EP3088969B1 - Ressort spiral thermocompensé et son procédé de fabrication - Google Patents

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EP3088969B1
EP3088969B1 EP16161007.6A EP16161007A EP3088969B1 EP 3088969 B1 EP3088969 B1 EP 3088969B1 EP 16161007 A EP16161007 A EP 16161007A EP 3088969 B1 EP3088969 B1 EP 3088969B1
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EP
European Patent Office
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elastically flexible
flexible strand
silicon oxide
spiral spring
separation layer
Prior art date
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Active
Application number
EP16161007.6A
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EP3088969A1 (fr
Inventor
Marc-André Glassey
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Sigatec SA
Original Assignee
Sigatec SA
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Publication date
Application filed by Sigatec SA filed Critical Sigatec SA
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring

Definitions

  • the present invention relates to the field of watchmaking. More specifically, it relates to a thermocompensated spiral spring and its manufacturing process.
  • An oscillator is present in any watch movement. This is commonly known as the regulating organ of the watch movement.
  • the function of this oscillator is to divide the time into equal units and thus provide the rate on which the measurement of time is based.
  • a mechanical oscillator conventionally used in watchmaking results from the coupling of a spiral spring and a rocker acting as a flywheel.
  • the spiral spring is a spiral spring that produces a return torque on the balance as soon as it is out of a specific position called neutral position.
  • the rocker performs a repetitive reciprocating motion in which it is alternately recalled to the neutral position and then carried beyond it because of its momentum. This back and forth movement is regular and is used to divide time into equal units.
  • the accuracy of the running of a mechanical watch depends on the stability of the frequency of the mechanical oscillator.
  • the stability of this frequency depends in turn largely on the stability of the elastic characteristics of the spiral spring of the mechanical oscillator.
  • These elastic characteristics can in particular vary with temperature. In this respect, it is known that a change in temperature may result in an acceleration or a slowing of the running of a watch.
  • the "Young's modulus thermal coefficient" describes the variation of the modulus of elasticity of a material as a function of temperature.
  • the thermal coefficient of the Young's modulus of Spiral spring is a relevant quantity for the questions of accuracy of time measurement.
  • spiral springs used in mechanical watches are made of metal. Historically, they were first made of steel, then special alloys developed specifically to obtain spiral springs virtually insensitive to temperature changes. However, in recent years spiral springs made of silicon or other non-metallic materials have emerged, for which there are problems of variation of the Young's modulus as a function of temperature.
  • Solutions to reduce the sensitivity of silicon spiral springs to temperature changes have been devised. They use the principle of a thermal compensation performed by a layer of silicon oxide.
  • This layer of silicon oxide may be an outer layer, as proposed by patents or patent applications EP 1 422 436 , WO 2009/068091 and EP 2 284 629 .
  • the Swiss patent application CH 699 780 proposes a solution by which a spiral spring is provided with a layer of non-surface silicon oxide.
  • a spiral spring according to the preamble of the appended claim 1 is a thermocompensated spiral spring for mechanical oscillator of timepiece.
  • a spring according to the preamble of appended claim 1 comprises an elastically flexible strand which extends along a spiral line and which comprises at least a portion of a first material, namely monocrystalline silicon, and at least one layer separating into a second material, namely silicon oxide.
  • the monocrystalline silicon portion is mechanically bonded to the silicon oxide separating layer.
  • a first object of the invention is to propose an alternative to the known solution of the Swiss patent application. CH 699 780 mentioned above and by virtue of which a spiral spring is provided with a layer of non-surface silicon oxide.
  • a second object of the invention is to propose a spiral spring which, while being according to the preamble of appended claim 1, is such that there is a method for carrying it out and providing a greater choice as to the orientation. and the shape of the separation layer.
  • spiral spring according to claim 1 attached.
  • This spiral spring is different from that described in the Swiss patent application CH 699 780 mentioned above in that it comprises at least one portion of a third material different from the monocrystalline silicon and the silicon oxide, in that the separation layer made of silicon oxide separates the monocrystalline silicon portion from the portion into the third material, and in that the portion of the third material is mechanically bonded to the silicon oxide separating layer.
  • the spiral spring according to the invention has been imagined in conjunction with a manufacturing method for producing it. This manufacturing process is explained later and constitutes another aspect of the invention. In other words, the spiral spring according to the invention is such that there is a method for achieving it, in accordance with the second purpose mentioned above.
  • the separating layer of the spiral spring according to the invention can extend along a line that is simply spiral. It may also have another shape and, in many cases where it is so, the spiral spring according to the invention can be further manufactured, for example by means of the manufacturing method according to the invention.
  • the separating layer of the spiral spring according to the invention may be parallel to the average fiber of the elastically flexible strand. Locally or everywhere, it may also have another orientation and, in many cases where it is so, the spiral spring according to the invention can still be manufactured, for example by means of the manufacturing method according to the invention.
  • the spiral spring according to the invention can be manufactured, for example by means of the manufacturing method according to the invention, including in certain cases where its separation layer or layers do not extend according to a line simply spiral, but have another shape, and / or in some cases where its or separation layers are not parallel to the average fiber elastically flexible strand, but have another orientation, locally or everywhere.
  • the invention provides a greater choice as to the orientation and shape of the separation layer, according to the above-mentioned second purpose.
  • separation layer or several separation layers are used to modify once or more times the bending stiffness of the elastically flexible strand, along it, in addition to producing thermocompensation.
  • the spiral spring according to the invention has the advantage of allowing its manufacture in such a way that it can be obtained a very high precision on the thickness of its separating layer or layers. In particular, this very high precision can be obtained with the manufacturing method according to the invention.
  • spiral spring defined above may incorporate one or more other advantageous characteristics, alone or in combination, in particular among those defined below.
  • the third material is polycrystalline silicon.
  • the silicon oxide separating layer or several silicon oxide separation layers each separating a monocrystalline silicon portion and a portion of the third material from each other by being mechanically bonded to these portions comprise several segments. not parallel to the spiral line, these segments being offset with each other along the elastically flexible strand.
  • the number of said segments per millimeter of elastically flexible strand is modified at least once along the elastically flexible strand.
  • the elastically flexible strand has a bending stiffness that the silicon oxide separation layer or several silicon oxide separation layers each separating a portion of monocrystalline silicon and a portion of the third material from each other by being mechanically bonded to these portions change at least once along the elastically flexible strand.
  • the elastically flexible strand has a flexural stiffness and a cross-section which is modified at least once along the elastically flexible strand so as to modify at least once the bending stiffness along the elastically flexible strand.
  • the elastically flexible strand comprises a repetition of a sequence which succeeds itself along the elastically flexible strand, this sequence being a succession in an order which, along the elastically flexible strand, is: monocrystalline silicon portion , then separation layer of silicon oxide, then portion of the third material, and then separation layer of silicon oxide.
  • the sequence extends a distance along the elastically flexible strand, this distance being modified at least once along the elastically flexible strand.
  • the silicon oxide separating layer extends along a surface which is fluted over at least a portion of the length of the elastically flexible strand.
  • the silicon oxide separating layer extends along a guide line and parallel to a generatrix which intersects a plane in which the elastically flexible strand extends.
  • the manufacturing method defined above may incorporate one or more other advantageous characteristics, alone or in combination, in particular among those specified hereinafter.
  • the third material is polycrystalline silicon in step c).
  • the manufacturing method comprises a step which takes place after step c) and in which the wafer provided with the separating layer and the third material or the spiral spring is subjected to conditions which are identical to conditions used for perform a thermal oxidation of silicon.
  • the wafer is part of a wafer in which the wafer comprises a first main face connected to a support and a second main face opposite to the first main face, the manufacturing method. comprising a step which takes place after step c) and in which the second main face of the wafer is polished.
  • steps a) and d) is carried out by etching.
  • the separation layer of silicon oxide is created by thermal oxidation in step b).
