TWI390370B - 由結晶材料製成的類比顯示構件，組裝有該構件的時計，和其製造方法 - Google Patents

Description

由結晶材料製成的類比顯示構件，組裝有該構件的時計，和其製造方法

本發明有關一類比顯示構件，諸如一時計指針。

本發明亦有關一時計及製造顯示構件之方法。

供用作一時計中之顯示構件的指針之製造係特別複雜的，尤其當該指針係待裝至該範圍時計之一頂部時，用於此之指針必需具有一特別拋光之表面外觀，可能具有琢面。

目前，指針係以黃銅、鋼鐵、黃金、鋁、或以特別之合金製造。它們可被以化學作用產生電流的處理、覆蓋以塗料、氧化或如果所使用之材料係黃金則未處理。它們大致上係藉著切削加工或模壓衝鍛所製成。

然而，對於這些材料，以該切削加工及模壓衝鍛技術仍然未能獲得令人滿意之尺寸精確性，且需要稜邊精修、拋光等額外之操作，以獲得該指針之最後形狀。

再者，對該等指針施加多重處理大致上係需要的，以確保高品質之表面精加工。

再者，目前之指針製造技術不允許達成所有想要之形式，由此阻礙時計設計者之創造力。

本發明之一目的係提出一指針，其係更易於製造，同時對於其形式提供大幅設計自由度，並可連續地製造，以便使生產成本減至最少。

本發明如此提出一組裝至時計之類比顯示構件，該型式類比顯示構件包含一主體，在該主體中配置一心軸孔，該心軸孔係裝至一驅動心軸，其特徵為該主體係由以矽為基礎之結晶材料所製成。較佳地是，該類比顯示構件之主體具有一時計指針之形狀。

根據本發明之顯示構件具有能夠輕易地製造之優點，並使用用於製造積體電路之微電子學及用於製造微結構之微型機械中已證實的技術。

矽具有很輕之優點，因為其密度係大約2.49公斤/立方公寸，其使該顯示構件之質量減至最少，且，及如此使慣性及不平衡之問題減至最少，特別是當其採取一指針之形式時。再者，該顯示構件的不平衡及慣性中之減少在該顯示構件驅動機構之測定尺寸及在該驅動機構之能量消耗上具有一正面之影響。

根據本發明之其他特色：-該主體包含一配置該心軸孔之近側部份，及一形成該指針之指示器區段的遠側部份，且該遠側部份係藉著至少一傳動桿(beam)連結至該近側部份，於一相對該心軸之橫亙平面中，該傳動桿之寬度係少於或等於一百微米；-該主體於其厚度中包含多數鑽孔，該等鑽孔平行於該驅動心軸，且其具有小於五十微米之直徑。

-該主體之頂部表面包含浮雕圖案； -該主體之頂部表面包含琢面；-該主體之至少一面係設有一塗層，該塗層由與該主體不同之材料所製成；-該塗層係由金屬所製成；-該顯示構件包含至少一配置在該主體的厚度中之積體電路元件；-該結晶材料係單晶矽。

本發明亦提出一時計，其特徵為該時計包含按照前述特色之一的至少一類比顯示構件。

本發明進一步提出一製造待裝至時計的類比顯示構件之方法，每一類比顯示構件包含配置有一心軸孔之主體，該心軸孔係組裝至一驅動心軸，其特徵為該方法包含顯微加工以矽為基礎之結晶材料的平板之至少一步驟，以於該結晶材料中製造具有該心軸孔的至少一主體。

此方法係輕易的施行，以大量生產精密、輕之配件。

根據本發明的方法之其他特色：-於該平板之顯微加工步驟期間，撓性元件係形成在該主體上，以允許該類比顯示構件藉由該等撓性元件之彈性變形安裝在該驅動心軸上；-施行該顯微加工步驟，以便於相同之平板中同時製造數個類比顯示構件；-該顯微加工步驟包含至少一微影步驟，用於在該平板上複製一類比顯示構件之主體的至少一部份之輪廓；-該方法包含在每一類比顯示構件之主體的至少一面上沈積一塗層之至少一步驟；－該方法包含顯微加工該主體之頂面的至少一步驟，以便在該頂面上形成浮雕圖案；－該方法包含顯微加工該主體之頂面的至少一步驟，以便在該頂面上形成琢面；－該結晶材料係單晶矽。

