ES2318778T3 - Pieza de micromecanica reforzada. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de fabricación de una pieza de silicio reforzado elegida entre el conjunto constituido por ruedas dentadas, ruedas de escape, áncoras, piezas pivotadas y piezas pasivas, dicho procedimiento comprende, en el orden, las etapas que consisten en: - micromecanizar la pieza, o un lote de piezas en una plaqueta de silicio, - efectuar, sobre toda la superficie de la pieza, en una o varias etapas, el depósito de dióxido de silicio, efectuándose el depósito por oxidación térmica a una temperatura comprendida entre 900ºC y 1200ºC de la superficie de la pieza durante un tiempo suficiente para obtener un espesor de dióxido de silicio al menos cinco veces superior al espesor de un dióxido de silicio nativo.

Description

Pieza de micromecánica reforzada.

Campo técnico

La presente invención se refiere a una pieza de micromecánica realizada con silicio, y habiendo experimentado un tratamiento que le confiere unas propiedades mecánicas acrecentadas. Se trata por ejemplo, pero de manera no limitativa, de una pieza de micromecánica de un movimiento relojero mecánico es decir sea de una pieza que tenga un papel activo por ejemplo para transmitir y/o transformar una energía con el fin de activar unas agujas para dar una indicación horaria en una esfera, sea de una pieza "pasiva" permitiendo por ejemplo posicionar unos móviles.

Segundo plano tecnológico

El silicio es un material cada vez más utilizado en la fabricación de piezas mecánicas y especialmente de piezas de micromecánica, que se trate de piezas "cautivas", es decir que quedan ligadas a un sustrato sobre el cual han sido mecanizadas, o piezas "libres" tales como piezas formando parte de la cadena cinemática de un movimiento relojero.

Con relación a los metales o aleaciones utilizados clásicamente para fabricar piezas de micromecánica, tales como ruedas dentadas, piezas articuladas, o resortes, el silicio presenta la ventaja de tener una densidad 3 a 4 veces menor y por consiguiente presentar una inercia muy reducida, y ser insensible a los campos magnéticos. Estas ventajas son particularmente interesantes en el campo relojero, tanto en lo que se refiere al isocronismo como a la duración de funcionamiento cuando la fuente de energía está constituida por un resorte.

El silicio tiene sin embargo, con razón, la reputación de ser sensible a los choques, que pueden ser necesarios durante el ensamblaje, inevitables durante el funcionamiento, o fortuitos por ejemplo cuando el usuario da un golpe o deja caer su reloj de pulsera.

El documento de patente EP 1.422.436 A1 describe una espiral de silicio formada por una barra en espiral revestida sobre toda su superficie de una capa de óxido de silicio amorfo. Según este documento, el primer coeficiente térmico del modulo de Young para el óxido de silicio amorfo está opuesto al del silicio. Así la combinación de un alma en silicio con una capa externa de óxido permitiría minimizar dicho primer coeficiente térmico.

Este documento anterior no hace alusión al problema que constituye la sensibilidad a los choques de las piezas realizadas en silicio.

Resumen de la invención

La presente invención tiende pues a aportar una solución que tiende a mejorar la resistencia mecánica de una pieza de micromecánica de silicio, y en particular su resistencia a los choques.

A tal efecto la invención se refiere a una pieza de micromecánica de silicio según la reivindicación independiente 5.

La invención se refiere igualmente a un procedimiento de fabricación de una pieza de silicio reforzado según la reivindicación 1. Este procedimiento permite formar, en particular por oxidación térmica, la capa amorfa espesa que aumenta considerablemente las propiedades mecánicas de dicha pieza, como se verá en la descripción detallada a continuación.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente invención aparecerán claramente en la descripción a continuación de un ejemplo de realización, dado a título no limitativo, haciendo referencia a los dibujos anexos en los cuales:

- La figura 1 representa la sección inicial de una espiral de silicio

- la figura 2 corresponde a la figura 1 después de depósito de una material amorfo, y

- la figura 3 representa una etapa suplementaria de depósito de un revestimiento anti-fricción.