  • the wafer is part of a wafer in which a main face of the wafer is joined to a support, the manufacturing method comprising a step which takes place after step c ) and in which the spiral spring is removed from the support.
  • the manufacturing method comprises at least one post-treatment which takes place after step d) and which is chosen from a post-treatment increasing the impact resistance of the spiral spring, a post-treatment increasing the conductivity of the spiral spring. and a post-treatment changing stiffness in bending of the elastically flexible strand.
  • the figure 1 represents a thermocompensated spiral spring that can be part of a watch movement of a mechanical watch.
  • This spiral spring is according to a first embodiment of the invention. It comprises a mounting hub 1 designed to be threaded and fixed on a support shaft of a rocker arm.
  • the spiral spring of the figure 1 further comprises an elastically flexible strand 2 which extends in a spiral line l (see figure 2 ), in a plane P, around the mounting hub 1, and which has the shape of a blade in the example shown.
  • One of the two ends of the elastically flexible strand 2 is integral with the mounting hub 1.
  • the other end of the elastically flexible strand 2 is a free end, intended to be fixed to a bridge generally called cock.
  • the figure 2 represents a portion of the elastically flexible strand 2 which, over all or part of its length, consists of a succession of slices of different materials. More precisely, these slices are either portions 3 made of monocrystalline silicon A, or separation layers 4 made of silicon oxide B, or portions 5 of polycrystalline silicon C.
  • the silicon oxide B constituting the separation layers 4 is more precisely amorphous silicon oxide (SiO 2 ).
  • each portion 5 of polycrystalline silicon C is between two separation layers 4, each of which separates it from a portion 3 of monocrystalline silicon A.
  • the thermal coefficient of Young's modulus of monocrystalline silicon A and that of polycrystalline silicon C are both negative, whereas the thermal coefficient of the Young's modulus of silicon oxide is positive.
  • the presence of silicon oxide within the silicon produces a thermal compensation for the bending stiffness of the elastically flexible strand. This thermal compensation can be adjusted so that the bending stiffness of the elastically flexible strand is very little dependent or independent of temperature variations.
  • This sequence S is a succession in an order which, along the elastically flexible strand 2 is: portion 3 made of monocrystalline silicon, then separation layer 4 of silicon oxide, then portion 5 of polycrystalline silicon, and then separation layer 4 of silicon oxide.
  • the pitch between the separation layers 4, that is to say the spacing of two consecutive separation layers 4 is the same over the entire length elastically flexible strand 2.
  • the area of the straight section E of the elastically flexible strand 2 intervenes on the bending stiffness of this elastically flexible strand 2, but not on the thermocompensation. It is therefore possible locally to modify the area of the straight section E of the elastically flexible strand 2 in order to locally modify the bending stiffness of this elastically flexible strand 2 without this having any influence on the local thermocompensation applying to this flexural stiffness. , which is advantageous.
  • the figure 3 represents a section of an elastically flexible strand 102 forming part of a thermocompensated spiral spring which is according to a second embodiment of the invention and which may have the general shape of the spiral spring shown in FIG. figure 1 .
  • This elastically flexible strand 102 comprises a portion 3 made of monocrystalline silicon A and a portion 5 of polycrystalline silicon C, between which there is a separation layer 4 made of silicon oxide B.
  • the separating layer 4 extends over substantially the entire length of the elastically flexible strand 2, but could also extend over only a portion of this length. It extends along a fluted surface and its longitudinal section consists of a succession of crenellations. In this, the separation layer 4 forms a periodic pattern which is repeated along the elastically flexible strand 102. This pattern can be repeated while remaining identical to itself wherever the separation layer 4 is present. in the elastically flexible strand 102.
  • the pattern formed by the separating layer 4 may also be modified one or more times along the elastically flexible strand 102, so as to modify the flexural stiffness of the elastically flexible strand 102 one or more times. along this one. In particular, this pattern may be expanded longitudinally at a portion of the elastically flexible strand 102 relative to another portion of this elastically flexible strand.
  • the separation layer 4 visible at the figure 3 comprises a plurality of segments 7 not parallel to the spiral line l along which the elastically flexible strand 102 extends.
  • the number of segments 7 per millimeter of elastically flexible strand may be modified one or more times along the elastically flexible strand 102 to modify one or more times the bending stiffness of this elastically flexible strand 102 therealong.
  • the straight section E of the elastically flexible strand 102 also intervenes on the bending stiffness of this elastically flexible strand 102, as well as on the thermocompensation applied to this flexural stiffness. It is therefore possible to play both on the straight section E of the elastically flexible strand 102 and on the number of segments 7 per millimeter of elastically flexible strand in order to locally modify the bending stiffness of the elastically flexible strand 102 by not modifying or weakly local thermocompensation applying to this stiffness, which is advantageous.
  • the separating layer 4 made of silicon oxide B modifies the stiffness in flexion of the elastically flexible strand 102 and the thermocompensation applying to this stiffness and that, without being locally, the strand elastically flexible 102 is thermally compensated globally at the desired level, taking into account the accumulation of local thermocompensations.
  • the silicon oxide B separating layer 4 of the elastically flexible strand 102 extends along a direct line d and parallel to a generator cutting the plane P in which the elastically flexible strand 102 extends.
  • the terms "guideline” and “Generator” have the meaning given to them in mathematics, especially to describe cylindrical surfaces.
  • the generator so is a right.
  • it is perpendicular or substantially perpendicular to the plane P.
  • each separation layer 4 made of silicon oxide B of the other embodiments of the invention proposed in the present description also applies to the or each separation layer 4 made of silicon oxide B of the other embodiments of the invention proposed in the present description.
  • each separating layer 4 made of silicon oxide B of the elastically flexible strand 2 also extends along a guide line and parallel to a generatrix intersecting the plane P.
  • spiral springs according to the embodiments of the invention proposed in the present description can be made by implementing a manufacturing method according to the invention. An embodiment of this manufacturing method will now be described in the case where it is used to manufacture the spiral spring whose elastically flexible strand 102 is partially represented in FIG. figure 3 .
  • the spiral spring whose elastically flexible strand 102 is partially represented at the figure 3 is made from a wafer 10 made of monocrystalline silicon A.
  • this wafer 10 is part of a wafer 11 silicon-oxide-silicon type, the acronym "SOI" also being commonly used to designate type of wafer.
  • an etching mask 12 is formed by depositing a layer of photoresist, then solubilizing and then removing portions of this photoresist layer.
  • the state which results from the deposition of the etching mask 12 is that represented in FIG. Figure 4A .
  • the wafer 10 is etched with the aid of the etching mask 12 so as to form a hole 13 in this wafer 10 throughout its entire thickness.
  • the deep reactive ion etching also called engraving DRIE (acronym for the English name " Deep reactive ion etching ").
  • the contours of the hole 13 are those of the portion 5 in the finished part, at least on the side of what is intended to form the portion 4.
  • the separation layer 4 of silicon oxide B is created at the uncovered portion of the surface of the wafer 10 and, in particular, at the wall of the hole 13.
  • the separation layer 4 may in particular be made by thermal oxidation, in an oven where silicon oxide is formed from silicon.
  • the thermal oxidation can be a wet oxidation obtained in the presence of water vapor in the oven or a dry oxidation obtained in the presence of oxygen in the furnace.
  • the separation layer 4 can also be deposited, for example by means of a physical vapor deposition.
  • the hole 13 is filled with polycrystalline silicon C.
  • a directional deposit which may be a physical vapor deposition also called PVD deposition (acronym for the English name " Physical Vapor Deposition "). or a chemical vapor deposition also called CVD deposit (acronym for the English name “ Chemical Vapor Deposition ").
  • a treatment is carried out which, according to the current results, reinforces the mechanical bond between the silicon oxide B of the separation layer 4 and the polycrystalline silicon C of the portion 5.
