专利名称：晶体材料制成的模拟显示构件,装配有其的时计及制造法的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如时计指针的模拟显示构件。
本发明也涉及时计和制造显示构件的方法。
背景技术：
在时计内用作显示构件的指针的制造是特别地复杂的，特别是当指针需装配到时
计范围的顶部时，为此指针必须具有特别地抛光的表面外观，可能带有小平面。
当前，已以黄铜、钢、金、铝或特殊的合金制造指针。它们可以被电镀处理、覆盖以
涂料、氧化或如果使用金作为材料则不处理。它们一般地通过机加工或模压制成。 然而，对于这些材料以机加工和模压技术仍不能获得满意的尺寸精度，且要求另
外的去毛剌、抛光等操作来获得最终的指针形状。 此外，一般地需要对指针施加多种处理以保证高质量的表面精整。 进一步地，当前的指针制造技术不允许获得所有希望的形式，因此约束了时计设
计者的创造性。
发明内容
本发明的目的是建议更容易制造，同时提供了对于其形式的大设计自由度的指 针，且该指针可以连续制造以最小化生产成本。 因此，本发明建议了装配到时计的模拟显示构件，其类型为包括其中布置了芯轴 孔的主体，芯轴孔装配到驱动芯轴，其特征在于主体由硅基晶体材料制成并具有时计指针 的形状，而且主体包括其中布置了芯轴孔的近端部分和形成了指针的指示器部分的远端 部分，且远端部分通过至少一个梁连接到近端部分，该梁在横向于芯轴的平面内的宽度在 三十到二百微米之间。 根据本发明的显示构件具有能容易地使用在微电子领域中已证明用于制造集成 电路且在微机械领域中已证明用于制造微结构的技术来制造的优点。 硅具有非常轻的优点，因为其密度大致为2. 49kg/dm，这最小化了显示构件的质量 且因此最小化了惯性和不平衡的问题，特别是当在显示构件具有指针的形式时。此外，显示 构件的不平衡和惯性的降低对显示构件驱动装置的尺寸且对所述的驱动装置的能耗具有 正面的影响。 根据本发明的其他特征 主体包括其中布置了芯轴孔的近端部分和形成了指针的指示器部分的远端部分， 且远端部分通过至少一个梁链接到近端部分，该梁在横向于芯轴的平面内的宽度小于等于 一百微米；
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主体在其厚度内包括多个平行于驱动芯轴的孔口，且孔口的直径小于五十微米；
主体的顶表面包括凸出的图案；
主体的顶表面包括小平面； 主体的至少一个面提供有由与主体不同的材料制成的涂层；
涂层由金属制成； 显示构件包括至少一个布置在主体的厚度内的集成电路元件；
晶体材料是单晶硅。 本发明也建议了时计，其特征在于它包括至少一个根据前述特征的一个的模拟显 示构件。 本发明进一步建议了制造装配到时计的模拟显示构件的方法，每个模拟显示构 件包括其中布置了芯轴孔的主体，芯轴孔装配到驱动芯轴，其特征在于方法包括至少一个 微机加工硅基晶体材料板的步骤，以在所述的晶体材料内制成至少一个带有其芯轴孔的主 体。 此方法容易实施以大规模生产精确的轻的零件。
依据根据本发明的方法的其他特征 在板微机加工步骤期间，柔性元件形成在主体上以允许模拟显示构件通过柔性元 件的弹性变形而安装在驱动芯轴上； 实施微机加工步骤以同时在同一个板内制成数个模拟显示构件； 微机加工步骤包括至少一个光刻步骤，以在板上复制一个模拟显示构件的主体的
至少一个部分的轮廓； 方法包括在每个模拟显示构件的主体的至少一个面上沉积涂层的至少一个步 骤； 方法包括微机加工主体的顶面的至少一个步骤，以在顶面上形成凸出的图案；
方法包括微机加工主体的顶面的至少一个步骤，以在顶面上形成小平面；
晶体材料是单晶硅。
本发明的其他特征和优点将通过参考附图阅读如下的以非限制性例子给出的详 细描述更清晰，各图为 图1至图6是示意性地图示了根据本发明的教示从硅板制造时计指针的方法的数 个步骤的垂直截面； 图7a和图7b是示意性地示出了图6中图示的步骤中的硅板的顶视图； 图8是示意性地示出了装配有至少一个由根据本发明的方法所获得的指针的手
表的顶视图； 图9是示意性地示出了由根据本发明的方法所获得的指针的垂直截面； 图10是示意性地示出了由根据本发明的方法所获得的提供有两个纵向小平面的
指针的顶视图； 图11是沿图10的指针的截面平面11-11的垂直截面； 图12是示意性地示出了由根据本发明的方法所获得的提供有两个连接梁的指针的顶视图； 图13是图12的梁的部分的放大视图； 图14是沿平面14-14的轴向截面，图中以放大方式示出了图12的指针的远端部 分；
具体实施例方式