Descripción detallada de la invención

Se ha tomado a título de ejemplo una espiral montada en un movimiento relojero, y del cual es fácil detectar el disfuncionamiento, simplemente observando la inmovilidad del movimiento si dicha espiral se rompe, como se explicará más adelante.

La espiral se obtiene a partir de una plaqueta de silicio, que tiene un espesor ligeramente inferior a la altura final deseada para la espiral, por las técnicas conocidas de micromecanización.

Se puede por ejemplo recurrir a la técnica de grabado iónico reactivo (RIE) y dar a la espiral la forma que se estima más apropiada, como descrito por ejemplo en la solicitud internacional W02004/070476.

Teniendo en cuenta las dimensiones muy pequeñas de una espiral, una misma plaqueta permite fabricar de una sola vez un lote de espirales.

La figura 1 representa la sección de una espiral que tiene un alma de silicio, designando la referencia 3 la superficie exterior inicial. Cuando esta espiral está abandonada un cierto tiempo en el medio ambiente, se recubre naturalmente de dióxido de silicio llamado "óxido nativo" (no representado) cuyo espesor está sensiblemente comprendido entre 1 y 10 nm.

La figura 2 representa la misma sección de la espiral después de tratamiento según la invención, por oxidación térmica surfácica entre 900ºC y 1200ºC. A tal efecto se aplica el protocolo descrito en el trabajo "semiconductors devices": physics and technology (éds John Wiley & Sons, ISBN 0-471-87424-8, 01.01 1985, p.341-355). Así se necesita aproximadamente 10 h a una temperatura de 1100ºC para obtener un espesor de SiO_{2} de aproximadamente 1,9 \mum. Como se observa en la figura 2, el dióxido se forma en detrimento del silicio cuyo frente 3 retrocede para crear una nueva superficie de contacto 5 con el SiO_{2} formado. A la inversa, dado que SiO_{2} tiene una densidad menor, la superficie exterior 7 de SiO_{2} se extiende más allá de la superficie inicial de la espiral. Las posiciones de estas líneas de demarcación 3, 5 y 7 no están representadas a escala, pero es evidente que el conocimiento de las propiedades físicas de Si y de SiO_{2} y de las características del tratamiento térmico permite calcular las cotas iniciales para cortar la espiral para obtener finalmente de este tratamiento las cotas deseadas.

Según una primera serie de ensayos, la resistencia mecánica de piezas de silicio no oxidado y de silicio oxidado ha sido probada desde la etapa de fabricación hasta el montaje.

Durante la fabricación de un lote de piezas de silicio las piezas deben manipularse en diferentes etapas de fabricación. Para el caso preciso descrito aquí se trata de piezas de silicio proviniendo de dos plaquetas de silicio que han sufrido unas operaciones idénticas.

Las piezas han sido montadas después en un movimiento. Durante las pruebas las piezas están fijadas sobre un eje de acero y sufren pinzamientos con pinzas finas así como a la instalación de medida. Durante el montaje fina en movimiento, el centro de la pieza está sobre un eje macizo.

La tabla a continuación resume el resultado de este ensayo efectuado con 19 piezas no oxidadas y 36 piezas oxidadas.

\vskip1.000000\baselineskip

1

\vskip1.000000\baselineskip

Durante este ensayo, la comparación del porcentaje de éxito de toda una cadena de operación muestra que las piezas de silicio oxidadas son menos frágiles que las mismas piezas sin oxidación.

Las propiedades mecánicas de una espiral de silicio corriente (fig. 1) y de una espiral modificada según la invención (fig. 2) han sido igualmente comparadas en situación real después de montaje con la prueba a los choques mediante un aparato para ensayos de choques con péndulo de 5000 g.

Dos movimientos idénticos, en los cuales han sido montadas una espiral no tratada y una espiral modificada según la invención respectivamente, han sido sometidos a este test de resistencia mecánica.

Los movimientos equipados de espirales no oxidadas o teniendo un depósito mínimo de óxido nativo se han parado rápidamente debido a la rotura de la espiral por los choques.