  • This treatment consists in subjecting the together, i.e. wafer 10 with silicon oxide B and with polycrystalline silicon C in hole 13, at conditions that could be used to produce thermal oxidation of silicon. These conditions may be identical to conditions used to effect wet thermal oxidation or they may be identical to conditions used to effect dry thermal oxidation.
  • polishing can be a chemical mechanical planarization also called CMP process (acronym for the English name " Chemical Mechanical Planarization ”) .
  • CMP process an English name " Chemical Mechanical Planarization ”
  • This polishing removes the excess of polycrystalline silicon C, as well as the silicon oxide B at one of the main faces of the wafer 10.
  • the trimming consists of cutting the spiral spring and is made by means of a not shown etching mask and a DRIE etching.
  • the spiral spring is completely cut away except at a possible attachment which unites it to what remains of the wafer 10. This attachment will be broken at the very end of the manufacturing process.
  • the residual portion 4 'of the silicon oxide layer B is preferably removed by wet etching.
  • the filling material of the hole 13 is a material that can not be etched by means of a DRIE etching.
  • the shaping of the spiral spring can be done in a contour passing through this polycrystalline silicon C, by DRIE etching and without wet chemical etching.
  • the spiral spring is released. This consists in locally removing or totally removing, for example by etching, the part 15 of the wafer 11, that is to say the part which forms a support for the wafer 10.
  • the one or one of the post-treatments applied to the spiral spring may be a thermal oxidation producing a surface layer of silicon oxide B.
  • this surface layer of silicon oxide B is preferably taken into account. in the calculation of the overall thermal compensation applying to the bending stiffness of the elastically flexible strand.
  • the method described above can be applied to realize simultaneously several spiral springs from a single wafer 11. Moreover, it may comprise one or more other steps in addition to those which have been explained above.
  • a very great precision on the thickness of the separation layer 4 in silicon oxide B can be obtained when the spiral spring is made by implementing the manufacturing method which has just been described with reference to the Figures 4A to 4F .
  • the possibility of obtaining such a precision on the thickness of the separation layer 4 in silicon oxide constitutes an advantage all the more notable that this thickness has a direct influence on the accuracy of the thermal compensation obtained and on the accuracy of the stiffness in bending of the elastically flexible strand.
  • the polycrystalline silicon portion 5 is firmly bonded to the separation layer 4 in silicon oxide, which is a result contrary to a technical prejudice very widely or even unanimously shared in the field of spiral springs. in silicon.
  • the Figures 5 and 6 each represent one of two sections of the same elastically flexible strand 202 forming part of a spiral spring according to a third embodiment of the invention.
  • the separating layers 4 of the elastically flexible strand 202 are non-parallel to the spiral line l along which this elastically flexible strand 202 extends. As a result, the number of separating layers 4 per millimeter of elastically flexible strand can be modified .
  • the bending stiffness of the elastically flexible strand 202 may be modified one or more times along this elastically flexible strand 202.
  • the number of separating layers 4 per millimeter of elastically flexible strand is modified at least once along the elastically flexible strand 202. In this alone, the elastically flexible strand 202 is distinguished from the elastically flexible strand 2.
  • the section represented at figure 5 is shifted from the section shown at figure 6 along the elastically flexible strand 202. From a comparison of Figures 5 and 6 , it appears that the number of separation layers 4 per millimeter of elastically flexible strand is modified between the section shown in FIG. figure 5 and the one represented at figure 6 . As a result, the bending stiffness of the elastically flexible strand 202 is varied between the section shown in FIG. figure 5 and the section shown in figure 6 .
  • the elastically flexible strand 202 is heat-compensated to the desired level. To obtain this result, consider the entire length of the elastically flexible strand 202 and make sure that insufficient local thermocompensations and those in excess compensate themselves over this length.
  • the elastically flexible strand of a thermocompensated spiral spring according to the invention may be at least partially covered by at least one silicon oxide coating layer.
  • An advantage of the invention is that a spiral spring according to the invention can be thermocompensated to the desired level without being covered with a layer of matte silicon oxide, dark and therefore unsightly, or that this spiral spring can be thermocompensated to the desired level and be covered with a layer of silicon oxide sufficiently thin so as not to substantially affect the aesthetics of the spiral spring.
  • the two coating layers 320 of silicon oxide B may or may not be sufficiently thin to substantially affect the aesthetics of the spiral spring.
  • the figure 8 represents a portion of the elastically flexible strand 102 described above.
  • each of the Figures 9 to 12 represents a section of an elastically flexible strand 402, 502 or 602 forming part of a thermocompensated spiral spring according to the invention.
  • the silicon oxide B separating layer 4 extends along a grooved surface, forms a periodic pattern and comprises segments 7 whose linear density can be modified one or more times over the along the elastically flexible strand.
  • the elastically flexible strand 402 partially shown in FIG. figure 9 is distinguished from the elastically flexible strand 102 in that its separating layer 4 extends along a sinuous guideline with curved elbows between the segments 7.
  • the elastically flexible strand 502 partially shown in FIG. figure 10 is distinguished from the elastically flexible strand 102 in that its separating layer 4 extends along a sawtooth guideline.
  • the elastically flexible strand 102 has a cross-section which is modified at least once. On the figure 11 it is more precisely the area of this cross section that is modified due to a widening of the elastically flexible strand 502.
  • the elastically flexible strand 602 partially shown in FIG. figure 11 is distinguished from the elastically flexible strand 102 in that the successive slots formed by its separation layer 4 each have the form of a dovetail contour, which has the advantage of strengthening the subjection of the portion 3, the layer 4 and the portion 5 to each other, by the presence of undercut areas, and thus increase the strength of the elastically flexible strand 602.
  • the periodic pattern of the separating layer 4 is longitudinally expanded at a portion of the elastically flexible strand 102, relative to another portion of this strand elastically. flexible.
  • the period of the periodic pattern and thus the number of segments 7 per millimeter of elastically flexible strand are modified at least once along the elastically flexible strand 102, which is the case at the figure 13 .
  • the bending stiffness thereof is changed at least once.
  • the separation layer or the separation layers 4 may have other forms than those previously proposed.
  • a separation layer 4 of silicon oxide B may, over part of its length, form a certain periodic pattern, for example by being as shown in FIG. figure 8 , and, on another part of its length, to form another periodic pattern, for example by being as represented on one of the Figures 9, 10 and 12 .
  • the material of which the or each portion 5 is made may not be polycrystalline silicon.
  • the or each portion 5 may be made of any suitable material, in particular any suitable material which can be deposited in thick layer, especially by PVD or by CVD.
  • the or each portion 5 may be made of SiC, Al, Al 2 O 3 , Ti, TiO 2 , Ti 2 O 3 , Au, W, WO 2 , WO 3 , silumin (aluminum-silicon alloy, for example at 1% or 2% or 4% silicon), Si 3 N 4 , AlN, BeO, ZrO 2 , NB, MgO.

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Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Plus précisément, elle concerne un ressort spiral thermocompensé et son procédé de fabrication.
    • Description de l'état de la technique
  • Un oscillateur est présent dans tout mouvement d'horlogerie. C'est ce qu'on appelle couramment l'organe réglant du mouvement d'horlogerie. La fonction de cet oscillateur est de diviser le temps en unités égales et de fournir ainsi la cadence sur laquelle est basée la mesure du temps.
  • Un oscillateur mécanique classiquement utilisé en horlogerie résulte de l'accouplement d'un ressort spiral et d'un balancier jouant le rôle d'un volant d'inertie. Le ressort spiral est un ressort en spirale qui produit un couple de rappel sur le balancier dès que celui-ci est hors d'une position spécifique dite position de point mort. En fonctionnement, le balancier effectue un mouvement de va-et-vient répétitif lors duquel il est alternativement rappelé vers la position de point mort puis emporté au-delà de celle-ci du fait de son élan. Ce mouvement de va-et-vient est régulier et on l'utilise pour diviser le temps en unités égales.
