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EP3159746B1 - Spiral en silicium fortement dopé pour pièce d'horlogerie - Google Patents

Spiral en silicium fortement dopé pour pièce d'horlogerie Download PDF

Info

Publication number
EP3159746B1
EP3159746B1 EP15190441.4A EP15190441A EP3159746B1 EP 3159746 B1 EP3159746 B1 EP 3159746B1 EP 15190441 A EP15190441 A EP 15190441A EP 3159746 B1 EP3159746 B1 EP 3159746B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
balance spring
oscillator
timepiece
coil
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP15190441.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3159746A1 (fr
Inventor
Richard Bossart
Olivier HUNZIKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolex SA
Original Assignee
Rolex SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolex SA filed Critical Rolex SA
Priority to EP15190441.4A priority Critical patent/EP3159746B1/fr
Priority to US15/295,449 priority patent/US10539926B2/en
Priority to JP2016204033A priority patent/JP6869689B2/ja
Priority to CN201611078699.9A priority patent/CN106597828B/zh
Publication of EP3159746A1 publication Critical patent/EP3159746A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3159746B1 publication Critical patent/EP3159746B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • 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
    • G04B17/063—Balance construction
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a spiral spring for an oscillator of a timepiece, as well as an oscillator, a timepiece movement and a timepiece as such which comprise such a spiral spring. Finally, it also relates to a method of manufacturing such a spiral spring.
  • the regulation of mechanical watches relies on at least one mechanical oscillator, which generally comprises a flywheel, called a pendulum, and a spiral wound spring, called spiral spring or more simply spiral.
  • the hairspring can be fixed at one end to the axis of the balance and at the other end to a fixed part of the timepiece, such as a bridge, called a rooster, on which the axis of the balance pivots.
  • the spiral spring equipping the mechanical watch movements of the state of the art is in the form of an elastic metal blade or a silicon blade of rectangular section, the majority of which is wound on itself in a spiral Archimedes.
  • the sprung balance oscillates around its equilibrium position (or dead point). When the pendulum leaves this position, it arms the hairspring.
  • the accuracy of mechanical watches depends on the stability of the natural frequency of the oscillator formed by the balance and the spiral.
  • the thermal expansions of the balance and the balance as well as the variation of the Young's modulus of the balance spring, modify the natural frequency of this oscillating assembly, thus disturbing the accuracy of the watch.
  • E is the Young's modulus of the oscillator hairspring
  • (1 / F) dF / dT is the thermal coefficient of the oscillator, also simply called by the acronym CT
  • (1 / E) dE / dT is the thermal coefficient of the Young's modulus of the spiral of the oscillator, also called by the acronym CTE
  • ⁇ s and ⁇ b are respectively the coefficients of thermal expansion of the spiral and the pendulum of the oscillator.
  • CTE In the description to follow, by “CTE”, we mean in particular “CTE equivalent or apparent”.
  • the document EP1258786 proposes using a spiral formed in a particular paramagnetic alloy Nb-Hf comprising an advantageous rate of Hf.
  • the alloy chosen is relatively complex to manufacture.
  • the document EP1422436 discloses another solution based on a silicon balance spring comprising an oxide layer. This solution requires a thick oxide layer. Its manufacture requires treating the hairspring for a long time at very high temperature, which is a drawback.
  • the document CH 699 780 discloses a silicon spiral or the "CTE" is compensated by a coating comprising a metal or an alloy or by internally doped layers.
  • the object of the invention is to provide another spiral spring solution that allows the thermo-compensation of the oscillator, to obtain an oscillator whose frequency is independent or quasi-independent of the temperature, which does not have any or some of the disadvantages of the state of the art.
  • the invention relates to a hairspring for an oscillator of a timepiece, characterized in that it comprises a part, in particular at least one turn or a turn portion, provided with highly doped doping silicon. greater than or equal to 10 18 at / cm 3 to allow thermo-compensation of the oscillator.
  • Said part, in particular said turn or said turn portion, has a locally varying section along its length, in particular along the length of said turn or of said turn portion.
  • This variation is a variation of thickness and / or height.
  • said part may comprise an oxidized outer layer, in particular made of silicon dioxide SiO 2 .
  • an oscillator for a timepiece comprises a balance-sprung assembly, the spiral being in the form of an elastic blade of rectangular section, wound on itself in an Archimedean spiral .
  • the balance is made of a copper-berrylium alloy, in a known manner. Alternatively, other materials may be used for the balance.
  • the spiral could have another basic geometry, such as a non-rectangular section.
  • the objective of the invention is to propose a solution approaching at most a value of the thermal coefficient (CT) of zero for the balance-spring, whose Oscillations thus become independent or quasi-independent of the temperature. For this, it is necessary to couple the spiral material with that of the balance to obtain a good result.
  • CT thermal coefficient
  • the hairspring must have a Young's modulus (CTE) thermal coefficient of the order of 26 ppm / ° C to heat compensate the oscillator.
