-所述方法在所述階段j)和所述階段k)之間還包括下述階段:1)將涂層沉積在微機械構件-襯底組件上；
[0021]-通過物理或化學氣相沉積或電鑄實現所述階段I)；
[0022]-在同一襯底上形成多個微機械構件。
[0023]另外，本發明涉及一種鐘表，其特征在于，所述鐘表包括根據前述變型中的任一個的包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]從下面參考附圖經由非限制性示例給出的描述中可以清楚地發現其它特征和優點，其中:
[0025]-圖1至5是根據本發明第一實施例的方法的連續步驟的圖；
[0026]-圖6和圖7是根據本發明第二實施例的方法的最終步驟的圖；
[0027]-圖8至10是使用根據本發明的第一變型的方法電鑄且然后機加工而成的金屬部件的圖；
[0028]-圖11至13是使用根據本發明的第二變型的方法電鑄且然后機加工且然后組裝而成的金屬部件的圖；
[0029]-圖14至16是使用根據本發明的第三變型的方法電鑄且然后機加工且然后組裝而成的金屬部件的圖；
[0030]-圖17是根據本發明的方法的框圖。
【具體實施方式】
[0031]本發明的目的是，提出一種制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件的方法，該方法實施起來較不昂貴。本發明的另一目的是，根據這種方法制造微機械構件的全部或一部分。微機械構件優選地用于安裝于鐘表內。當然，還可以設想將本發明應用在其它領域中，例如，尤其是航空工業或汽車工業領域中。
[0032]如圖17所示，本發明涉及制造包括至少兩個功能性高度的一體式微機械構件31、
41、61、91 的方法 I。
[0033]根據方法1，如圖1所示，第一步驟3用于形成硅襯底2，該硅襯底的頂表面4是導電的。優選地，通過對娃襯底2摻雜和/或通過將導電層沉積在娃襯底2上而使頂表面4導電。
[0034]在任何情況下，后續的電鑄沉積物盡可能牢固地附著在襯底2上都是很重要的。實際上，金屬部件21、51、81極牢固地固定至頂表面4和附帶地固定至襯底2對于步驟9而言是關鍵的。[0035]根據本發明優選地,娃襯底2的厚度介于0.3mm和Imm之間。另外,如果使用導電層，則該導電層將優選是金基的，即，由純金或其合金制成的。最后，可以例如通過物理或化學氣相沉積或任何其它沉積方法來沉積所述導電層。
[0036]方法I接下來的是如圖2所示的第二步驟5，第二步驟5用于由光敏樹脂6構造模具以形成腔8，該腔的基部由襯底2的導電的頂表面4形成。
[0037]顯然，圖2只是簡化的圖，可以構造很復雜的形狀。因此，可以在步驟5中在樹脂6內構造出不一定具有相同形狀的多個腔8，從而可以在同一襯底2上形成多個微機械構件31、41、61、91。
[0038]步驟5優選包括三個階段。步驟5包括將光敏樹脂層6沉積在襯底2的導電的頂表面4上的第一階段。這個階段可以通過旋轉涂覆或超聲噴射獲得。第二階段用于選擇性地照射光敏樹脂的一部分。因此，顯然，取決于光敏樹脂的屬性，即，取決于樹脂是正性或負性的，所述照射將集中在所需要的將來的腔8上或者集中在除了所需要的將來的腔8以外的部分上。
[0039]最后，步驟5以第三階段終止，第三階段用于使被選擇性地照射的光敏樹脂6顯影，以構造出模具，即，使位于腔8之間的剩余光敏樹脂6硬化。該第三階段通常通過用于形成腔8的化學蝕刻以及隨后的用于使任何仍存在的樹脂硬化的熱處理獲得。
[0040]方法I接下來的是如圖3所示的第三步驟7，第三步驟7用于通過電鑄填充模具的腔8以形成金屬部件21、51、81。如上面解釋的，金屬部件21、51、81在投影中具有相同的模型。因此，顯然，LIGA工藝不具有任何額外的執行困難，例如，在更高高度上形成其它功能性模型。