  • La précision de la marche d'une montre mécanique dépend de la stabilité de la fréquence de l'oscillateur mécanique. La stabilité de cette fréquence dépend à son tour largement de la stabilité des caractéristiques élastiques du ressort spiral de l'oscillateur mécanique. Ces caractéristiques élastiques peuvent notamment varier avec la température. A cet égard, il est connu qu'une variation de la température peut résulter en une accélération ou en un ralentissement de la marche d'une montre. Le « coefficient thermique du module d'Young » décrit la variation du module d'élasticité d'un matériau en fonction de la température. Le coefficient thermique du module d'Young du ressort spiral est une grandeur pertinente pour les questions de précision de mesure du temps.
  • Traditionnellement, les ressorts spiraux utilisés dans les montres mécaniques sont fabriqués en métal. Historiquement, ils ont été réalisés tout d'abord en acier, puis en des alliages particuliers développés de manière spécifique pour obtenir des ressorts spiraux pratiquement insensibles aux variations de température. Cependant, ces dernières années ont vu apparaître des ressorts spiraux fabriqués en silicium ou en d'autres matériaux non-métalliques pour lesquels se posent des problèmes de variation du module d'Young en fonction de la température.
  • Des solutions pour réduire la sensibilité des ressorts spiraux en silicium aux variations de température ont été imaginées. Elles utilisent le principe d'une compensation thermique réalisée par une couche en oxyde de silicium. Cette couche en oxyde de silicium peut être une couche extérieure, ce que proposent les brevets ou demandes de brevet EP 1 422 436 , WO 2009/068091 et EP 2 284 629 .
  • Toutefois, il peut être préférable que la couche réalisant la compensation thermique se trouve à l'intérieur du ressort spiral. La demande de brevet suisse CH 699 780 propose une solution grâce à laquelle un ressort spiral est pourvu d'une couche en oxyde de silicium non superficielle.
  • Par ailleurs, un document publié en 2015 est le document JP 2015 179059 A , où il est question d'un procédé de fabrication d'une pièce horlogère bi-composant silicium-métal. Ce procédé comprend une étape dans laquelle on creuse une gorge dans du silicium, puis deux étapes successives au moyen desquelles cette gorge est ensuite remplie de métal par galvanoplastie.
    • Exposé sommaire de l'invention
  • De la demande de brevet suisse CH 699 780 susmentionnée, il est connu un ressort spiral selon le préambule de la revendication 1 annexée. Un ressort spiral selon ce préambule est un ressort spiral thermocompensé pour oscillateur mécanique de pièce d'horlogerie. De plus, un ressort selon le préambule de la revendication 1 annexée comprend un brin élastiquement flexible qui s'étend selon une ligne en spirale et qui comprend au moins une portion en un premier matériau, à savoir en silicium monocristallin, et au moins une couche de séparation en un deuxième matériau, à savoir en oxyde de silicium. En outre, dans un ressort spiral selon le préambule de la revendication 1 annexée, la portion en silicium monocristallin est mécaniquement liée à la couche de séparation en oxyde de silicium.
  • Un premier but de l'invention est de proposer une alternative à la solution connue de la demande de brevet suisse CH 699 780 susmentionnée et grâce à laquelle un ressort spiral est pourvu d'une couche en oxyde de silicium non superficielle.
  • Un deuxième but de l'invention est de proposer un ressort spiral qui, tout en étant selon le préambule de la revendication 1 annexée, soit tel qu'il existe un procédé permettant de le réaliser et procurant un plus grand choix quant à l'orientation et la forme de la couche de séparation.
  • Selon l'invention, ces premier et deuxième buts sont atteints grâce à un ressort spiral selon la revendication 1 annexée. Ce ressort spiral se distingue de celui décrit dans la demande de brevet suisse CH 699 780 susmentionnée en ce qu'il comporte au moins une portion en un troisième matériau différent du silicium monocristallin et de l'oxyde de silicium, en ce que la couche de séparation en oxyde de silicium sépare la portion en silicium monocristallin de la portion en le troisième matériau, et en ce que la portion en le troisième matériau est mécaniquement liée à la couche de séparation en oxyde de silicium.
  • Le ressort spiral selon l'invention a été imaginé conjointement à un procédé de fabrication permettant de le réaliser. Ce procédé de fabrication est exposé plus loin et constitue un autre aspect de l'invention. En d'autres termes, le ressort spiral selon l'invention est tel qu'il existe un procédé permettant de le réaliser, conformément au deuxième but susmentionné.
  • La couche de séparation du ressort spiral selon l'invention peut s'étendre selon une ligne simplement en spirale. Elle peut également posséder une autre forme et, dans de multiples cas où il en est ainsi, le ressort spiral conforme à l'invention peut encore être fabriqué, par exemple au moyen du procédé de fabrication selon l'invention. La couche de séparation du ressort spiral selon l'invention peut être parallèle à la fibre moyenne du brin élastiquement flexible. Localement ou partout, elle peut également posséder une autre orientation et, dans de multiples cas où il en est ainsi, le ressort spiral selon l'invention peut encore être fabriqué, par exemple au moyen du procédé de fabrication selon l'invention.
  • En d'autre termes, le ressort spiral selon l'invention peut être fabriqué, par exemple au moyen du procédé de fabrication conforme à l'invention, y compris dans certains cas où sa ou ses couches de séparation ne s'étendent pas selon une ligne simplement en spirale, mais possèdent une autre forme, et/ou dans certains cas où sa ou ses couches de séparation ne sont pas parallèles à la fibre moyenne du brin élastiquement flexible, mais possèdent une autre orientation, localement ou partout.
  • En résumé, l'invention procure un plus grand choix quant à l'orientation et la forme de la couche de séparation, conformément au deuxième but susmentionné.
  • Une manière de tirer parti de ce plus grand choix est que la couche de séparation ou plusieurs couches de séparation soient utilisées pour modifier une fois ou plusieurs fois la raideur en flexion du brin élastiquement flexible, le long de celui-ci, en plus de produire une thermocompensation.
  • Par ailleurs, le ressort spiral selon l'invention a pour avantage de permettre sa fabrication d'une manière telle qu'il peut être obtenu une très grande précision sur l'épaisseur de sa couche de séparation ou de ses couches de séparation. En particulier, cette très grande précision peut être obtenue avec le procédé de fabrication selon l'invention.
  • Le ressort spiral défini ci-dessus peut incorporer une ou plusieurs autres caractéristiques avantageuses, isolément ou en combinaison, en particulier parmi celles définies ci-après.
  • Avantageusement, le troisième matériau est du silicium polycristallin.
  • Avantageusement, la couche de séparation en oxyde de silicium ou plusieurs couches de séparation en oxyde de silicium chacune séparant une portion en silicium monocristallin et une portion en le troisième matériau l'une de l'autre en étant mécaniquement liée à ces portions comportent plusieurs segments non parallèles à la ligne en spirale, ces segments étant décalés entre eux le long du brin élastiquement flexible.
  • Avantageusement, le nombre desdits segments par millimètre de brin élastiquement flexible est modifié au moins une fois le long du brin élastiquement flexible.
  • Avantageusement, le brin élastiquement flexible possède une raideur en flexion que la couche de séparation en oxyde de silicium ou plusieurs couches de séparation en oxyde de silicium chacune séparant une portion en silicium monocristallin et une portion en le troisième matériau l'une de l'autre en étant mécaniquement liée à ces portions modifient au moins une fois le long du brin élastiquement flexible.
  • Avantageusement, le brin élastiquement flexible possède une raideur en flexion et une section droite qui est modifiée au moins une fois le long du brin élastiquement flexible de manière à modifier au moins une fois la raideur en flexion le long du brin élastiquement flexible.
  • Avantageusement, le brin élastiquement flexible comporte une répétition d'une séquence qui se succède à elle-même le long du brin élastiquement flexible, cette séquence étant une succession selon un ordre qui, le long du brin élastiquement flexible, est : portion en silicium monocristallin, puis couche de séparation en oxyde de silicium, puis portion en le troisième matériau, puis couche de séparation en oxyde de silicium.