Los movimientos equipados de espirales según la invención han resistido durante largo tiempo a los choques y han conservado un funcionamiento y un isocronismo del todo satisfactorios durante más de 30 semanas al ser llevados.

Así, de manera sorprendente, sustituyendo un material, el silicio por un material de densidad menor, el dióxido de silicio, se aumenta la resistencia mecánica, cuando lógicamente se hubiera esperado una disminución de la resistencia mecánica.

En el ejemplo que se acaba de describir, la "capa espesa amorfa" era dióxido de silicio. De manera equivalente se podría formarla con otros procedimientos de deposición, utilizando otros materiales tales como el nitruro o el carburo de silicio, o el carburo o el nitruro de titanio.

Este ejemplo muestra que todas las superficies exteriores de la pieza están uniformemente revestidas de depósito amorfo espeso. Es evidente que utilizando protecciones adecuadas el depósito podría efectuarse únicamente sobre las partes elegidas de la pieza, es decir las partes más solicitadas en el plano mecánico. A la inversa, por ejemplo después de un revestimiento total de SiO_{2}, es totalmente posible eliminar ciertas partes del revestimiento por ataque químico al BHF, por ejemplo por razones estéticas o para formar otro tipo de revestimiento.

Refiriéndonos a la figura 3, se ha representado una variante en la cual una etapa suplementaria permite añadir sobre la capa espesa amorfa 2 un revestimiento 4 realizado en un material elegido por sus propiedades tribológicas.

La descripción precedente se ha realizado tomando la espiral de un movimiento relojero a título de ejemplo, pero es evidente que las mismas ventajas se encontrarían para cualquier otra pieza de un movimiento relojero (rueda dentada, rueda de escape, ancora, piezas pivotadas, etc...) y en general cualquier pieza de un micromecanismo sin salir del marco de la presente invención.

Claims (7)

1. Procedimiento de fabricación de una pieza de silicio reforzado elegida entre el conjunto constituido por ruedas dentadas, ruedas de escape, áncoras, piezas pivotadas y piezas pasivas, dicho procedimiento comprende, en el orden, las etapas que consisten en:

- micromecanizar la pieza, o un lote de piezas en una plaqueta de silicio,

- efectuar, sobre toda la superficie de la pieza, en una o varias etapas, el depósito de dióxido de silicio, efectuándose el depósito por oxidación térmica a una temperatura comprendida entre 900ºC y 1200ºC de la superficie de la pieza durante un tiempo suficiente para obtener un espesor de dióxido de silicio al menos cinco veces superior al espesor de un dióxido de silicio nativo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque, en la primera etapa del procedimiento, la pieza está micromecanizada con unas cotas ligeramente inferiores a las cotas finales deseadas.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además una etapa suplementaria que consiste en revestir, al menos parcialmente el depósito de dióxido de silicio de un revestimiento en un material elegido para sus propiedades tribológicas, tal como el carbono cristalizado en forma de diamante o nanotubos de carbono.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, después de la etapa de depósito de un revestimiento de dióxido de silicio, la etapa de eliminar ciertas partes de este revestimiento por ataque químico al BHF.

5. Pieza de micromecánica de silicio destinada a integrarse en un mecanismo relojero, caracterizada porque es susceptible de obtenerse por el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, siendo elegida dicha pieza entre el conjunto constituido por las ruedas dentadas, las ruedas de escape, las áncoras, las piezas pivotadas y las piezas pasivas, caracterizada porque está revestida sobre toda su superficie de dióxido de silicio y porque el espesor formado es superior a cinco veces el espesor del dióxido de silicio nativo.

6. Pieza según la reivindicación 5, caracterizada porque el depósito de dióxido de silicio tiene un espesor superior a 50 nm.

7. Pieza según la reivindicación 5, caracterizada porque el depósito de dióxido de silicio es además al menos parcialmente revestido, para sus partes en contacto con otras piezas de una cadena cinemática, de un revestimiento elegido para sus propiedades tribológicas, tal como carbono cristalizado en forma de diamante (DLC) o nanotubos de carbono.