图1至图7示出了根据本发明的教示的用于制造模拟显示构件10的方法的数个 步骤。 模拟显示构件10在此是指针IO，其一个例子在图9中示意性地示出。 根据本发明的教示，每个指针10包括由硅基晶体材料制成的主体11。 在此，"硅基晶体材料"意味着包含硅的晶体材料，例如单晶硅、多晶硅和石英。 优选地，根据本发明的指针10在单晶硅板12内微机加工，单晶硅板12类似于用
于制成集成电子电路的硅板，这样的板一般地称为"晶片"。 有利地， 一系列数个指针10根据称为"批处理"的方法使用从微电子领域导出的 技术制成在同一个硅晶片12内，该技术使得能在硅晶片12内制造机械微结构。
这些技术已经实施用于制造压力传感器、加速度计、微促动器和微泵。它们主要包 括两类制造方法，即干蚀刻和湿蚀刻。 这些方法一般地使用局部地去除确定厚度的材料层的掩模技术。
干蚀刻方法例如使用激光束或高密度等离子源。 根据本发明的优选实施例，使用了用于微机加工硅晶片12的技术，以直接在硅晶 片的厚度内制成指针10。 电抛光是用于硅蚀刻的技术的例子。此技术使用了单晶硅在氢氟酸中使用低电流 密度通过阳极电化学蚀刻形成多孔的特性，此技术能以高的电流密度完全地去除硅。
硅电抛光技术的示例实施在出版物题目为"ElectrochemicalFabrication of Multiwalled Micro Cha皿els，，由R. W. Tjerkstra等人，"Proceedings of Micro Total Analysis Systems 98 Workshop"的133-136页，Banff，Canada中描述，在制造其分隔壁由 多孔硅制成的共轴线微通道的范围内。可参考此出版物，在此通过参考将其合并，用于此方 法的更多细节。 硅微机加工方法的其他例子在如下著作中描述题目为"Fundamentals of
microfabrication"由Marc Madou，由CRC Press编辑，且参考ISBN 0-8493-9451-1，在此
通过参考将其合并，进一步细节可参考该著作。 根据本发明的方法的主要步骤将以简化方式描述。 图1示出了在实施根据本发明的方法前的硅晶片12。 图2图示了将牺牲层14沉积在硅晶片12的顶面上的步骤。 图3图示了通过掩模16对牺牲层14的处理，以局部地改变牺牲层14的结构，以 在硅晶片12上绘出代表了一系列指针10的图案。 在图5中，硅晶片12已通过牺牲层蚀刻，优选地根据各向异性蚀刻技术蚀刻，使得 代表指针10的图案现在在硅晶片12的厚度内绘出。
然后去除剩余的牺牲层14，如在图6中示出。
因此获得了硅晶片12，其中指针10被预切割且通过材料桥保持接附到晶片12的 主体，如在图7a和图7b中示出。 指针10的最后的制造步骤包括将指针从硅晶片12分离。 有利地，根据本发明的方法包括至少一个在其期间将例如金属的涂层沉积在硅形 成的指针IO上的步骤。此涂层可以根据化学汽相沉积或物理汽相沉积技术沉积。
根据本发明的方法也包括施加在硅形成的指针10的表面的化学处理和/或热处 理，例如以改变硅表面的外貌。 应注意的是，也可以实施蚀刻步骤以通过形成几何或其他图案来改变硅表面的外 观，或改变沉积在硅上的涂层的表面外观，这提供了有意义的光学效果。这样的几何图案例 如可以为制成在硅内的指针10的表面给出针蚀刻型外观。这样的蚀刻步骤可以当指针10 仍由硅晶片12承载时实施。 根据在图9中示出的实施例，指针10的顶面提供有凸起的几何图案24，它通过硅
蚀刻制成。在这些几何图案24上形成金属沉积26，这给予指针10针蚀刻的金属外部外观。
应注意的是，对于其主体11由金属制成的指针io，此结果将非常难于获得。 根据在图10和图11中示出的实施例，两个纵向小平面28蚀刻在指针10的顶面内。 取决于实施例，图案24和小平面28可以具有弯曲的外形，以在指针10的表面内 形成波状。 应注意的是，根据本发明的制造指针10的方法容易地允许将指针10制成为带有 非常具有变化的外部外观。 有利地，根据本发明的方法可以在数个硅晶片12上平行地实施，以在数个硅晶片 12内同时制成带有类似的特征的指针10。 图8示出了提供有至少一个根据本发明的方法制成的硅指针10的手表20。
每个指针10需旋转地连接到手表20的手表芯(未示出)的芯轴或轮。在此，指 针10因此提供有芯轴孔32以推进到驱动芯轴34上。 有利地，芯轴孔32的内轴向表面提供有材料层36，材料层36使得指针10能通过 将层36变形或通过靠着层36滑动而被推进，从而限制了折断主体11的风险。
根据替代实施例，根据本发明的指针10可以结合或焊接到驱动芯轴34上。
根据本发明的在图9中示出的有利实施例，集成电路元件22在指针10的主体11 内制成在硅晶片12的厚度内。 集成电路元件22可以根据常规微电子制造技术在实施根据本发明的制造方法 前，实施期间或实施后制成。因此，集成电路元件22可以预先制成在硅晶片12内，如在图 1中示出，指针10由该硅晶片制造。 集成电路元件22可以通过指针10的旋转芯轴电连接到手表20的控制电路。