圖1至7顯示一用於按照本發明之教導製造類比顯示構件10的方法之數個步驟。

類比顯示構件10在此係指針10，其一範例係概要地顯示於圖9中。

按照本發明之教導，每一指針10包含一由以矽為基礎之結晶材料所製成的主體11。

在此，“以矽為基礎之結晶材料”意指一包含矽、諸如單晶矽、複晶矽及石英之結晶材料。

較佳地是，根據本發明之指針10係於像那些用於製造積體電子電路之單晶矽平板12中顯微加工，此等平板大致上係稱為“晶圓”。

有利地是，一系列數個指針10係按照一稱為“批次處理”之方法在相同之矽晶圓12中製成，並使用源自微電子學之技術，其能夠在一矽晶圓12中製造機械式微結構。

業已施行這些技術，用於製造壓力感測器、加速度計、微致動器、及微幫浦。它們主要包含乾式蝕刻法及濕式蝕刻法的製造方法之二型式。

這些方法大致上使用掩罩技術，其局部地移去一已決定厚度之材料層。

乾式蝕刻法譬如使用一雷射光束或一高密度電漿源。

根據本發明之較佳具體實施例，用於顯微加工矽晶圓12之技術被使用，以便於該矽晶圓之厚度中直接地製造指針10。

電解拋光技術係一用於矽蝕刻的技術之範例。此技術使用藉著陽極電化學蝕刻法於一氫氟酸中使用低電流密度的空洞形成之單晶矽特性，此技術係能夠以高電流密度完全地移去該矽。

該矽電解拋光技術之一範例實施係藉著R.W.Tjerkstra等人敘述在加拿大班夫“微總數分析系統98討論會之會議記錄”之第133－136頁、標題為“多層微通道之電化學裝配製造”的公告中，其在同軸微通道之製造範圍內，該等微通道之分開壁面係由多小孔之矽所製成。對於此方法之更多細節可參考此公告，其以引用的方式併入本文中。

矽顯微加工方法之其他範例係敘述在藉由馬度(Marc Madou)、由CRC Press所編輯的標題為“微加工之基礎”的研究中，且與該國際標準書號之參考書目ISBN 0－8493－9451－1有關連，其以引用的方式併入本文中，並可對於進一步細節參考之。

現在將以簡化之方式敘述根據本發明的方法之主要步驟。

圖1於實施根據本發明的方法之前說明一矽晶圓12。

圖2說明在矽晶圓12之頂部面上沈積一犧牲層14之步驟。

圖3說明經過一罩幕16處理犧牲層14，用於局部地變更該犧牲層14之結構，以便在矽晶圓12上畫出代表一系列指針10之圖案。

於圖5中，已穿過該犧牲層蝕刻矽晶圓12，較佳地是按照一各向異性的蝕刻技術，使得代表指針10之圖案現在係於矽晶圓12之厚度中畫出。

該剩餘之犧牲層14係接著被移除，如圖6所示。

如此獲得矽晶圓12，其中指針10係預先切割及經由材料之橋接部保持附接至晶圓12之本體，如圖7a及7b所示。

指針10之最後製造步驟在於由矽晶圓12分離該等指針。

有利地是，根據本發明之方法可包含至少一步驟，譬如金屬之一塗料係於該步驟期間沈積在該矽形成指針10上。此塗料可按照化學蒸氣沈積或物理蒸氣沈積技術沈積。

根據本發明之方法亦可譬如包含一施加至該矽形成指針10之表面的化學及/或熱處理步驟，以便變更該矽表面之態樣。

應注意的是亦可藉著製造幾何或其他圖案施行該等蝕刻步驟，以便變更該矽表面之外觀，或以便變更一沈積在該矽上之塗料的表面外觀，這提供有趣之光學效果。此等幾何圖案可譬如對在該矽中製成的指針10之表面給與一針蝕刻型式外觀。當指針10係仍然藉著矽晶圓12所承載時，能施行此蝕刻步驟。

根據圖9中所顯示之具體實施例，指針10之頂部面係設有浮雕之幾何學圖案24，該等圖案係藉著矽蝕刻法所製成。一金屬沈積物26係製成在這些幾何圖案24上，這給與指針10一針蝕刻之金屬外觀。應注意的是此結果將很難以用該主體11係由金屬所製成之指針10獲得。