[0041]根據本發明有利地，由于步驟5的非常精確的光刻法，方法I可以制造出具有高精度的外部尺寸和可能地內部尺寸的金屬部件21、51、81，所述尺寸能夠符合鐘表制造領域內的微機械構件所要求的極高的公差。“內部尺寸”是指金屬部件21、51、81中的開口 /或孔可以在步驟7中直接由嵌入在腔8中的具有結構的樹脂6的任何部分形成。
[0042]為了實施制造用于手表制作的微機械構件31、41、61、91的方法，優選使用在摩擦學上有利于與紅寶石、鋼或黃銅部件接觸的材料。此外，需要對磁場的敏感性低。最后，為了有助于步驟9，不是太硬的材料是優選的。這樣，考慮到上述約束，已經發現由鎳和磷形成的合金(NiP)且尤其是磷的比例基本上等于12%的這種類型的合金(NiP12)尤其適合于在步驟7中填充腔8。
[0043]方法I接下來的是如圖4所示的步驟9，步驟9用于選擇性地機加工金屬部件21、51、81的一部分，以形成具有至少兩個不同的功能性高度的微機械構件31、41、61、91。如上所述，然后改變在投影中具有相同的輪廓的金屬部件21、51、81的厚度，以形成在多個高度上的至少兩個功能性模型。因此獲得了所需要的微機械構件31、41、51、91，而不需要通過連續的LIGA工藝形成多個堆疊的功能性高度。
[0044]因此，每個金屬部件21、51、81牢固附著至襯底2的頂表面4的重要性是顯然的。實際上，在步驟9中的機加工過程中，每個金屬部件21、51、81都將經受大的應力。因此，如果附著不充分，則方法I就會喪失將每個金屬部件21、51、81精確定位在襯底2上的優點，或者可能甚至將金屬部件21、51、81剪切至使它們與襯底2分離的程度。
[0045]相反，在牢固附著的情況下，由于每個金屬部件21、51、81在襯底2上的精確定位，所以可以在步驟9中利用可以編程為具有精確尺寸的自動化機器來加工仍在襯底2上的每個金屬部件21、51、81。需要注意的是，盡管步驟9用于對每個金屬部件21、51、81進行機加工，但是也可以通過由所用工具或者待移除的體積所引起的應力對具有結構的樹脂6的一部分進行機加工，如在圖4中可見的空白空間所示。
[0046]最后，方法I結束于如圖5所示的步驟11，步驟11用于將微機械構件31、41、61、91從襯底2和光敏樹脂6釋放出來，如圖5所示。因此，在第一階段12，步驟11用于移除光敏樹脂6，然后在第二階段14中移除襯底2。可以例如通過等離子蝕刻實現階段12，而優選通過化學蝕刻實現階段14。以優選的方式，當導電層用于形成導電的頂表面4時，這個層也將在階段14中被移除并且可能通過選擇性的化學蝕刻而恢復。
[0047]當然，本發明不限于示出的例子，而是能具有對于本領域技術人員而言顯而易見的各種變型和改變。尤其，方法I可以包括介于步驟7和步驟9之間的可選步驟10，該步驟10用于通過研磨來整平金屬部件21、51、81和由光敏樹脂6形成的模具。可能需要這個可選步驟，以確保微機械構件31、41、61、91的尺寸，即，保證模具被完全填充。
[0048]還可以設想，利用多個金屬部件21、51、81存在于同一襯底2上來給它們涂覆預定的層。這樣，方法I可以包括如圖6所示的介于階段12和階段14之間的可選階段16，該可選階段16用于將涂層13沉積在微機械構件31、41、61、91_襯底2組件上。這個可選階段16可以例如通過物理或化學氣相沉積、電鑄或任何其它類型的沉積來實現。
[0049]在階段14結束時，因而得到了部分地覆蓋有層13的微機械構件31、41、61、91，如圖7所示。優選地，層13用于改善例如由碳的同素異形體、例如石墨或類金剛石形成的微機械構件31、41、61、91的摩擦性能。然而，該層還可以具有其它功能，例如，改變微機械構件31、41、61、91的顏色或硬度。
[0050]示例性的鐘表應用在圖8至16中示出的三個變型中示出。圖8至10示出的第一變型示出在方法I的步驟7中得到的金屬部件21。所述部件大致呈現為具有包括中心孔26的雙齒圈22、24的星形件。在方法I的步驟11結束時，因而可以得到呈現為圖9中示出的擒縱輪31形式的或圖10中示出的擒縱輪41形式的微機械構件，所述兩種微機械構件都是一體式的且包括可以涂覆有層13或未涂覆有層13的至少兩個不同的功能性高度。