  • the spiral of the embodiments is made of silicon and comprises at least one coil or turn portion of highly doped silicon.
  • the silicon has a doping of an ionic density greater than or equal to 10 18 at / cm 3 , or even greater than or equal to 10 19 at / cm 3 , or even greater than or equal to 10 20 at / cm 3 .
  • This doping of the silicon is obtained by means of elements providing an additional electron (doping of p-type or "p-doped silicon”) or one less electron (doping of n-type or "n-doped silicon").
  • this single highly doped silicon may be sufficient to obtain a thermo-compensation of the oscillator.
  • the n-type doping is for example obtained by using at least one of: antimony Sb, arsenic As, or phosphorus P.
  • the p-type doping is obtained for example using boron B.
  • the heavily doped silicon portion advantageously occupies the entire length of the hairspring.
  • all the silicon turns of a spiral can advantageously be heavily doped.
  • the turn or the turn portion is strongly doped over its entire section.
  • the heavily doped silicon part occupies the entire section of a turn or a portion of turn, that is to say that the doping is massive.
  • the heavily doped silicon portion occupies only a surface layer of the section of a turn or of a turn portion, in particular a wall of a turn or a turn portion.
  • the doping is advantageously uniform on all the turns of the spiral, or on the entire spiral and / or over a section of the spiral. As a variant, it may be non-uniform, variable depending on the turns or the portions of the turns and / or on the section of the turns or portions of the turns of the spiral.
  • the geometry of the spiral spring has sectional variations along its length to take into account this anisotropy.
  • the hairspring exhibits a variation in section as a function of the crystallographic orientation of the highly doped silicon.
  • a first embodiment is thus based on a modulation of the spiral spiral thickness, that is to say a variation of the dimension of the side of the turns located in a plane parallel to the plane of the spiral, more particularly a variation of the dimension. turns which is locally perpendicular to the neutral fiber of the hairspring in a plane parallel to the plane of the hairspring.
  • This modulation of the thickness is chosen to promote the bending of the first zones of the spiral. These first zones of the spiral have a local CTE higher than the local CTE of second spiral zones.
  • the modulation of the thickness of the turns, more particularly the thinning of the thickness of the turns in these first zones of the spiral thus makes it possible to optimize the thermo-compensation of the oscillator.
  • this modulation of the thickness impacts the regularity of the rigidity of the blade, and therefore the mechanical behavior at constant temperature.
  • this effect is considered limited compared to the effect of changes in spiral CTE with temperature.
  • the figure 1 represents a spiral 1 with a constant pitch at equilibrium or at rest according to one embodiment of the invention, consisting of nine turns, and comprising an evolution of the thickness of the turns presented by the curve of the figure 2 .
  • This figure 2 shows the evolution of the relative thickness (e / e0) of the turns as a function of the angle ( ⁇ ), in a coordinate system in polar coordinates and centered on the center of the spiral. It appears that each turn has thinning 2 on areas extending a given angular range, this angular range varying according to the doping of the spiral silicon and a possible oxidation of the highly doped spiral. This angular range can be between 2 and 80 degrees, especially between 5 and 40 degrees, especially between 5 and 20 degrees.
  • the spiral plane substantially coincides with a ⁇ 001 ⁇ plane of the silicon single crystal.
  • the first zones of the spiral, in particular the thinning 2 coincide substantially with the places where the tangent to the neutral fiber is aligned with a ⁇ 100> direction of the silicon single crystal.
  • the thinning 2 are periodically arranged along the spiral turns in a period of 90 °.
  • the thinning may be periodically disposed along the coils of the spiral at a period of 180 degrees. Apart from thinnings, the thickness may remain substantially constant or not.
  • the thinning namely the local variations in the size of the turns, may be equal or not.
  • the geometries of the thinning may differ or not.
  • thinning is periodically arranged according to a given period even if the local variations in the size of the turns or the geometries of the aminicismes differ.
  • the spiral can have any thickness and not all, while maintaining a good thermal behavior, which allows to determine these parameters according to the criteria set by the search for the best chronometric performance of the oscillator.
  • the figure 3 alternatively represents a periodic change in the relative thickness (e / e0) of the turns which have a linear profile over 45 degrees.
  • each turn has a minimum thickness 2 for the angles 45, 135, 225 and 315 degrees, and maximum thicknesses 3 for the angles 0, 90, 180, and 270 degrees.
  • the 0 degree angle corresponds to the inner end of the hairspring.
  • the spiral has a thickness varying linearly with the angle.
  • the evolution of the thickness is therefore periodic and similar on each turn.
  • the reduction in thickness can range from 5 to 90% relative to the maximum thickness, especially from 10 to 40% relative to the maximum thickness.
  • the variation of the section of the coils spiral can be achieved by a change in the height of turns, that is to say, the dimension perpendicular to the plane of the spiral.
