EP3416001B1

EP3416001B1 - Procédé de fabrication d'un oscillateur à pivot flexible

Info

Publication number: EP3416001B1
Application number: EP17175750.3A
Authority: EP
Inventors: Frédéric Maier; Jean-Luc Bucaille
Original assignee: Patek Philippe SA Geneve
Current assignee: Patek Philippe SA Geneve
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2022-04-13
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: EP3416001A1

Description

La présente invention concerne la fabrication d'un oscillateur à pivot flexible, notamment d'un oscillateur destiné à servir de base de temps dans un mouvement horloger.
Des oscillateurs à pivot flexible pour l'horlogerie ont été décrits dans les documents EP 2911012 , EP 2998800 , EP 3037893 , EP 3035127 , EP 2990885 , WO 2012/010408 , WO 2016/096677 et WO 2017/055983 . Ils comprennent un support, permettant de fixer l'oscillateur sur un bâti fixe ou mobile, un pivot flexible et une serge suspendue au support par le pivot flexible. Le pivot flexible est constitué de lames élastiques agencées pour guider la serge en rotation par rapport au support et rappeler élastiquement la serge dans une position de repos. Le document EP 2990885 explique qu'un réglage de la fréquence d'oscillation peut être effectué au niveau des lames élastiques par un traitement thermique ou une ablation de matière à l'aide d'un faisceau laser, et au niveau de l'inertie de la serge par ablation de matière également avec un laser.
Les oscillateurs à pivot flexible, en particulier lorsqu'ils sont monobloc, sont généralement fabriqués par des techniques de microfabrication telles que la gravure d'une plaquette de silicium. On constate néanmoins une dispersion géométrique entre les oscillateurs de différentes plaquettes et même entre les oscillateurs d'une même plaquette. Cette dispersion se traduit en une variation de la fréquence d'oscillation d'un oscillateur à l'autre.
Le but de la présente invention est de remédier ou au moins atténuer cet inconvénient en proposant un procédé de fabrication d'un oscillateur à pivot flexible dont les dimensions sont suffisamment précises pour ne pas nécessiter de retouche.
A cette fin, il est prévu un procédé selon la revendication 1.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :

la figure 1 est une vue plane de dessus d'un oscillateur à pivot flexible auquel se rapporte l'invention ;
la figure 2 montre les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un oscillateur à pivot flexible ;
les figures 3 à 5 montrent une section droite d'une lame élastique de l'oscillateur à pivot flexible à différents moments lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