[0051]因此，在圖9的情況中，金屬部件21的八個臂33已經被機加工成每個臂的端部形成處于較低高度的齒22。金屬部件21的其余部分保持不變，尤其是孔26和八個臂35，所述臂35的每個端部形成處于較低高度和處于較高高度的第二齒24。
[0052]可替代地，在圖10的情況中，金屬部件21的八個臂43已經被機加工成每個臂的端部形成處于較低高度的齒22。同樣地，環繞孔26的區域已經被機加工成使得孔26僅存在于較低高度中。最后，八個臂45和較高高度的一部分已經被機加工成使得僅保留臂45的端部，同時第二齒24保持處于較低高度和較高高度。
[0053]在圖11至13中示出的第二變型示出在方法I的步驟7中得到的金屬部件51。部件51大體上呈現為H形部件，該H形部件具有兩個通過橫向部分57彼此連接的平行部分53、55。如圖11所不,橫向部分57包括中心部分56,該中心部分的截面比所述橫向部分的其余部分更向外張開。
[0054]在方法I的步驟11結束時，因而可以得到呈現為圖12中示出的叉61的形式的微機械構件，該微機械構件是一體式的且包括可以涂覆有層13或未涂覆有層13的至少兩個不同的功能性高度。因此，金屬部件51在兩個平行部分53、55上被機加工至兩個深度——即，形成三個功能性高度一并且在橫向部分57的非向外張開部分上被機加工至單個深度。
[0055]在圖12的例子中，叉61因此僅包括處于較低高度的整個平行部分53、55，以形成兩個角狀部62、64。中間高度僅部分地包括平行部分53、55以及橫向部分57的未向外張開的部分，以形成肩部63和65。最后，僅金屬部件51的橫向部分57的中心部分56被保存，以僅在頂部高度中形成柱。
[0056]如在圖13中所見，叉61可以然后通過將中心柱部件56壓入到桿73的孔76中而被安裝，以形成擒縱叉71。可以通過LIGA工藝獲得具有一體的叉頭釘78的桿73。除了叉61以外，桿73可以設置有擒縱叉軸79以及在桿的臂72、74上的擒縱叉瓦75、77。顯然，根據本發明有利的是，也可以利用本發明的方法I得到擒縱叉71的全部或部分。例如，擒縱叉瓦75和77、桿73、叉頭釘78和孔76可以是一體式的并利用本發明的方法I獲得。
[0057]在圖14至16中示出的第三變型示出在方法I的步驟7中得到的金屬部件81。部件81大體上呈現為U形部件，該U形部件具有兩個通過基部87彼此連接的平行部分83、85。如圖14所示，基部比平行部分厚，以形成基本上十字形的開口 86。
[0058]在方法I的步驟11結束時，因而可以得到呈現為圖15中示出的叉91形式的微機械構件，所述微機械構件是一體式的且包括可以涂覆有層13或未涂覆有層13的至少兩個不同的功能性高度。因此，金屬部件81在兩個平行部分83、85上被機加工至單個深度，并且在基部87上被機加工至兩個深度，即，形成三個功能性高度。
[0059]在圖15的例子中，叉91因此僅包括處于較低高度的整個平行部分83、85，以形成兩個角狀部92、94。中間高度僅部分地包括基部87，形成藉由肩部95而收縮的柱狀件93，以形成頂部高度。最后，所述收縮用于釋放出處于較高高度的開口 86并且形成四個柱96、97、98、99。
[0060]如在圖15中所見，叉91可以然后通過將柱96、97、98、99壓入到桿103的孔106中而被安裝，以便形成擒縱叉101。可以通過LIGA工藝獲得具有一體的叉頭釘108的桿103。除了叉91以外，同在第二變型中一樣，桿103還可以設置有擒縱叉軸以及在桿的臂102、104上的擒縱叉瓦。顯然，根據本發明有利的是，也可以利用本發明的方法I得到擒縱叉101的全部或部分。例如，擒縱叉瓦、桿103、叉頭釘108和孔106可以是一體式的并利用本發明的方法I獲得。