  • This modification can for example be obtained by gray photolithography, for the same purpose of promoting in this way the bending of the first zones of the spiral.
  • this variation of the spiral section as a function of the angle, in a coordinate system in polar coordinates is periodic. In particular, this period can be 90 or 180 degrees.
  • this section variation in order to optimize the thermal behavior of the hairspring can be combined with a complementary section variation, generally non-periodic, suitable for optimizing the chronometric behavior of the hairspring.
  • the zones of the spiral to be favored can be determined by a theoretical calculation and / or empirically.
  • thermo-compensation brings a reinforced effect of thermo-compensation. It may also be possible to provide stronger doping in certain areas of the spiral, including the favorable areas mentioned above. It is also possible, alternatively or complement, to provide stronger doping in the areas closer to the surface of the spiral.
  • This variation of the doping can be made a posteriori by diffusion or ion implantation, to obtain a "fine" adjustment of the CTE of the spiral after its manufacture.
  • the different variations described in the previous embodiments can be combined.
  • the figure 4 illustrates this effect.
  • the four straight lines 11, 12, 13, 14 respectively represent four spirals each having a different sectional variation, obtained by the periodic modulation of the section of the spiral, whose ratio R between the minimum thickness and the maximum thickness of the turns is equal to respectively 1, 0.55, 0.33, 0.10.
  • These four spirals are associated with the same pendulum CuBe2 to form oscillators.
  • the oxide thickness (c) necessary to reach a zero thermal coefficient is represented as a function of the logarithm of the ion density (Log di). It is found in all cases that an ion density doping up to 10 18 at.cm -3 requires an oxide layer tending towards 3 microns.
  • the invention also relates to a spiral comprising a heavily doped silicon part and comprising an outer oxidation layer.
  • embodiments are obtained by adding an oxide layer to the previously described embodiments.
  • the oxide layer has a small thickness, its maximum thickness being less than or equal to 5 microns, or even less than or equal to 3 microns, even less than or equal to 2.5 microns, even less than or equal to 2 microns, or even less than or equal to 1.5 microns.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a spiral as described above.
  • This process comprises in particular a spiral cutting step in a wafer of heavily doped silicon, for example by the method of deep reactive ion etching (DRIE), this cutting being such that it allows to form a variable section of spiral turns. More precisely, according to one embodiment, this cutting makes it possible to form turns of variable thickness by the choice of the shape on the mask.
  • Another embodiment consists in forming turns of variable height, for example using a gray photolithography, multiple etching using different masks, or other methods known to those skilled in the art.
  • the wafer can be manufactured from a highly doped silicon ingot itself obtained by a step of high silicon doping during its growth.
  • the manufacturing method comprises a step of cutting the spiral in a silicon wafer, and then a step of doping the silicon after the cutting, in particular by diffusion or ion implantation, to obtain a spiral comprising highly doped silicon.
  • an (additional) doping step is therefore added after cutting.
  • the silicon wafer may initially be heavily doped or not. This embodiment makes it possible to more strongly dope the areas close to the surface and more stressed during oscillation deformations. Note that the fact of performing a posterior doping has the advantage of allowing to obtain a higher doping rate and thus avoid the need for oxidation of silicon or reduce the necessary oxide layer.
  • This manufacturing method also has the advantage of taking advantage of the flexibility of the cutting in a silicon wafer, which makes it possible to achieve very diverse geometries, and in particular to vary with very little limitation the thickness of the blade forming a twist of the spiral.
  • the wafer may preferably be made of silicon monocrystal oriented in the ⁇ 100> direction.
  • the manufacturing method comprises a complementary oxidation step.
  • the oxidation layer used has a small thickness, in all embodiments, which has the advantage of allowing its realization at a low oxidation temperature, and thus prevent premature wear of the oven used.
  • this small thickness of the oxidation layer also allows its implementation using oxygen as a precursor, instead of the water vapor used for thicker oxidation layers, thus forming a layer of oxidation of a high quality while minimizing its growth time.
  • the invention also relates to a timepiece oscillator, a timepiece movement and a timepiece, such as a watch, for example a wristwatch, comprising a hairspring as described above.

Landscapes

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Description

  • L'invention concerne un ressort spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie, ainsi qu'un oscillateur, un mouvement de pièce d'horlogerie et une pièce d'horlogerie en tant que tels qui comprennent un tel ressort spiral. Enfin, elle concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel ressort spiral.