  • Avantageusement, la séquence s'étend sur une distance le long du brin élastiquement flexible, cette distance étant modifiée au moins une fois le long du brin élastiquement flexible.
  • Avantageusement, la couche de séparation en oxyde de silicium s'étend selon une surface qui est cannelée sur au moins une partie de la longueur du brin élastiquement flexible.
  • Avantageusement, la couche de séparation en oxyde de silicium s'étend selon une ligne directrice et parallèlement à une génératrice qui coupe un plan dans lequel s'étend le brin élastiquement flexible.
  • L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un ressort spiral thermocompensé tel que défini précédemment, comprenant des étapes dans lesquelles :
    1. a) on creuse au moins un trou dans une plaquette faite de silicium monocristallin,
    2. b) on crée la couche de séparation en oxyde de silicium au moins au niveau de la paroi du trou, de manière que le silicium monocristallin soit mécaniquement liée à la couche de séparation en oxyde de silicium,
    3. c) on remplit le trou avec le troisième matériau, de manière que ce troisième matériau soit mécaniquement liée à la couche de séparation en oxyde de silicium et que cette couche de séparation en oxyde de silicium sépare le silicium monocristallin du troisième matériau,
    4. d) dans la plaquette telle qu'elle a été modifiée par les étapes a) à c), on découpe le ressort spiral, y compris son brin élastiquement flexible, de manière que ce brin élastiquement flexible s'étende selon la ligne en spirale et comprenne au moins la portion en silicium monocristallin, au moins la couche de séparation en oxyde de silicium et au moins la portion en le troisième matériau.
  • Le procédé de fabrication défini ci-dessus peut incorporer une ou plusieurs autres caractéristiques avantageuses, isolément ou en combinaison, en particulier parmi celles précisées ci-après.
  • Avantageusement, le troisième matériau est du silicium polycristallin dans l'étape c).
  • Avantageusement, le procédé de fabrication comporte une étape qui a lieu après l'étape c) et dans laquelle on soumet la plaquette pourvue de la couche de séparation et du troisième matériau ou le ressort spiral à des conditions qui sont identiques à des conditions utilisées pour effectuer une oxydation thermique de silicium.
  • Avantageusement, au moins lors des étapes a) à c), la plaquette fait partie d'un wafer dans lequel la plaquette comprend une première face principale unie à un support et une deuxième face principale opposée à la première face principale, le procédé de fabrication comprenant une étape qui a lieu après l'étape c) et dans laquelle on polit la deuxième face principale de la plaquette.
  • Avantageusement, on réalise au moins l'une des étapes a) et d) par gravure.
  • Avantageusement, on crée la couche de séparation en oxyde de silicium par oxydation thermique, dans l'étape b).
  • Avantageusement, au moins lors des étapes a) à c), la plaquette fait partie d'un wafer dans lequel une face principale de la plaquette est unie à un support, le procédé de fabrication comprenant une étape qui a lieu après l'étape c) et dans laquelle le ressort spiral est débarrassé du support.
  • Avantageusement, le procédé de fabrication comprend au moins un post-traitement qui a lieu après l'étape d) et qui est choisi parmi un post-traitement augmentant la résistance au choc du ressort spiral, un post-traitement augmentant la conductivité du ressort spiral et un post-traitement changeant une raideur en flexion du brin élastiquement flexible.
    • Brève description des dessins
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, parmi lesquels :
    • la figure 1 est une vue en perspective d'un ressort spiral thermocompensé selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2 est une vue partielle, en perspective, et représente un tronçon de spire du ressort spiral de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 et représente un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
    • les figures 4A à 4F sont des sections droites selon le plan IV de la figure 3 à différents instants au cours de l'exécution d'un procédé de fabrication conforme à l'invention et illustrent chacune un état intermédiaire entre deux étapes successives de ce procédé, lors de la fabrication du ressort spiral partiellement représenté à la figure 3 ;
    • les figures 5 et 6 sont des vues en plan et représentent chacune l'un de deux tronçons de spire d'un ressort spiral thermocompensé selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 7 est une vue en plan d'un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 8 est une vue en plan d'un tronçon de spire du ressort spiral de la figure 3 ;
    • la figure 9 est une vue en plan d'un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 10 est une vue en plan d'un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé selon un sixième mode de réalisation de l'invention
    • la figure 11 est une vue en plan d'un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé et représente une variante du sixième mode de réalisation de l'invention, c'est-à-dire une variante du mode de réalisation de la figure 10 ;
    • la figure 12 est une vue en plan d'un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé selon un septième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 13 est une vue en plan d'un tronçon de spire d'un ressort spiral thermocompensé et représente une variante du deuxième mode de réalisation de l'invention, c'est-à-dire une variante du mode de réalisation des figures 3 et 8.
  • Sur ces figures 1 à 3, 4A à 4F et 5 à 13, les proportions ne sont pas toujours respectées, dans un souci de clarté.
    • Description de modes préférentiels de l'invention
  • La figure 1 représente un ressort spiral thermocompensé pouvant faire partie d'un mouvement d'horlogerie d'une montre mécanique. Ce ressort spiral est selon un premier mode de réalisation de l'invention. Il comporte un moyeu de montage 1 prévu pour être enfilé et fixé sur un arbre de support d'un balancier. Le ressort spiral de la figure 1 comporte en outre un brin élastiquement flexible 2, qui s'étend selon une ligne en spirale ℓ (voir figure 2), dans un plan P, autour du moyeu de montage 1, et qui présente la forme d'une lame dans l'exemple représenté. L'une des deux extrémités du brin élastiquement flexible 2 est solidaire du moyeu de montage 1. L'autre extrémité du brin élastiquement flexible 2 est une extrémité libre, destinée à être fixée à un pont généralement appelé coq.
  • La figure 2 représente un tronçon du brin élastiquement flexible 2 qui, sur tout ou partie de sa longueur, est constitué d'une succession de tranches en matériaux différents. Plus précisément, ces tranches sont soit des portions 3 en silicium monocristallin A, soit des couches de séparation 4 en oxyde de silicium B, soit des portions 5 en silicium polycristallin C. L'oxyde de silicium B constituant les couches de séparation 4 est plus précisément de l'oxyde de silicium amorphe (SiO2). A moins d'être à une extrémité du brin élastiquement flexible 2, chaque portion 5 en silicium polycristallin C se trouve entre deux couches de séparation 4, dont chacune la sépare d'une portion 3 en silicium monocristallin A.
  • Le coefficient thermique du module de Young du silicium monocristallin A et celui du silicium polycristallin C sont l'un et l'autre un négatif, tandis que le coefficient thermique du module de Young de l'oxyde de silicium est quant à lui positif. De ce fait, la présence de l'oxyde de silicium au sein du silicium produit une compensation thermique concernant la raideur en flexion du brin élastiquement flexible. Cette compensation thermique peut être ajustée de manière que la raideur en flexion du brin élastiquement flexible soit très peu dépendante, voire indépendante, des variations de température.
  • Dans le brin élastiquement flexible 2, on peut identifier une séquence S qui se répète en se succédant à elle-même le long de ce brin élastiquement flexible 2. Cette séquence S est une succession selon un ordre qui, le long du brin élastiquement flexible 2, est : portion 3 en silicium monocristallin, puis couche de séparation 4 en oxyde de silicium, puis portion 5 en silicium polycristallin, puis couche de séparation 4 en oxyde de silicium.
  • Bien qu'il puisse en être autrement ainsi qu'on le verra plus loin, le pas entre les couches de séparation 4, c'est-à-dire l'espacement de deux couches de séparation 4 consécutives est le même sur toute la longueur du brin élastiquement flexible 2.