Comme illustré à la figure 1, l'invention se rapporte à un oscillateur 1 à pivot flexible. L'oscillateur 1 comprend un support ou partie de fixation 2, permettant de fixer l'oscillateur 1 à un bâti fixe ou mobile d'un mouvement horloger. Le support 2 peut être en une partie, comme représenté, ou en deux parties séparées comme décrit dans la demande de brevet WO 2017/055983 . L'oscillateur 1 comprend aussi une serge 3 suspendue au support 2 par un pivot flexible 4.
Le pivot flexible 4 est constitué de lames élastiques 4a, 4b, au nombre de deux dans l'exemple représenté. Chaque lame élastique 4a, 4b relie le support 2 à la serge 3. Dans l'exemple représenté, les lames élastiques 4a, 4b se croisent en un point O. Elles peuvent se croiser sans contact, les deux lames 4a, 4b s'étendant alors dans deux plans parallèles différents, ou se croiser avec contact, les deux lames 4a, 4b s'étendant alors dans le même plan. Le premier cas, correspondant à un pivot flexible de type « à lames croisées séparées », est préféré au second (« lames croisées non séparées ») car il permet une plus grande course angulaire de la serge 3 par rapport au support 2. Dans une autre variante, non représentée, le pivot flexible 4 pourrait être du type à centre de rotation déporté dit « RCC » (Remote Center Compliance).
Dans tous les cas, le pivot flexible 4 définit un axe de rotation virtuel passant typiquement par le centre de la serge 3 et autour duquel la serge 3 pivote par rapport au support 2. Le pivot flexible 4 guide ainsi les oscillations de la serge 3 par rapport au support 2. Il produit en outre un couple de rappel élastique dès que la serge 3 s'écarte d'une position de repos.
La serge 3 est typiquement sous la forme d'un anneau continu, comme représenté, mais elle peut en variante être interrompue.
La fréquence f de l'oscillateur 1 est donnée par la formule suivante : $f = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{K}{I}}$
où K est la raideur du pivot flexible 4 et I est le moment d'inertie de la serge 3.
La raideur K dépend du type du pivot flexible 4. Pour un pivot flexible de type à lames croisées séparées, elle répond à la formule : $K = \frac{1}{6} . E . \frac{{he}^{3}}{L}$
où E est le module d'élasticité du matériau utilisé, h est la hauteur de chaque lame (dimension dans la direction de l'axe de rotation), e est l'épaisseur de chaque lame et L est la longueur de chaque lame. Pour un pivot flexible de type à lames croisées non séparées, la raideur K répond à la formule : $K = \frac{2}{3} . E . \frac{{he}^{3}}{L}$
où les paramètres E, h, e et L sont les mêmes que ci-dessus. Enfin, pour un pivot flexible de type RCC, la raideur K répond à la formule : $K = \frac{2}{3} . E . \frac{{he}^{3}}{L} (1 + \frac{3 p}{L} + \frac{3 p^{2}}{L^{2}})$
où les paramètres E, h, e et L sont les mêmes que ci-dessus et p est la distance entre le point de croisement fictif des lames et l'extrémité de chaque lame la plus proche de ce point de croisement.
Les formules ci-dessus peuvent en outre être adaptées à des pivots flexibles dont les lames ont une section variable. Ainsi, par exemple, dans le cas d'un pivot flexible à lames croisées séparées la raideur K peut s'exprimer de la manière suivante : $K = \frac{E}{6} . \frac{1}{\int_{0}^{L} \frac{1}{h (l) . e^{3} (l)} . dl}$
Le moment d'inertie I de la serge 3 est, lui, donné par la formule : $I = m . r^{2}$
où m est la masse de la serge et r est le rayon de giration de la serge.
Un procédé de fabrication de l'oscillateur 1 à pivot flexible va maintenant être décrit en référence à la figure 2.
A une première étape E1, l'oscillateur 1 est formé mais dans des dimensions qui sont différentes des dimensions nécessaires pour obtenir une fréquence d'oscillation prédéterminée de la serge 3 par rapport au support 2.
A l'étape E1, soit toutes les dimensions (notamment hauteur h, épaisseur e et longueur L des lames 4a, 4b, hauteur et épaisseur de la serge 3) sont différentes des dimensions permettant d'obtenir la fréquence d'oscillation prédéterminée, soit une partie seulement de ces dimensions sont différentes des dimensions permettant d'obtenir la fréquence d'oscillation prédéterminée.
L'étape E1 est réalisée de préférence par gravure d'une plaquette de matériau. Plusieurs oscillateurs peuvent être réalisés simultanément sur une même plaquette. La gravure peut être une gravure ionique réactive profonde (DRIE), une gravure chimique, une gravure par faisceaux d'ions focalisés (FIB) ou une gravure par laser, par exemple. Selon l'invention, le matériau est à base de silicium.
Préférentiellement, le matériau à base de silicium est du silicium monocristallin quelle que soit son orientation cristalline, du silicium monocristallin dopé quelle que soit son orientation cristalline, du silicium amorphe, du silicium poreux, du silicium polycristallin, du nitrure de silicium, du carbure de silicium, du quartz quelle que soit son orientation cristalline ou de l'oxyde de silicium.
L'oscillateur 1 formé à l'étape E1 est typiquement monobloc. Il peut néanmoins être en plusieurs parties superposées et assemblées, comme décrit dans la demande de brevet EP 2998800 .
Parmi les techniques mentionnées ci-dessus, la plus précise est la gravure ionique réactive profonde. Des phénomènes qui interviennent pendant la gravure ou entre deux gravures successives peuvent néanmoins induire des variations géométriques.
A une deuxième étape E2, la fréquence de l'oscillateur formé à l'étape E1 est mesurée par des moyens de mesure classiquement utilisés dans l'horlogerie. La mesure peut être effectuée alors que l'oscillateur est encore attaché à sa plaquette de gravure ou sur l'oscillateur préalablement détaché de la plaquette, sur l'ensemble ou sur un échantillon des oscillateurs encore attachés à la plaquette ou préalablement détachés de la plaquette. L'étape E2 peut consister à déterminer une fréquence moyenne d'un échantillon représentatif ou de l'ensemble des oscillateurs formés sur une même plaquette.
A une troisième étape E3 est calculée, à l'aide des formules précitées, une épaisseur de matériau à ajouter sur tout ou partie de l'oscillateur formé à l'étape E1 ou à retirer de tout ou partie de l'oscillateur formé à l'étape E1, pour obtenir la fréquence d'oscillation prédéterminée.