  • La régulation des montres mécaniques repose sur au moins un oscillateur mécanique, qui comprend généralement un volant d'inertie, appelé balancier, et un ressort enroulé en forme de spirale, appelé ressort spiral ou plus simplement spiral. Le spiral peut être fixé par une extrémité sur l'axe du balancier et par l'autre extrémité sur une partie fixe de la pièce d'horlogerie, comme un pont, appelé coq, sur lequel pivote l'axe du balancier. Le ressort spiral équipant les mouvements de montres mécaniques de l'état de la technique se présente sous la forme d'une lame métallique élastique ou d'une lame en silicium de section rectangulaire, dont la majeure partie est enroulée sur elle-même en spirale d'Archimède. Le balancier-spiral oscille autour de sa position d'équilibre (ou point mort). Lorsque le balancier quitte cette position, il arme le spiral. Cela crée un couple de rappel qui agit sur le balancier pour tendre à le faire revenir vers sa position d'équilibre. Comme il a acquis une certaine vitesse, donc une énergie cinétique, le balancier dépasse son point mort jusqu'à ce qu'un couple contraire du spiral l'arrête et l'oblige à tourner dans l'autre sens. De cette manière, le spiral régule la période d'oscillation du balancier.
  • La précision des montres mécaniques dépend de la stabilité de la fréquence propre de l'oscillateur formé par le balancier et le spiral. Lorsque la température varie, les dilatations thermiques du spiral et du balancier, ainsi que la variation du module de Young du spiral, modifient la fréquence propre de cet ensemble oscillant, perturbant ainsi la précision de la montre.
  • Il existe des solutions de l'état de la technique qui essaient de réduire, voire de supprimer, les variations de fréquence d'un oscillateur avec la température. Une approche considère que la fréquence propre F d'un oscillateur dépend du rapport entre la constante du couple de rappel C exercé par le spiral sur le balancier et le moment d'inertie I de ce dernier, par la relation suivante : F = √ C / I / 2 π
    Figure imgb0001
  • En dérivant l'équation précédente par rapport à la température, nous obtenons la variation thermique relative de la fréquence propre de l'oscillateur, qui s'exprime par : 1 / F dF / dT = 1 / E dE / dT + 3 α s − 2 α b / 2
    Figure imgb0002
  • Où E est le module de Young du spiral de l'oscillateur,
    (1/F)dF/dT est le coefficient thermique de l'oscillateur, aussi dénommé simplement par l'acronyme CT,
    (1/E)dE/dT est le coefficient thermique du module de Young du spiral de l'oscillateur, aussi appelé par l'acronyme CTE,
    αs et αb sont respectivement les coefficients de dilatation thermique du spiral et du balancier de l'oscillateur.
  • Différentes solutions de l'état de la technique cherchent à annuler la valeur du coefficient thermique CT de l'oscillateur en choisissant un CTE du spiral adapté à cet effet. Dans le cas d'un matériau anisotrope, par exemple le silicium, le coefficient thermique varie selon la direction cristalline de la sollicitation du matériau et varie donc sur la longueur du spiral. De même, dans le cas d'un matériau hétérogène, comme le silicium oxydé, le coefficient thermique varie à l'intérieur de la section de la lame. Un CTE équivalent ou apparent, connu de l'homme du métier, est ainsi considéré pour le spiral formé en un matériau anisotrope et/ou hétérogène. Des solutions de l'état de la technique cherchent à annuler la valeur du coefficient thermique CT de l'oscillateur en choisissant un CTE équivalent ou apparent du spiral adapté à cet effet.
  • Dans la description à suivre, par « CTE », nous entendons notamment « CTE équivalent ou apparent ».
  • A titre d'exemple, le document EP1258786 propose d'utiliser un spiral formé dans un alliage paramagnétique Nb-Hf particulier comprenant un taux avantageux de Hf. L'alliage choisi est relativement complexe à fabriquer.
  • Le document EP1422436 décrit une autre solution reposant sur un spiral en silicium comprenant une couche d'oxyde. Cette solution nécessite une couche d'oxyde d'épaisseur importante. Sa fabrication nécessite de traiter le spiral durant un temps important à très haute température, ce qui représente un inconvénient. Le document CH 699 780 décrit un spiral en silicium ou le "CTE" est compensé par un revêtement comprenant un métal ou un alliage ou par des couches dopées à l'intérieure.
  • Le but de l'invention est de fournir une autre solution de ressort spiral qui permet la thermo-compensation de l'oscillateur, afin d'obtenir un oscillateur dont la fréquence est indépendante ou quasi-indépendante de la température, qui ne présente pas tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique.
  • A cet effet, l'invention porte sur un spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie, caractérisé en ce qu'il comprend une partie, notamment au moins une spire ou une portion de spire, dotée de silicium fortement dopé de dopage supérieur ou égal à 1018 at/cm3 afin de permettre la thermo-compensation de l'oscillateur.
  • Ladite partie, notamment ladite spire ou la dite portion de spire, comporte une section variant localement sur sa longueur, notamment sur la longueur de ladite spire ou de ladite portion de spire. Cette variation est une variation d'épaisseur et/ou de hauteur.
  • En variante ou complément, ladite partie peut comprendre une couche externe oxydée, notamment en dioxyde de silicium SiO2.
  • L'invention est plus précisément définie par les revendications.
  • Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
    • La figure 1 représente schématiquement un spiral d'une pièce d'horlogerie selon un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 2 représente l'évolution de l'épaisseur relative du spiral en fonction de son angle défini à partir de son point d'attache selon le mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 3 représente l'évolution de l'épaisseur relative du spiral en fonction de son angle défini à partir de son point d'attache selon une variante du mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 4 représente l'épaisseur de la couche d'oxyde d'un spiral dont les variations de section sont conformes à celles du spiral de la figure 3 pour différents rapports de l'épaisseur minimale sur l'épaisseur maximale en fonction de la densité de son dopage afin de former des variantes du mode de réalisation de l'invention.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, un oscillateur pour pièce d'horlogerie comprend un ensemble balancier-spiral, le spiral se présentant sous la forme d'une lame élastique de section rectangulaire, enroulée sur elle-même en spirale d'Archimède. Le balancier est réalisé en un alliage cuivre-berrylium, de manière connue. En variante, d'autres matières peuvent être utilisées pour le balancier. De même, le spiral pourrait présenter une autre géométrie de base, comme une section non rectangulaire.
  • L'objectif de l'invention est de proposer une solution approchant au maximum une valeur du coefficient thermique (CT) nulle pour le balancier-spiral, dont les oscillations deviennent ainsi indépendantes ou quasi-indépendantes de la température. Pour cela, il est nécessaire de coupler la matière du spiral avec celle du balancier pour obtenir un bon résultat. A titre d'exemple, avec un balancier en CuBe2, le spiral doit avoir un coefficient thermique du module de Young (CTE) de l'ordre de 26 ppm/°C pour thermo-compenser l'oscillateur.
  • Selon un élément essentiel de l'invention, le spiral des modes de réalisation est réalisé en silicium et comprend au moins une spire ou portion de spire en silicium fortement dopé. Par fortement dopé, il est entendu que le silicium présente un dopage d'une densité ionique supérieure ou égale à 1018 at/cm3, voire supérieure ou égale à 1019 at/cm3, voire supérieure ou égale à 1020 at/cm3. Ce dopage du silicium est obtenu au moyen d'éléments apportant un électron supplémentaire (dopage de type p ou « p-doped silicon ») ou un électron en moins (dopage de type n ou « n-doped silicon »). Il est constaté qu'en fonction du matériau utilisé pour le balancier, par exemple du titane ou un alliage du titane, ce seul silicium fortement dopé peut suffire à obtenir une thermo-compensation de l'oscillateur. A titre d'exemple, le dopage de type n est par exemple obtenu en utilisant au moins un élément parmi : antimoine Sb, arsenic As, ou phosphore P. Le dopage de type p est obtenu par exemple en utilisant du bore B.
  • La partie en silicium fortement dopé occupe avantageusement toute la longueur du spiral. Autrement dit, toutes les spires en silicium d'un spiral peuvent avantageusement être fortement dopées. Selon une réalisation, la spire ou la portion de spire est fortement dopée sur toute sa section. Autrement dit, la partie en silicium fortement dopé occupe toute la section d'une spire ou d'une portion de spire, c'est-à-dire que le dopage est massif. Selon une variante de réalisation, la partie en silicium fortement dopé occupe seulement une couche superficielle de la section d'une spire ou d'une portion de spire, notamment une paroi d'une spire ou d'une portion de spire. De plus, dans les réalisations qui vont être décrites ci-dessous, le dopage est avantageusement uniforme sur toutes les spires du spiral, voire sur tout le spiral et/ou sur toute une section du spiral. En variante, il peut être non uniforme, variable selon les spires ou les portions des spires et/ou sur la section des spires ou des portions des spires du spiral.
  • Toutefois, il est aussi noté que la thermo-compensation dépend de l'orientation cristalline. En d'autres termes, l'effet du dopage du silicium du spiral donne une caractéristique de thermo-compensation anisotrope.
  • Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, la géométrie du ressort spiral présente des variations de section sur sa longueur pour prendre en compte cette anisotropie. Autrement dit, le spiral présente une variation de section en fonction de l'orientation cristallographique du silicium fortement dopé.
  • Une première réalisation repose ainsi sur une modulation de l'épaisseur des spires du spiral, c'est-à-dire une variation de la dimension du côté des spires situé dans un plan parallèle au plan du spiral, plus particulièrement une variation de la dimension des spires qui est localement perpendiculaire à la fibre neutre du spiral dans un plan parallèle au plan du spiral. Cette modulation de l'épaisseur est choisie pour favoriser la flexion de premières zones du spiral. Ces premières zones du spiral présentent un CTE local supérieur au CTE local de secondes zones du spiral. La modulation de l'épaisseur des spires, plus particulièrement l'amincissement de l'épaisseur des spires dans ces premières zones du spiral, permet ainsi d'optimiser la thermo-compensation de l'oscillateur. En remarque, cette modulation de l'épaisseur impacte la régularité de la rigidité de la lame, et donc le comportement mécanique à température constante. Toutefois, cet effet est considéré comme limité par rapport à l'effet des variations du CTE du spiral avec la température. Par ailleurs, il est possible de compenser cet effet par des variations connexes de la section des spires du spiral.