  • L'aire de la section droite E du brin élastiquement flexible 2 intervient sur la raideur en flexion de ce brin élastiquement flexible 2, mais pas sur la thermocompensation. On peut donc modifier localement l'aire de la section droite E du brin élastiquement flexible 2 afin de modifier localement la raideur en flexion de ce brin élastiquement flexible 2 sans que cela n'influe sur la thermocompensation locale s'appliquant sur cette raideur en flexion, ce qui est avantageux.
  • La figure 3 représente un tronçon d'un brin élastiquement flexible 102, faisant partie d'un ressort spiral thermocompensé qui est selon un deuxième mode de réalisation de l'invention et qui peut posséder la forme générale du ressort spiral représenté à la figure 1. Ce brin élastiquement flexible 102 comporte une portion 3 en silicium monocristallin A et une portion 5 en silicium polycristallin C, entre lesquelles se trouve une couche de séparation 4 en oxyde de silicium B.
  • La couche de séparation 4 s'étend sur sensiblement toute la longueur du brin élastiquement flexible 2, mais pourrait également s'étendre sur seulement une partie de cette longueur. Elle s'étend selon une surface cannelée et sa section longitudinale est constituée d'une succession de créneaux. En cela, la couche de séparation 4 forme un motif périodique qui se répète le long du brin élastiquement flexible 102. Ce motif peut se répéter en restant identique à lui-même partout où la couche de séparation 4 est présente dans le brin élastiquement flexible 102. Le motif que forme la couche de séparation 4 peut également être modifié une ou plusieurs fois le long du brin élastiquement flexible 102, de manière à modifier une ou plusieurs fois la raideur en flexion du brin élastiquement flexible 102 le long de celui-ci. En particulier, ce motif peut être dilaté longitudinalement au niveau d'un tronçon du brin élastiquement flexible 102, par rapport à un autre tronçon de ce brin élastiquement flexible.
  • La couche de séparation 4 visible à la figure 3 comporte plusieurs segments 7 non parallèles à la ligne en spirale ℓ selon laquelle s'étend le brin élastiquement flexible 102. Le nombre de segments 7 par millimètre de brin élastiquement flexible peut être modifié une ou plusieurs fois le long du brin élastiquement flexible 102 de manière à modifier une ou plusieurs fois la raideur en flexion de ce brin élastiquement flexible 102 le long de celui-ci.
  • La section droite E du brin élastiquement flexible 102 également intervient sur la raideur en flexion de ce brin élastiquement flexible 102, ainsi que sur la thermocompensation s'appliquant sur cette raideur en flexion. On peut donc jouer à la fois sur la section droite E du brin élastiquement flexible 102 et sur le nombre de segments 7 par millimètre de brin élastiquement flexible afin de modifier localement la raideur en flexion du brin élastiquement flexible 102 en ne modifiant pas ou que faiblement la thermocompensation locale s'appliquant sur cette raideur, ce qui est avantageux.
  • Il est également possible de prévoir que, localement, la couche de séparation 4 en oxyde de silicium B modifie la raideur en flexion du brin élastiquement flexible 102 et la thermocompensation s'appliquant sur cette raideur et que, sans l'être localement, le brin élastiquement flexible 102 soit thermocompensé globalement au niveau voulu, compte tenu du cumul des thermocompensations locales.
  • Toujours sur la figure 3, la couche de séparation 4 en oxyde de silicium B du brin élastiquement flexible 102 s'étend selon une ligne directrice d et parallèlement à une génératrice
    Figure imgb0001
    coupant le plan P dans lequel s'étend le brin élastiquement flexible 102. Les expressions « ligne directrice » et « génératrice » ont ici le sens qu'on leur donne en mathématiques, notamment pour décrire des surfaces cylindriques. La génératrice
    Figure imgb0001
    est donc une droite. De préférence, elle est perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire au plan P.
  • Ce qu'expose le paragraphe précédent au sujet de la couche de séparation 4 du brin élastiquement flexible 102 vaut également pour la ou chaque couche de séparation 4 en oxyde de silicium B des autres modes de réalisation de l'invention proposés dans la présente description. En particulier, chaque couche de séparation 4 en oxyde de silicium B du brin élastiquement flexible 2 s'étend elle aussi selon une ligne directrice et parallèlement à une génératrice coupant le plan P.
  • Chacun des ressorts spiraux selon les modes de réalisation de l'invention proposés dans la présente description peuvent être réalisés en mettant en oeuvre un procédé de fabrication conforme à l'invention. Un mode de réalisation de ce procédé de fabrication va maintenant être décrit dans le cas où il est mis en oeuvre pour fabriquer le ressort spiral dont le brin élastiquement flexible 102 est partiellement représenté à la figure 3.
  • Le ressort spiral dont le brin élastiquement flexible 102 est partiellement représenté à la figure 3 est fabriqué à partir d'une plaquette 10 faite de silicium monocristallin A. De préférence, cette plaquette 10 fait partie d'un wafer 11 de type silicium-oxyde-silicium, l'acronyme anglais « SOI » étant aussi communément utilisé pour désigner ce type de wafer.
  • Sur la plaquette 10 en silicium monocristallin A, on forme un masque de gravure 12 en déposant une couche de résine photosensible, puis en solubilisant et en retirant ensuite des portions de cette couche en résine photosensible. L'état qui résulte du dépôt du masque de gravure 12 est celui représenté à la figure 4A.
  • Pour passer de l'état représenté à la figure 4A à l'état représenté à la figure 4B, on grave la plaquette 10 à l'aide du masque de gravure 12, de manière à former un trou 13 dans cette plaquette 10, sur toute son épaisseur. Pour ce faire, on utilise la gravure ionique réactive profonde, encore appelée gravure DRIE (acronyme de la désignation anglaise « Deep reactive ion etching »). Les contours du trou 13 sont ceux de la portion 5 dans la pièce finie, au moins du côté de ce qui est destiné à former la portion 4.
  • Pour passer de l'état représenté à la figure 4B à l'état représenté à la figure 4C, on crée la couche de séparation 4 en oxyde de silicium B au niveau de la partie découverte de la surface de la plaquette 10 et, en particulier, au niveau de la paroi du trou 13. La couche de séparation 4 peut notamment être réalisée par oxydation thermique, dans un four où l'oxyde de silicium se forme à partir du silicium. L'oxydation thermique peut être une oxydation humide obtenue en présence de vapeur d'eau dans le four ou bien une oxydation sèche obtenue en présence de dioxygène dans le four. La couche de séparation 4 peut également être déposée, par exemple au moyen d'un dépôt physique en phase vapeur.
  • Pour passer de l'état représenté à la figure 4C à l'état représenté à la figure 4D, on remplit le trou 13 avec du silicium polycristallin C. De préférence, cela est réalisé au moyen d'un dépôt directionnel, qui peut être un dépôt physique en phase vapeur encore appelé dépôt PVD (acronyme de la désignation anglaise « Physical Vapor Déposition ») ou bien un dépôt chimique en phase vapeur encore appelé dépôt CVD (acronyme de la désignation anglaise « Chemical Vapor Deposition »). Ensuite, on procède à un traitement qui, d'après les résultats actuels, renforce la liaison mécanique entre l'oxyde de silicium B de la couche de séparation 4 et le silicium polycristallin C de la portion 5. Ce traitement consiste à soumettre l'ensemble, c'est-à-dire la plaquette 10 avec l'oxyde de silicium B et avec le silicium polycristallin C dans le trou 13, à des conditions qui pourraient être utilisées pour produire une oxydation thermique de silicium. Ces conditions peuvent être identiques à des conditions utilisées pour effectuer une oxydation thermique humide ou bien elles peuvent être identiques à des conditions utilisées pour effectuer une oxydation thermique sèche.