[0061]結果，根據本發明有利的是，外部尺寸22、24、53、55、56、83、85和可能地內部尺寸26,86由于LIGA工藝而保持高精度，并且一體式微機械構件31、41、61、91的其余部分享有機加工精度以節約制造成本。因此得到了包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件31、41、61、91，其更容易制造并且同時保持高精度的外部部分22、24、53、55、56、83、85和可能地內部部分26、86。
[0062]當然，本發明不限于示出的例子，而是能具有對于本領域技術人員而言顯而易見的多種變型和改變。尤其是，在鐘表制造領域中，微機械構件31、41、61、91決不限于輪副或擒縱叉的全部或部分。可以設想其它鐘表部件，尤其是橋夾板、機板或擺輪。
[0063]此外，如上所述，還可以設想將本發明應用至除了鐘表制造之外的其它領域，例如航空工業或汽車工業。
【權利要求】
1.一種制造包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件(31，41，61，91)的方法(I )，其特征在于，該方法包括下述步驟: a)形成娃襯底(2),該娃襯底的頂表面(4)是導電的； b)利用光敏樹脂(6)構造模具以形成腔(8)，所述腔的基部由所述導電的頂表面(4)形成； c )通過電鑄填充所述模具的腔(8 )，以形成金屬部件(21，51，81); d)選擇性地對所述金屬部件(21，51，81)的一部分進行機加工，以形成具有至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件(31，41，61，91); e)將所述微機械構件(31，41，61，91)從所述硅襯底(2)和所述光敏樹脂(6)釋放出來。
2.根據權利要求1所述的方法(1)，其特征在于，通過對所述硅襯底(2)摻雜和/或通過將導電層沉積在所述硅襯底(2)上而使所述頂表面(4)導電。
3.根據權利要求1所述的方法(1)，其特征在于，所述硅襯底(2)的厚度介于0.3mm和Imm之間。
4.根據權利要求1所述的方法(1)，其特征在于，所述步驟b)包括下述階段: f)將光敏樹脂(6) 層沉積在所述硅襯底(2)的導電的頂表面(4)上； g)選擇性地照射所述光敏樹脂(6)的一部分； h)使所述光敏樹脂(6)顯影以構造所述模具。
5.根據權利要求1所述的方法(1)，其特征在于，所述金屬部件(21，51，81)由鎳磷基(NiP, Ν?Ρ12)形成。
6.根據權利要求1所述的方法(1)，其特征在于，所述方法在所述步驟c)和所述步驟d)之間包括下述步驟: i )通過研磨將所述模具和所述金屬部件(21，51，81)整平。
7.根據權利要求1所述的方法(I)，其特征在于，所述方法(I)在所述步驟e)中包括下述階段: j)移除所述光敏樹脂； k)移除所述硅襯底； 并且所述方法(I)在所述階段j)和所述階段k)之間還包括下述階段: I)將涂層(13)沉積在微機械構件(31，41，61，91)-襯底(2 )組件上。
8.根據權利要求7所述的方法(I)，其特征在于，通過物理或化學氣相沉積實現所述階段I)。
9.根據權利要求7所述的方法(I)，其特征在于，通過電鑄實現所述階段I)。
10.根據權利要求1所述的方法(I)，其特征在于，在同一娃襯底(2)上形成多個微機械構件(31，41，61，91)。
11.一種鐘表，其特征在于，所述鐘表包括根據權利要求1至10中任一項所述的包括至少兩個不同的功能性高度的一體式微機械構件(31，41，61，73，91，103 )。
【文檔編號】B81C1/00GK103979483SQ201410049720
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月13日 優先權日:2013年2月13日
【發明者】A·弗辛格, M·斯特蘭策爾 申請人:尼瓦洛克斯-法爾股份有限公司