  • La figure 1 représente ainsi un spiral 1 à pas constant à l'équilibre ou au repos selon un mode de réalisation de l'invention, constitué de neuf tours, et comprenant une évolution de l'épaisseur des spires présentée par la courbe de la figure 2. Cette figure 2 montre l'évolution de l'épaisseur relative (e/e0) des spires en fonction de l'angle (α), dans un repère en coordonnées polaires et centré sur le centre du spiral. Il apparaît que chaque spire présente des amincissements 2 sur des zones s'étendant une plage angulaire donnée, cette plage angulaire variant selon le dopage du silicium du spiral et une éventuelle oxydation du spiral fortement dopé. Cette plage angulaire peut être comprise entre 2 et 80 degrés, notamment entre 5 et 40 degrés, notamment entre 5 et 20 degrés. Dans notre mode de réalisation particulier, le plan du spiral coïncide sensiblement avec un plan {001} du monocristal de silicium. Dans ce mode de réalisation particulier, les premières zones du spiral, notamment les amincissements 2, coïncident sensiblement avec les lieux où la tangente à la fibre neutre est alignée avec une direction <100> du monocristal de silicium. Dans ce mode de réalisation particulier, les amincissements 2 sont disposés périodiquement le long des spires du spiral selon une période de 90°. Dans un mode de réalisation alternatif dans lequel le plan du spiral ne coïncide sensiblement pas avec un plan {001} du monocristal de silicium, les amincissements peuvent être disposés périodiquement le long des spires du spiral selon une période de 180 degrés. En dehors des amincissements, l'épaisseur peut rester sensiblement constante ou non. Il est à noter que les amincissements, à savoir les variations locales de la dimension des spires, peuvent être égaux ou non. Les géométries des amincissements peuvent différer ou non. Ainsi, des amincissements sont disposés périodiquement selon une période donnée quand bien même les variations locales de la dimension des spires ou les géométries des aminicissements diffèrent. Il est à noter qu'avec une telle géométrie, le spiral peut présenter toute épaisseur et tout pas, tout en conservant un bon comportement thermique, ce qui permet de déterminer ces paramètres en fonction des critères fixés par la recherche de la meilleure performance chronométrique de l'oscillateur.
  • La figure 3 représente en variante une évolution périodique de l'épaisseur relative (e/e0) des spires qui présentent un profil linéaire, sur 45 degrés. Ainsi, dans cette variante particulière, chaque spire présente une épaisseur minimale 2 pour les angles 45, 135, 225 et 315 degrés, et des épaisseurs maximales 3 pour les angles 0, 90, 180, et 270 degrés. L'angle 0 degré correspond à l'extrémité intérieure du spiral. Entre ces épaisseurs extrêmes 2, 3, le spiral présente une épaisseur variant linéairement avec l'angle. Dans ce mode de réalisation, l'évolution de l'épaisseur est donc périodique et similaire sur chaque spire.
  • Dans ces deux modes de réalisation, la réduction d'épaisseur peut aller de 5 à 90% par rapport à l'épaisseur maximale, notamment de 10 à 40% par rapport à l'épaisseur maximale.
  • Selon une variante de réalisation, la variation de la section des spires du spiral peut être réalisée par une modification de la hauteur de spires, c'est-à-dire de la dimension perpendiculaire au plan du spiral. Cette modification peut par exemple être obtenue par photolithographie grise, dans le même but de favoriser de cette manière la flexion des premières zones du spiral.
  • Naturellement, d'autres modes de réalisation sont envisageables, basés sur la variation de la forme et/ou de dimensions de la section des spires. Par exemple, il est possible de varier l'épaisseur et la hauteur des spires, en combinant les deux réalisations décrites précédemment. La modification de géométrie a pour objectif de favoriser la flexion du spiral dans les zones favorables, notamment de coefficient thermique positif. Avantageusement, cette variation de la section du spiral en fonction de l'angle, dans un repère en coordonnées polaires, est périodique. Notamment, cette période peut être de 90 ou 180 degrés. De plus, cette variation de section dans le but d'optimiser le comportement thermique du spiral peut être combinée à une variation de section complémentaire, en général non périodique, adaptée à l'optimisation du comportement chronométrique du spiral.
  • En remarque, les zones du spiral à favoriser peuvent être déterminées par un calcul théorique et/ou de manière empirique.
  • Par ailleurs, on constate qu'un dopage plus fort apporte un effet renforcé de thermo-compensation. Il peut être aussi possible de prévoir un dopage plus fort dans certaines zones du spiral, notamment les zones favorables mentionnées précédemment. Il est aussi possible, en variante ou complément, de prévoir un dopage plus fort dans les zones plus proches de la surface du spiral.