集成电路元件22例如包括在指针10的厚度内的集成发光二极管。指针10因此 可以通过利用硅的透明特性从内侧点亮。 集成电路元件22可以包括提供为向手表20的控制电路提供关于指针相对于表盘 的角位置的指示的传感器。 图12至图14示出了改进的实施例，其中指针IO完全由硅制成，即它的形成了指针10的机械结构的主体11由硅制成且限定了指针10的外部形状。当然，主体11可以涂 敷以一层或多层涂层，例如金属涂层。 根据所示出的实施例，主体11包括环形近端部分38，其中布置了芯轴孔32以将指 针10安装在手表20的驱动芯轴34上。提供了芯轴孔32以配合在驱动芯轴34上，使得指 针10以类似于推进的方式固定在驱动芯轴34上。 在此芯轴孔32提供有具有舌形形式的柔性元件40，柔性元件40制成为与主体11 的近端部分38成单件且突出到芯轴孔32的内表面上。柔性元件40提供为当指针10安装 在驱动芯轴34上时弹性变形。因此，在组装后，柔性元件40在驱动芯轴34上施加了夹紧 力，夹紧力将指针10在驱动芯轴34上轴向保持且转动地连接了两个元件。
柔性元件40优选地在微机加工硅晶片12的步骤期间形成。 主体11也包括形成了指针10的指示器部分的远端部分42。远端部分42在此具 有三角形形式，但它可以具有任何其他合适的形式以指示在时计20的表盘上的确定的角 位置。 远端部分42通过两个梁44、46连接到近端部分38，两个梁44、46的在横向于驱动 芯轴34的平面内的宽度11在三十至二百微米之间，且优选地等于五十微米。五十微米的 宽度11提供了在梁44、46的刚性和敏锐性之间的良好的折衷。 因此获得了指针10，当手表20的使用者查看由指针IO给出的指示时，实际上仅 指针10的近端部分38和远端部分42是可见的，特别是在顶视图中。的确，与例如在三十 至一百微米之间，优选地等于五十微米的非常小的厚度组合，小的宽度ll使得梁44、46几 乎对于裸眼不可见，且因此使得指针10下方在近端部分38和远端部分42之间的元件更可 见，特别是对于显示在手表20的表盘上的元件更可见。此外，使用这些几乎不可见的梁44、 46通过隐藏了指针10的结构的部分为指针10的设计提供了更多的自由度。
当然，根据本发明的指针10可以包括多于两个的梁44、46。梁44、46的个数可以 选择为指针10的形状的函数，特别地选择为远端部分42的形状的函数，以保证对于指针10 的足够的刚性和抗震动性。 图13是图12的梁46的放大视图，可见梁46可以提供有以合适的方式布置的凹陷 48，以减轻指针10的结构而不显著地恶化其刚度和抗震动性。在此，凹陷48由在梁46的 长度上对齐且分布的缝隙或窗形成，从而限定了两个形成梁46的平行部分之间的材料桥。
有利地，如在图14中可见，指针10的主体11在其轴向厚度内包括多个一般地圆 柱形的孔口 50，孔口 50大体上平行于驱动芯轴34且具有小于五十微米的直径，优选地其直 径在三至十微米之间。这些孔口50的目的是降低指针10的不平衡和惯性。因为梁的质量 对指针10的不平衡和惯性具有非常小的影响，孔口 50优选地仅布置在远端部分42内，但 它们也可以布置在主体11的其他部分内。 在此，孔口 50通过主体11的整个厚度。它们具有足够小的尺寸以对于手表20的 使用者的裸眼不可见，使得它们不会不利地影响指针10的美学外观。
权利要求
一种装配到时计(20)的模拟显示构件(10)，其类型为包括主体(11)，在所述主体(11)中制成了芯轴孔(32)，所述芯轴孔(32)装配到驱动芯轴(34)，其特征在于主体(11)由硅基晶体材料制成，并具有时计指针的形状，以及主体(11)包括其中布置了芯轴孔(32)的近端部分(38)和形成了指针的指示器部分的远端部分(42)，且远端部分(42)通过至少一个梁(44、46)连接到近端部分(38)，该梁在横向于芯轴(34)的平面内的宽度在三十到二百微米之间。
2. 根据权利要求1所述的模拟显示构件(10)，其特征在于远端部分(42)通过宽度为 五十微米的两个梁(44、46)连接到近端部分(38)。
3. 根据权利要求1所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于所述至少一个梁(44、46) 包括凹陷(48)以减轻指针的结构。
4. 根据权利要求3所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于所述凹陷(48)由在所述至 少一个梁(44、46)的长度上对齐且分布的缝隙形成，从而限定了形成所述至少一个梁(44、 46)的两个平行部分之间的材料桥。