  • Pour passer de l'état représenté à la figure 4D à l'état représenté à la figure 4E, on réalise deux opérations, qui sont un polissage de la face apparente de la plaquette 10 et un détourage du ressort spiral. Le polissage peut être une planarisation mécano-chimique encore appelée procédé CMP (acronyme de la désignation anglaise « Chemical Mechanical Planarization »). Ce polissage retire l'excès de silicium polycristallin C, ainsi que l'oxyde de silicium B au niveau de l'une des faces principales de la plaquette 10. Le détourage consiste à découper le ressort spiral et il est réalisé au moyen d'un masque de gravure non représenté et d'une gravure DRIE. De préférence, le ressort spiral est totalement détouré sauf au niveau d'une attache éventuelle qui l'unit à ce qui reste de la plaquette 10. Cette attache sera brisée à la toute fin du procédé de fabrication. Lors du détourage, la partie résiduaire 4' de la couche d'oxyde de silicium B est de préférence retirée au moyen d'une gravure chimique humide. Tel est notamment le cas lorsque, au lieu d'être du silicium polycristallin C, le matériau de remplissage du trou 13 est un matériau ne pouvant pas être gravé au moyen d'une gravure DRIE. Lorsque le matériau de remplissage du trou 13 est du silicium polycristallin C, le détourage du ressort spiral peut se faire selon un contour passant dans ce silicium polycristallin C, par gravure DRIE et sans gravure chimique humide.
  • Pour passer de l'état représenté à la figure 4E à l'état représenté à la figure 4F, on libère le ressort spiral. Cela consiste à retirer localement ou à supprimer totalement, par exemple par gravure, la partie 15 du wafer 11, c'est-à-dire la partie qui forme un support pour la plaquette 10.
  • Un ou plusieurs post-traitements peuvent être ensuite appliqués. Ce ou ces post-traitements peuvent notamment être choisis parmi :
    • un dépôt ou un traitement visant à augmenter la résistance au choc du ressort spiral ;
    • un dépôt ou un traitement visant à augmenter la conductivité électrique du ressort spiral ;
    • un dépôt ou un retrait de matière visant à ajuster ou changer la raideur en flexion du brin élastiquement flexible.
  • Le ou l'un des post-traitements appliqué au ressort spiral peut être une oxydation thermique produisant une couche superficielle d'oxyde de silicium B. Lorsque tel est le cas, cette couche superficielle d'oxyde de silicium B est de préférence prise en compte dans le calcul de la compensation thermique globale s'appliquant sur la raideur en flexion du brin élastiquement flexible.
  • Le procédé exposé ci-dessus peut être appliqué pour réaliser simultanément plusieurs ressorts spiraux à partir d'un seul et même wafer 11. Par ailleurs, il peut comporter une ou plusieurs autres étapes en plus de celles qui ont été explicitées ci-dessus.
  • Une très grande précision sur l'épaisseur de la couche de séparation 4 en oxyde de silicium B peut être obtenue lorsque le ressort spiral est réalisé en mettant en oeuvre le procédé de fabrication qui vient d'être décrit en se référant aux figures 4A à 4F. La possibilité d'obtenir une telle précision sur l'épaisseur de la couche de séparation 4 en oxyde de silicium constitue un avantage d'autant plus notable que cette épaisseur influe directement sur la précision de la compensation thermique obtenue et sur la précision de la raideur en flexion du brin élastiquement flexible.
  • On a constaté que, de manière surprenante, la portion 5 en silicium polycristallin est fermement liée à la couche de séparation 4 en oxyde de silicium, ce qui constitue un résultat contraire à un préjugé technique très largement voire unanimement partagé dans le domaine des ressorts spiraux en silicium.
  • Les figures 5 et 6 représentent chacune l'un de deux tronçons d'un même brin élastiquement flexible 202 faisant partie d'un ressort spiral selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
  • Les couches de séparation 4 du brin élastiquement flexible 202 sont non parallèles à la ligne en spirale ℓ selon laquelle s'étend ce brin élastiquement flexible 202. De ce fait, le nombre de couches de séparation 4 par millimètre de brin élastiquement flexible peut être modifié. En jouant sur l'espacement des couches de séparation 4 en oxyde de silicium B, la raideur en flexion du brin élastiquement flexible 202 peut être modifiée une ou plusieurs fois le long de ce brin élastiquement flexible 202. Ainsi qu'on va l'expliquer en détail ci-dessous, le nombre de couches de séparation 4 par millimètre de brin élastiquement flexible est modifié au moins une fois le long du brin élastiquement flexible 202. En cela seulement, le brin élastiquement flexible 202 se distingue du brin élastiquement flexible 2.
  • Le tronçon représenté à la figure 5 est décalé du tronçon représenté à la figure 6, le long du brin élastiquement flexible 202. D'une comparaison des figures 5 et 6, il ressort que le nombre de couches de séparation 4 par millimètre de brin élastiquement flexible est modifié entre le tronçon représenté à la figure 5 et celui représenté à la figure 6. De ce fait, la raideur en flexion du brin élastiquement flexible 202 est modifiée entre le tronçon représenté à la figure 5 et le tronçon représenté à la figure 6.
  • Pris dans sa totalité, le brin élastiquement flexible 202 est thermocompensé au niveau voulu. Pour obtenir ce résultat, on considère toute la longueur du brin élastiquement flexible 202 et on fait en sorte que les thermocompensations locales insuffisantes et celles en excès se compensent sur cette longueur.
  • Le brin élastiquement flexible d'un ressort spiral thermocompensé conforme à l'invention peut être au moins partiellement recouvert d'au moins une couche de revêtement en oxyde de silicium. Tel est le cas du brin élastiquement flexible 302 dont un tronçon est représenté à la figure 7. Plus précisément, ce brin élastiquement flexible 302 se distingue du brin élastiquement flexible 2 en ce qu'il comporte deux couches de revêtement 320 en oxyde de silicium B, dont chacune est présente au niveau de l'une des faces latérales de ce brin élastiquement flexible 302.
  • Un avantage de l'invention est qu'un ressort spiral conforme à l'invention peut être thermocompensé au niveau voulu sans être recouvert d'une couche en oxyde de silicium mate, foncée et de ce fait inesthétique, ou que ce ressort spiral peut être thermocompensé au niveau voulu et être recouvert d'une couche en oxyde de silicium suffisamment fine pour ne pratiquement pas affecter l'esthétique du ressort spiral. A cet égard, les deux couches de revêtement 320 en oxyde de silicium B peuvent être ou ne pas être suffisamment fines pour ne pratiquement pas affecter l'esthétique du ressort spiral.
  • Afin de faciliter une comparaison entre les différents modes de réalisation de l'invention proposés ici, la figure 8 représente un tronçon du brin élastiquement flexible 102 décrit précédemment.
  • Chacune des figures 9 à 12 représente un tronçon d'un brin élastiquement flexible 402, 502 ou 602 faisant partie d'un ressort spiral thermocompensé conforme à l'invention. Dans les brins élastiquement flexibles 402, 502 et 602, la couche de séparation 4 en oxyde de silicium B s'étend selon une surface cannelée, forme un motif périodique et comporte des segments 7 dont la densité linéique peut être modifiée une ou plusieurs fois le long du brin élastiquement flexible.
  • Le brin élastiquement flexible 402 partiellement représenté à la figure 9 se distingue du brin élastiquement flexible 102 en ce que sa couche de séparation 4 s'étend selon une ligne directrice qui est sinueuse, avec des coudes courbes entre les segments 7.
  • Le brin élastiquement flexible 502 partiellement représenté à la figure 10 se distingue du brin élastiquement flexible 102 en ce que sa couche de séparation 4 s'étend selon une ligne directrice en dent de scie.
  • Une possibilité mentionnée précédemment dans le cas du brin élastiquement flexible 102 est illustrée à la figure 11, et ce dans le cas du brin élastiquement flexible 502. Selon cette possibilité, le brin élastiquement flexible a une section droite qui est modifiée au moins une fois. Sur la figure 11, c'est plus précisément l'aire de cette section droite qui est modifiée du fait d'un élargissement du brin élastiquement flexible 502.