  • Cette variation du dopage peut être faite a posteriori par diffusion ou implantation ionique, pour obtenir un ajustement « fin » du CTE du spiral après sa fabrication. Naturellement, les différentes variations décrites dans les modes de réalisation précédents peuvent être combinées.
  • Il a été constaté que la variation seule de la section d'un spiral permet d'obtenir de bons résultats en utilisant un silicium très fortement dopé. On constate qu'une légère oxydation du silicium, en complément des caractéristiques décrites dans les modes de réalisation précédents, permet d'obtenir un résultat équivalent avec un silicium un peu moins fortement dopé. Autrement dit, une oxydation du silicium fortement dopé permet d'améliorer la performance en termes de thermo-compensation à dopage de silicium équivalent, ou de réduire l'importance de la modulation de l'épaisseur des spires.
  • La figure 4 illustre cet effet. Les quatre droites 11, 12, 13, 14 représentent respectivement quatre spiraux présentant chacun une variation de section différente, obtenue par la modulation périodique de la section du spiral, dont le rapport R entre l'épaisseur minimale et l'épaisseur maximale des spires vaut respectivement 1, 0.55, 0.33, 0.10. Ces quatre spiraux sont associés à un même balancier en CuBe2 pour former des oscillateurs. Pour chacun de ces spiraux, l'épaisseur d'oxyde (c) nécessaire pour atteindre un coefficient thermique nul est représentée en fonction du logarithme de la densité ionique (Log di). On constate dans tous les cas qu'un dopage de densité ionique jusqu'à 1018 at.cm-3 nécessite une couche d'oxyde tendant vers 3 µm. On constate dans tous les cas qu'un dopage très fort de densité ionique supérieure à 1018 at.cm-3 nécessite une couche d'oxyde moindre, voire nulle. En outre, la couche d'oxyde peut être avantageusement annulée pour un balancier formé d'un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est sensiblement plus faible. En remarque, des modes de réalisation avec des couches d'oxyde d'épaisseur inférieure, voire nulle, restent intéressants et sont couverts par la présente invention, même si le coefficient thermique est légèrement moins bon, ce qui est compensé par la plus grande simplicité de fabrication. De plus, on constate que moins la modulation de l'épaisseur du spiral est prononcée (rapport R plus grand), plus il faut fortement doper le silicium pour obtenir un coefficient thermique nul sans oxydation. En remarque, il est aussi noté que ces courbes restent sensiblement inchangées si on modifie uniquement le type de modulation d'épaisseur, par exemple selon les figures 2 et 3, tout en conservant un rapport R identique.
  • Il apparaît donc que l'invention porte aussi sur un spiral comprenant une partie en silicium fortement dopé et comprenant une couche externe d'oxydation. Notamment, des modes de réalisation sont obtenus en ajoutant une couche d'oxyde aux modes de réalisation décrits précédemment. Dans tous les cas, en considérant plus généralement tout spiral d'une pièce d'horlogerie selon tout mode de réalisation, la couche d'oxyde présente une faible épaisseur, son épaisseur maximale étant inférieure ou égale à 5 µm, voire inférieure ou égale à 3 µm, voire inférieure ou égale à 2,5 µm, voire inférieure ou égale à 2 µm, voire inférieure ou égale à 1,5 µm.
  • L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'un spiral tel que décrit précédemment. Ce procédé comprend notamment une étape de découpe du spiral dans une plaquette (wafer) en silicium fortement dopé, par exemple par la méthode de gravure ionique réactive profonde (Deep Reactive Ion Etching, DRIE, en anglais), cette découpe étant telle qu'elle permet de former une section variable des spires du spiral. Plus précisément, selon un mode de réalisation, cette découpe permet de former des spires d'épaisseur variable par le choix de la forme sur le masque. Un autre mode de réalisation consiste à former des spires d'une hauteur variable, par exemple à l'aide d'une photolithographie grise, de gravure multiples utilisant différents masques, ou d'autres procédés connus de l'homme du métier.
  • En remarque, la plaquette peut être fabriquée à partir d'un lingot en silicium fortement dopé obtenu lui-même par une étape de fort dopage du silicium lors de sa croissance.
  • En variante, le procédé de fabrication comprend une étape de découpe du spiral dans une plaquette en silicium, puis une étape de dopage du silicium après la découpe, notamment par diffusion ou implantation ionique, pour obtenir un spiral comprenant du silicium très fortement dopé. Dans ce mode de réalisation, une étape de dopage (additionnel) est donc ajoutée après la découpe. La plaquette de silicium peut être initialement fortement dopée ou pas. Ce mode de réalisation permet de doper plus fortement les zones proches de la surface et plus sollicitées lors des déformations en oscillation. En remarque, le fait de procéder à un dopage a posteriori présente l'avantage de permettre d'obtenir un taux de dopage plus important et ainsi d'éviter le recours à une oxydation du silicium ou de diminuer la couche d'oxyde nécessaire.