根據圖10及11所示之具體實施例，二縱向琢面28已被蝕刻於指針10之頂部面中。

視該等具體實施例而定，圖案24及琢面28可具有曲線輪廓，以便在指針10之表面中形成波浪狀。

應注意的是根據本發明製造指針10之方法輕易地允許指針10被製成具有極有變化之外觀。

有利地是，能在數個矽晶圓12上平行地施行根據本發明之方法，以便於數個矽晶圓12中同時製成具有類似特色之指針10。

圖8顯示一手錶20，其設有按照根據本發明的方法所製成之至少一矽指針10。

每一指針10係待旋轉地連接至手錶20之一心軸或手錶移動裝置(未示出)之轉輪。如此，指針10係在此設有一待驅動至一驅動心軸34上之心軸孔32。

有利地是，心軸孔32之內部軸向表面係設有一材料層36，其能夠使指針10藉著讓層36變形或藉由滑動抵靠著層36所驅動，而限制破壞主體11之風險。

根據另一選擇之具體實施例，根據本發明之指針10可接合或焊接至驅動心軸34上。

根據本發明在圖9所示之一有利的具體實施例，一積體電路元件22係在指針10之主體11內製成於矽晶圓12的厚度中。

按照傳統之微電子製造技術，可在實施根據本發明的製造方法之前、期間或之後製成積體電路元件22。如此，積體電路元件22可在矽晶圓12中預先製成，如圖1所示，指針10係由該矽晶圓製成。

積體電路元件22可經過指針10之旋轉式心軸電連接至手錶20之控制電路。

積體電路元件22譬如於指針10之厚度中包含一整合式發光二極體。指針10因此能藉著利用矽之透明性質由裡面被照亮。

積體電路元件22能包含一感測器，其提供用於相對該標度盤對手錶20之控制電路供給關於指針10之角位置的指示。

圖12至14顯示一改善之具體實施例，其中指針10係完全由矽所製成，亦即其形成指針10之機械結構的主體11係由矽所製成，且界定指針10之外部形狀。當然，主體11可被塗以一或數層塗料、諸如金屬塗料。

根據所示具體實施例，主體11包含一環狀之近側部份38，其中心軸孔32係配置用於在手錶20之驅動心軸34上安裝指針10。提供心軸孔32，以將裝至驅動心軸34，使得指針10係以類似於壓入之方式固定至驅動心軸34上。

在此，心軸孔32係設有呈舌片形式之撓性元件40，該等舌片係與主體11之近側部份38製成單一組件，並突出至心軸孔32之內部表面上。提供撓性元件40，以當指針10被安裝在驅動心軸34上時彈性變形。如此，在組裝之後，撓性元件40在驅動心軸34上施加一緊抓力量，該力量將指針10軸向地固持在驅動心軸34上及於旋轉中連接該二元件。

較佳地是於顯微加工矽晶圓12之步驟期間形成撓性元件40。

主體11亦包含一遠側部份42，其形成指針10之指示器區段。該遠側部份42在此具有三角形之形式，但其能採取任何其他合適之形式，用於在時計20之標度盤上指示一已決定之角位置。

遠側部份42係藉著二傳動桿44、46連接至近側部份38，該傳動桿於相對驅動心軸34之一橫亙平面中的寬度11係包含於三十及二百微米之間，且較佳地是等於五十微米。五十微米之寬度11在用於傳動桿44、46的硬度及細度之間提供一良好之折衷。

如此，當手錶20之使用者特別是於一俯視中查閱藉由指針10所給與之指示時，吾人獲得一實際上僅只可看見該近側部份38及該遠側部份42之指針10。事實上，與很小之厚度結合，包含譬如於三十及一百微米之間，較佳地是等於五十微米，該小寬度11造成肉眼幾乎看不見傳動桿44、46，且如此於近側部份38及遠側部份42之間造成更看得見指針10下方之元件，特別是手錶20之標度盤上所顯示之元件。再者，藉著隱藏指針10之結構部份，這些幾乎看不見傳動桿44、46之使用於指針10之設計中提供更多自由度。

當然，根據本發明之指針10能包含超過二傳動桿44、46。可當作指針10之形狀的函數選擇傳動桿44、46之數目，特別是當作遠側部份42之形狀的函數，以便確保用於指針10之充分硬度及衝擊阻抗。

圖13係圖12的傳動桿46之一放大視圖，其可看出該傳動桿46可設有以合適之方式配置的凹部48，以減輕指針10之結構，而不會顯著地付出其硬度及衝擊阻抗作為代價。在此，凹部48係由對齊與分佈遍及傳動桿46之長度的孔口或窗口所形成，該等孔口於該二平行零件形成傳動桿46之間界定材料之橋接部。

有利地是，如可在圖14中看出，指針10之主體11於其軸向厚度中包含多數大致上圓柱形之鑽孔50，該等鑽孔大體上平行於驅動心軸34，且具有一比五十微米較小之直徑，較佳地是包含於三及十微米間之直徑。這些鑽孔50之目的係減少指針10之不平衡及慣性。既然該傳動桿之質量在指針10之不平衡及慣性上具有很小之影響，鑽孔50較佳地是僅只配置在遠側部份42中，但它們亦可配置於主體11之其他部份中。