  • Le brin élastiquement flexible 602 partiellement représenté à la figure 11 se distingue du brin élastiquement flexible 102 en ce que les créneaux successifs que forme sa couche de séparation 4 ont chacun la forme d'un contour de queue d'aronde, ce qui a pour avantage de renforcer l'assujettissement de la portion 3, de la couche 4 et de la portion 5 les unes aux autres, par la présence de zones en contre-dépouille, et d'accroître ainsi la robustesse du brin élastiquement flexible 602.
  • Une possibilité mentionnée précédemment est illustrée à la figure 13, et ce dans le cas du brin élastiquement flexible 102. Selon cette possibilité, le motif périodique de la couche de séparation 4 est dilaté longitudinalement au niveau d'un tronçon du brin élastiquement flexible 102, par rapport à un autre tronçon de ce brin élastiquement flexible. En d'autres termes, la période du motif périodique et donc le nombre de segments 7 par millimètre de brin élastiquement flexible sont modifiés au moins une fois le long du brin élastiquement flexible 102, ce qui est le cas à la figure 13. Il en résulte que, le long du brin élastiquement flexible 102, la raideur en flexion de celui-ci est modifiée au moins une fois.
  • L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits dans ce qui précède. En particulier, la couche de séparation ou les couches de séparation 4 peuvent présenter d'autres formes que celles qui ont été proposées précédemment.
  • En outre, les modes de réalisation proposés précédemment peuvent être combinés au sein d'un même ressort spiral conforme à l'invention. Par exemple, une couche de séparation 4 en oxyde de silicium B peut, sur une partie de sa longueur, former un certain motif périodique, par exemple en étant comme représenté à la figure 8, et, sur une autre partie de sa longueur, former un autre motif périodique, par exemple en étant comme représenté sur l'une des figures 9, 10 et 12.
  • De plus, le matériau dont est faite la ou chaque portion 5 peut ne pas être du silicium polycristallin. La ou chaque portion 5 peut être réalisée en tout matériau approprié, notamment en tout matériau approprié déposable en couche épaisse, notamment par PVD ou par CVD. Par exemple, la ou chaque portion 5 peut être réalisée en SiC, Al, Al2O3, Ti, TiO2, Ti2O3, Au, W, WO2, WO3, silumin (alliage Aluminium-Silicium, par exemple à 1% ou 2% ou 4% de silicium), Si3N4, AlN, BeO, ZrO2, NB, MgO.

Claims (17)

  1. Ressort spiral thermocompensé pour oscillateur mécanique de pièce d'horlogerie, comprenant un brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) s'étendant selon une ligne en spirale (ℓ), ce brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) comprenant :
    - au moins une portion (3) en un premier matériau, à savoir en silicium monocristallin (A), et
    - au moins une couche de séparation (4) en un deuxième matériau, à savoir en oxyde de silicium (B),
    la portion (3) en silicium monocristallin (A) étant mécaniquement liée à la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B),
    caractérisé en ce qu'il comporte au moins une portion (5) en un troisième matériau (C) différent du silicium monocristallin (A) et de l'oxyde de silicium (B), et en ce que la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) sépare la portion (3) en silicium monocristallin (A) de la portion (5) en le troisième matériau (C), cette portion en le troisième matériau (C) étant mécaniquement liée à la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B).
  2. Ressort spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième matériau est du silicium polycristallin (C).
  3. Ressort spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) ou plusieurs couches de séparation (4) en oxyde de silicium (B) chacune séparant une portion (3) en silicium monocristallin (A) et une portion (5) en le troisième matériau (C) l'une de l'autre en étant mécaniquement liée à ces portions (3, 5) comportent plusieurs segments (4 ; 7) non parallèles à la ligne en spirale (ℓ), ces segments (4 ; 7) étant décalés entre eux le long du brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
  4. Ressort spiral selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre desdits segments (4 ; 7) par millimètre de brin élastiquement flexible est modifié au moins une fois le long du brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
  5. Ressort spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) possède une raideur en flexion que la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) ou plusieurs couches de séparation (4) en oxyde de silicium (B) chacune séparant une portion (3) en silicium monocristallin (A) et une portion (5) en le troisième matériau (C) l'une de l'autre en étant mécaniquement liée à ces portions (3, 5) modifient au moins une fois le long du brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
  6. Ressort spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) possède une raideur en flexion et une section droite (E) qui est modifiée au moins une fois le long du brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) de manière à modifier au moins une fois la raideur en flexion le long du brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
  7. Ressort spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brin élastiquement flexible (2 ; 202) comporte une répétition d'une séquence (S) qui se succède à elle-même le long du brin élastiquement flexible (2 ; 202), cette séquence (S) étant une succession selon un ordre qui, le long du brin élastiquement flexible (2 ; 202), est : portion (3) en silicium monocristallin (A), puis couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B), puis portion (5) en le troisième matériau (C), puis couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B).
  8. Ressort spiral selon la revendication 7, caractérisé en ce que la séquence (S) s'étend sur une distance le long du brin élastiquement flexible (2 ; 202), cette distance étant modifiée au moins une fois le long du brin élastiquement flexible (2 ; 202).
  9. Ressort spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) s'étend selon une surface qui est cannelée sur au moins une partie de la longueur du brin élastiquement flexible (102 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
  10. Ressort spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) s'étend selon une ligne directrice (d) et parallèlement à une génératrice (
    Figure imgb0003
    ) qui coupe un plan (P) dans lequel s'étend le brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
  11. Procédé de fabrication d'un ressort spiral thermocompensé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des étapes dans lesquelles :
    a) on creuse au moins un trou (13) dans une plaquette (10) faite de silicium monocristallin (A),
    b) on crée la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) au moins au niveau de la paroi du trou (13), de manière que le silicium monocristallin (A) soit mécaniquement liée à la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B),
    c) on remplit le trou (13) avec le troisième matériau (C), de manière que ce troisième matériau (C) soit mécaniquement liée à la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) et que cette couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) sépare le silicium monocristallin (A) du troisième matériau (C).
    d) dans la plaquette (10) telle qu'elle a été modifiée par les étapes a) à c), on découpe le ressort spiral, y compris son brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602), de manière que ce brin élastiquement flexible (2 ; 102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) s'étende selon la ligne en spirale (I) et comprenne au moins la portion (3) en silicium monocristallin (A), au moins la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) et au moins la portion (5) en le troisième matériau (C).
  12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, comportant une étape qui a lieu après l'étape c) et dans laquelle on soumet la plaquette (10) pourvue de la couche de séparation (4) et du troisième matériau (C) ou le ressort spiral à des conditions qui sont identiques à des conditions utilisées pour effectuer une oxydation thermique de silicium.
  13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel, au moins lors des étapes a) à c), la plaquette (10) fait partie d'un wafer (11) dans lequel la plaquette (10) comprend une première face principale unie à un support (15) et une deuxième face principale opposée à la première face principale, le procédé de fabrication comprenant une étape qui a lieu après l'étape c) et dans laquelle on polit la deuxième face principale de la plaquette (10).
  14. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel on réalise au moins l'une des étapes a) et d) par gravure.
  15. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, dans l'étape b) duquel on crée la couche de séparation (4) en oxyde de silicium (B) par oxydation thermique.
  16. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, dans lequel, au moins lors des étapes a) à c), la plaquette (10) fait partie d'un wafer (11) dans lequel une face principale de la plaquette (10) est unie à un support (15), le procédé de fabrication comprenant une étape qui a lieu après l'étape c) et dans laquelle le ressort spiral est débarrassé du support (15).
  17. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, comprenant au moins un post-traitement qui a lieu après l'étape d) et qui est choisi parmi un post-traitement augmentant la résistance au choc du ressort spiral, un post-traitement augmentant la conductivité du ressort spiral et un post-traitement changeant une raideur en flexion du brin élastiquement flexible.
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