  • Ce procédé de fabrication présente aussi l'avantage de profiter de la souplesse du découpage dans une plaquette en silicium, qui permet d'atteindre des géométries très diverses, et notamment de faire varier avec très peu de limitation l'épaisseur de la lame formant une spire du spiral.
  • La plaquette peut être préférentiellement réalisée en monocristal de silicium orienté dans la direction <100>.
  • Selon une variante de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape complémentaire d'oxydation. Comme explicité précédemment, la couche d'oxydation utilisée présente une faible épaisseur, dans tous les modes de réalisation, ce qui présente l'avantage de permettre sa réalisation à une température d'oxydation peu élevée, et d'éviter ainsi l'usure prématurée du four utilisé. De plus, cette faible épaisseur de la couche d'oxydation permet aussi sa réalisation en utilisant l'oxygène comme précurseur, à la place de la vapeur d'eau utilisée pour des couches d'oxydation plus épaisses, permettant ainsi de former une couche d'oxydation d'une grande qualité tout en minimisant son temps de croissance.
  • L'invention porte aussi sur un oscillateur de pièce d'horlogerie, un mouvement de pièce d'horlogerie et une pièce d'horlogerie, comme une montre, par exemple une montre-bracelet, comprenant un spiral tel que décrit précédemment.

Claims (16)

  1. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie, caractérisé en ce qu'il comprend une partie, notamment au moins une spire ou une portion de spire, comportant une section variant localement sur sa longueur par un amincissement de l'épaisseur et/ou de la hauteur de ladite partie, ladite partie étant dotée de silicium fortement dopé à une densité ionique supérieure ou égale à 1018 at/cm3 afin de permettre la thermo-compensation de l'oscillateur.
  2. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite partie, notamment ladite spire ou ladite portion de spire, comprend du silicium fortement dopé à une densité ionique supérieure ou égale à 1019 at/cm3, voire supérieure ou égale à 1020 at/cm3.
  3. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la variation de section est périodique, notamment selon une période de 90 ou 180 degrés.
  4. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les minima d'épaisseur et/ou de hauteur de la spire ou de la portion de spire du spiral coïncident avec les lieux où la tangente à la fibre neutre est sensiblement alignée avec une direction <100> du mono-cristal constituant le ressort-spiral.
  5. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie, notamment ladite spire ou ladite portion de spire, comporte le silicium fortement dopé sur toute son épaisseur et/ou toute sa hauteur, ou sur une couche de surface uniquement
  6. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une couche externe oxydée, notamment en dioxyde de silicium SiO2.
  7. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche externe oxydée recouvre ladite partie, notamment ladite spire ou ladite portion de spire, et en ce que ladite partie comporte une section variant localement sur sa longueur.
  8. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend une couche externe oxydée d'épaisseur inférieure ou égale à 5 µm, voire inférieure ou égale à 3 µm, voire inférieure ou égale à 2,5 µm, voire inférieure ou égale à 2 µm, voire inférieure ou égale à 1,5 µm.
  9. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend sur toute sa longueur une section variable, en silicium fortement dopé de dopage supérieur ou égal à 1018 at/cm3 et comprenant une couche externe oxydée.
  10. Spiral pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie en silicium fortement dopé est telle qu'elle permet d'annuler ou sensiblement annuler l'expression : CTE + 3 α s − 2 α b
    Figure imgb0003
     Où
    CTE est le coefficient thermique du module de Young (CTE)
    αs le coefficient de dilation thermique du spiral
    αb le coefficient de dilation thermique du balancier destiné à une coopération avec le spiral.
  11. Oscillateur pour pièce d'horlogerie, notamment de type balancier-spiral, caractérisé en ce qu'il comprend un spiral selon l'une des revendications précédentes.
  12. Pièce d'horlogerie, notamment montre, caractérisée en ce qu'elle comprend un spiral selon l'une des revendications 1 à 10.
  13. Procédé de fabrication d'un spiral selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fort dopage du silicium et une étape de réalisation d'une plaquette en silicium fortement dopé, puis une étape de découpe de cette plaquette pour obtenir un spiral comprenant du silicium fortement dopé.
  14. Procédé de fabrication d'un spiral selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de découpe d'une plaquette en silicium pour former un spiral puis une étape de fort dopage du silicium après la découpe, notamment par diffusion ou implantation ionique, pour obtenir un spiral comprenant du silicium fortement dopé.
  15. Procédé de fabrication d'un spiral selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comprend tout ou partie des étapes suivantes :
    - découpe du spiral de sorte à former une modulation de l'épaisseur du spiral ; et/ou
    - seconde découpe du spiral pour former une variation de la hauteur d'au moins une spire du spiral.
  16. Procédé de fabrication d'un spiral selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'oxydation d'au moins une partie du silicium du spiral.
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