在此，鑽孔50通過主體11之整個厚度。它們具有充分小之尺寸，以致手錶20之使用者的肉眼看不見，使得它們不會不利地影響指針10之美學外觀。

10．．．類比顯示構件

11．．．主體

12．．．矽平板

14．．．犧牲層

16．．．罩幕

20．．．手錶

22．．．積體電路元件

24．．．圖案

26．．．金屬沈積物

28．．．琢面

32．．．心軸孔

34．．．驅動心軸

36．．．材料層

38．．．近側部份

40．．．撓性元件

42．．．遠側部份

44．．．傳動桿

46．．．傳動桿

48．．．凹部

50．．．鑽孔

當閱讀以下經由非限制性範例所給與之詳細敘述，並參考所附圖面時，本發明之其他特色及優點將更清楚地顯現，且其中：－圖1至6係直立之橫截面圖，其概要地說明按照本發明之教導由矽平板製造時計指針的方法之數個步驟；－圖7a及7b係俯視圖，其概要地顯示在圖6所說明步驟的矽平板；－圖8係一俯視圖，其概要地顯示一組裝有藉由根據本發明的方法所獲得之至少一指針的手錶；－圖9係一直立之橫截面圖，其概要地顯示一藉由根據本發明的方法所獲得之指針；－圖10係一俯視圖，其概要地顯示一藉由根據本發明的方法所獲得之指針，並設有二縱向琢面；－圖11係沿著圖10之指針的橫截面平板11－11之一直立橫截面圖；－圖12係一俯視圖，其概要地顯示一藉由根據本發明的方法所獲得之指針，並設有二連接傳動桿；－圖13係圖12之傳動桿的一區段之放大視圖；－圖14係一沿著該平面14－14之軸向橫截面圖，其以放大之方式顯示圖12之指針的遠側端部份。

10．．．類比顯示構件

12．．．矽平板

Claims (16)

1. 一種組裝至一時計之類比顯示構件，該型式類比顯示構件包含一主體，在該主體中製成一心軸孔，該心軸孔係組裝至一驅動心軸，該主體係由一以矽為基礎之結晶材料所製成，其中該主體包含撓性元件，該等撓性元件係與該主體之其餘部份製成單一組件，且該等撓性元件延伸進入該心軸孔，以便允許該類比顯示構件經由該等撓性元件之彈性變形被組裝至該驅動心軸上。
2. 如申請專利範圍第1項之類比顯示構件，其中該主體於其厚度中包含多數鑽孔，該等鑽孔平行於該驅動心軸，且其具有小於五十微米之直徑。
3. 如申請專利範圍第1項之類比顯示構件，其中該主體之頂部表面包含浮雕圖案。
4. 如申請專利範圍第1項之類比顯示構件，其中該主體之頂部表面包含琢面(facet)。
5. 如申請專利範圍第1項之類比顯示構件，其中該主體之至少一面係設有一塗層，該塗層由與該主體不同之材料所製成。
6. 如申請專利範圍第5項之類比顯示構件，其中該塗層係由金屬所製成。
7. 如申請專利範圍第1項之類比顯示構件，其中其包 含至少一配置在該主體的厚度中之積體電路元件。
8. 如申請專利範圍第1項之類比顯示構件，其中該結晶材料係單晶矽。
9. 一種時計，在該時計中包含至少一個如申請專利範圍第1項之類比顯示構件。
10. 一種製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，每一類比顯示構件包含配置有一心軸孔之主體，該心軸孔係組裝至一驅動心軸，其中該方法包含顯微加工以結晶材料為基礎的矽晶圓之至少一步驟，以於該結晶材料中製造具有該心軸孔的至少一主體，且其中於該晶圓顯微加工步驟期間，撓性元件係形成在該主體上，以允許該類比顯示構件經由該等撓性元件之彈性變形組裝在該驅動心軸上。
11. 如申請專利範圍第10項製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，其中施行該顯微加工步驟，以便於相同之晶圓中同時製造數個類比顯示構件。
12. 如申請專利範圍第10項製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，其中該顯微加工步驟包含至少一微影步驟，用於在該晶圓上複製一類比顯示構件之主體的至少一部份之輪廓。
13. 如申請專利範圍第10項製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，其中其包含在每一類比顯示構件之主體的至少一面上沈積一塗層之至少一步驟。
14. 如申請專利範圍第10項製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，其中其包含顯微加工該主體之頂面的至 少一步驟，以在該頂面中形成浮雕圖案。
15. 如申請專利範圍第10項製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，其中其包含顯微加工該主體之頂面的至少一步驟，以在該頂面中形成琢面。
16. 如申請專利範圍第10項製造待組裝至時計的類比顯示構件之方法，其中該結晶材料係單晶矽。