On déduit en effet des formules précitées que l'on peut augmenter la fréquence f en augmentant la raideur K du pivot flexible 4 et/ou en diminuant le moment d'inertie I de la serge 3, et inversement que l'on peut diminuer la fréquence f en diminuant la raideur K du pivot flexible 4 et/ou en augmentant le moment d'inertie I de la serge 3. La raideur K du pivot flexible 4 peut être augmentée en augmentant la section (hauteur h et/ou épaisseur e) des lames 4a, 4b et/ou en diminuant la longueur L des lames 4a, 4b, et peut être diminuée en diminuant la section (hauteur h et/ou épaisseur e) des lames 4a, 4b et/ou en augmentant la longueur L des lames 4a, 4b. Le moment d'inertie I de la serge 3 peut être augmenté en augmentant la masse m et/ou le rayon de giration r de la serge 3, et peut être diminué en diminuant ladite masse m et/ou ledit rayon de giration r.
Dès lors, si à l'étape E1 on a choisi des dimensions qui rendent la fréquence f supérieure à la fréquence prédéterminée, on calcule à l'étape E3 une épaisseur de matériau à ajouter ou retirer qui permette de diminuer la fréquence f pour qu'elle atteigne la fréquence prédéterminée. Par analogie, si à l'étape E1 on a choisi des dimensions qui rendent la fréquence f inférieure à la fréquence prédéterminée, on calcule à l'étape E3 une épaisseur de matériau à ajouter ou retirer qui permette d'augmenter la fréquence f pour qu'elle atteigne la fréquence prédéterminée.
L'épaisseur de matériau calculée peut être une épaisseur à ajouter ou retirer de manière homogène sur toute la surface externe de l'oscillateur, une épaisseur à ajouter ou retirer de manière non homogène sur toute la surface externe de l'oscillateur, une épaisseur à ajouter ou retirer de manière homogène seulement sur une partie de la surface externe de l'oscillateur ou une épaisseur à ajouter ou retirer de manière non homogène seulement sur une partie de la surface externe de l'oscillateur.
Par exemple, l'ajout ou le retrait de matériau peut être prévu pour faire varier uniquement la hauteur h des lames 4a, 4b du pivot flexible 4, uniquement l'épaisseur e des lames 4a, 4b ou à la fois la hauteur h et l'épaisseur e. Il en va de même pour la serge 3. On peut aussi ajouter ou retirer du matériau sur le support 2 et/ou sur la serge 3 pour faire varier la longueur L des lames 4a, 4b.
On notera en particulier qu'un ajout de matériau sur le pivot flexible 4 augmentera sa raideur donc la fréquence, alors qu'un enlèvement de matériau sur le pivot flexible 4 diminuera sa raideur donc la fréquence. Un ajout homogène de matériau sur toute la surface externe de la serge 3 augmentera le moment d'inertie donc diminuera la fréquence, alors qu'un enlèvement homogène de matériau sur toute la surface externe de la serge 3 diminuera le moment d'inertie donc augmentera la fréquence. Les effets d'un ajout ou d'un retrait de matériau sur le pivot flexible 4 et sur la serge 3 sont donc opposés mais d'ampleurs différentes, si bien qu'on peut obtenir la fréquence prédéterminée même avec l'ajout ou le retrait d'une épaisseur de matériau homogène sur toute la surface externe de l'oscillateur.
A l'étape suivante E4, l'épaisseur de matériau calculée à l'étape E3 est, selon le cas, ajoutée ou retirée de l'oscillateur formé à l'étape E1.
Dans une variante, à l'étape E3 une épaisseur de matériau à ajouter sur le pivot flexible 4 et une épaisseur de matériau à retirer de la serge 3 pour obtenir la fréquence prédéterminée sont calculées, ou inversement une épaisseur de matériau à retirer du pivot flexible 4 et une épaisseur de matériau à ajouter sur la serge 3 sont calculées, et ces épaisseurs sont, selon le cas, ajoutées ou retirées dans les zones de l'oscillateur concernées à l'étape E4.
La présente invention met en œuvre les étapes E1 à E4 décrites ci-dessus mais le matériau choisi pour former l'oscillateur 1 à l'étape E1 est un matériau à base de silicium et du matériau est retiré à l'étape E4. L'étape E4 dans l'invention comprend une première étape consistant à oxyder l'oscillateur 1 afin de transformer l'épaisseur de matériau à base de silicium à retirer en dioxyde de silicium, et une deuxième étape consistant à retirer la couche d'oxyde de silicium ainsi formée. Comme montré aux figures 3 à 5, qui illustrent une section droite de l'une des lames 4a, 4b, l'oscillateur présente après oxydation (figure 4) une âme 5 en matériau à base de silicium dont les dimensions sont inférieures aux dimensions correspondantes h, e de l'oscillateur avant oxydation (figure 3), cette âme 5 étant recouverte d'une couche 6 d'oxyde de silicium. Après enlèvement de la couche 6 (figure 5), on obtient donc un oscillateur de dimensions réduites.
L'oxydation peut être réalisée thermiquement, par exemple entre 800 et 1200°C sous atmosphère oxydante à l'aide de vapeur d'eau ou de gaz de dioxygène. Elle peut être réalisée de manière localisée sur l'oscillateur, par exemple uniquement sur le pivot flexible 4 ou sur la serge 3, au moyen de masques tels que des masques en nitrure. L'oxyde formé sur le matériau à base de silicium peut être retiré par un bain chimique comportant par exemple de l'acide fluorhydrique.
L'étape E4 peut finir le procédé selon l'invention. Toutefois, après l'étape E4, les étapes E2, E3 et E4 peuvent être répétées une ou plusieurs fois pour affiner la qualité dimensionnelle de l'oscillateur.
La présente invention permet d'obtenir une très haute précision dimensionnelle pour l'oscillateur et donc de garantir une fréquence d'oscillation plus précise.
Après l'étape E4 du procédé selon l'invention, l'oscillateur peut aussi être traité pour améliorer certaines de ses propriétés et caractéristiques. On peut par exemple le traiter pour le rendre moins sensible aux variations thermiques, c'est-à-dire pour que la raideur de son pivot flexible 4 voire sa fréquence ne varie pas ou peu en fonction de la température. Pour ce faire, une couche d'un matériau présentant un coefficient thermique du module d'élasticité de signe opposé à celui du silicium peut être formée sur tout l'oscillateur en silicium ou au moins sur son pivot flexible 4. Cette couche est typiquement en oxyde de silicium. Elle peut être formée par oxydation thermique.