5. 根据权利要求l所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于主体(11)在其厚度内包括 多个平行于驱动芯轴(34)的孔口 (50)，且孔口 (50)的直径小于五十微米。
6. 根据权利要求l所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于主体(11)包括与主体(11) 制成单件的柔性元件(40)，且柔性元件(40)延伸到芯轴孔(32)内，以允许模拟显示构件 (10)通过柔性元件(40)的弹性变形而装配在驱动芯轴(34)上。
7. 根据权利要求1所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于主体(11)的顶表面包括凸 出的图案(24)。
8. 根据权利要求l所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于主体(11)的顶表面包括小 平面(28)。
9. 根据权利要求l所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于主体(11)的至少一个面提 供有由与主体(11)不同的材料制成的涂层(26)。
10. 根据权利要求9所述的模拟显示构件(IO)，其特征在于涂层(26)由金属制成。
11. 根据权利要求1所述的模拟显示构件(10)，其特征在于晶体材料是单晶硅。
12. 时计(20)，其特征在于它包括至少一个根据权利要求1所述的模拟显示构件(10)。
13. —种制造装配到时计(20)的模拟显示构件(10)的方法，每个模拟显示构件(10) 包括主体(ll)，在所述主体(11)中布置了芯轴孔(32)，该芯轴孔(32)装配到驱动芯轴 (34)，其特征在于该方法包括至少一个微机加工硅基晶体材料的晶片(12)的步骤，以在 所述的晶体材料内制成至少一个带有所述的芯轴孔(32)的主体(11)。
14. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于在晶片(12)的微机加工步骤期 间，柔性元件(40)形成在主体(11)上，以允许模拟显示构件(10)通过柔性元件(40)的弹 性变形而组装在驱动芯轴(34)上。
15. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于实施微机加工步骤以在同一个晶 片(12)内同时制成数个模拟显示构件(10)。
16. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于微机加工步骤包括至少一个光刻 步骤，以在所述的晶片(12)上复制一个模拟显示构件(10)的主体(11)的至少一个部分的轮廓。
17. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于该方法包括在每个模拟显示构件(10)的主体(11)的至少一个面上沉积涂层(26)的至少一个步骤。
18. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于该方法包括微机加工主体(11)的 顶面以在顶面内形成凸出的图案(24)的至少一个步骤。
19. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于该方法包括微机加工主体(11)的 顶面以在顶面内形成小平面(28)的至少一个步骤。
20. 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于晶体材料是单晶硅。
全文摘要
本发明涉及用于装配时计的模拟显示元件(10)，模拟显示构件(10)包括其中制成了芯轴孔的主体，其特征在于主体由硅基晶体材料制成并具有时计指针的形状，且主体(11)包括其中布置了芯轴孔(32)的近端部分(38)和形成了指针的指示器部分的远端部分(42)，且远端部分(42)通过至少一个梁(44、46)连接到近端部分(38)，该梁在横向于芯轴(34)的平面内的宽度在三十到二百微米之间。本发明也涉及提供有这样的显示元件(10)的时计。本发明进一步涉及了用于装配时计的模拟显示元件(10)的制造方法，每个模拟显示元件(10)具有主体，其特征在于方法涉及用于微机加工硅基晶体材料片的至少一个步骤，以产生至少一个由此材料制成的主体。
文档编号G04D3/00GK101738924SQ20091022508
公开日2010年6月16日 申请日期2006年5月1日 优先权日2005年5月12日
发明者A·扎内塔, E·弗勒里, F·布朗多, P·-A·梅斯特 申请人:宝玑表有限公司