Claims

Procédé de fabrication d'un oscillateur (1) à pivot flexible d'une fréquence prédéterminée, l'oscillateur (1) à pivot flexible comprenant un support (2), un pivot flexible (4) et une serge (3) suspendue au support (2) par le pivot flexible (4), le pivot flexible (4) étant agencé pour guider la serge (3) en rotation par rapport au support (2) et rappeler élastiquement la serge (3) dans une position de repos, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) former, en un matériau à base de silicium, un oscillateur à pivot flexible comprenant ledit support (2), ledit pivot flexible (4) et ladite serge (3) mais ayant des dimensions différentes des dimensions nécessaires pour obtenir ledit oscillateur à pivot flexible d'une fréquence prédéterminée,

b) mesurer la fréquence de l'oscillateur formé lors de l'étape a),

c) à partir de la mesure effectuée à l'étape b), calculer au moins une épaisseur de matériau à retirer de l'oscillateur formé lors de l'étape a) pour obtenir ledit oscillateur à pivot flexible d'une fréquence prédéterminée,

d) à partir du calcul effectué à l'étape c), modifier l'oscillateur formé lors de l'étape a) afin d'obtenir ledit oscillateur à pivot flexible d'une fréquence prédéterminée, cette étape d) comprenant les étapes suivantes :
- oxyder tout ou partie de la surface externe de l'oscillateur formé lors de l'étape a) afin de transformer ladite épaisseur de matériau à retirer en oxyde de silicium, et

- retirer l'oxyde de silicium.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape d) seul le pivot flexible (4) est modifié.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape d) seule la serge (3) est modifiée.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape d) le pivot flexible (4) et la serge (3) sont modifiées.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape a) comprend une étape de gravure, par exemple gravure ionique réactive profonde, gravure chimique, gravure par faisceaux d'ions focalisés ou gravure laser.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes b), c) et d) sont répétées une ou plusieurs fois pour affiner la qualité dimensionnelle de l'oscillateur obtenu à l'étape d).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pivot flexible (4) est du type à lames croisées séparées, à lames croisées non séparées ou à centre de rotation déporté.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur formé à l'étape a) est monobloc.