[发明专利]涂覆用于机械系统的具有高摩擦性能的微机械部件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种方法，其用于涂覆微机械系统（特别是钟表机芯）的微机械元件，以降低表面粗糙度和增加摩擦性能。本发明也涉及相应的用于微机械系统（特别是钟表机芯）的微机械元件。本发明可用于微机械钟表机芯，特别是用于实现擒纵轮和擒纵叉以及其它与摩擦有关的元件。

背景技术

对于微机械元件的技术需求正在增长。除最高精密度之外，还需要在所述机械系统中提供最高的能量效率，长寿命并尽可能完全摈弃润滑剂。

在近几年，已经发表了许多处理该问题的文献。所述的方法实现了一些任务，却不能提供一种全面的解决方案，这主要是由于所用材料受到限制。

通过机械加工（冲切或成形切割）制造的微机械元件呈现两个主要缺点。第一，它们或者价格高昂或者只有批量生产在经济上才能获利，因为需要为昂贵的生产工具进行投资。第二，在精度水平为+/-5微米时，这些过程达到其技术极限。

因此，在文献中已经讨论了若干替代方法。最有前途的想法之一涉及从硅晶片蚀刻出微机械部件，其实现最高精密度，甚至超过到目前为止机械加工的结果。容许偏差可以降低到亚微米范围，但是这是以寿命为代价的：实践结果表明这些部件的机械强度以及磨损在不使用润滑剂的情况下不能满足需要。该问题的一个解决方案公开在欧洲专利EP 1904901中：通过用氧处理所述微机械部件的表面可以增加强度和寿命，但是还没有实现最终的解决方案。

通过在机械系统中使用专用油可以增强摩擦性能，然而这是以需要干运行系统为代价的。

由钢制成的经典机械加工部件实现了最长的寿命，但是这些系统在高精度方面存在极限，并且必须额外润滑。

润滑系统的另一个问题是，频繁的保养周期是必需的，其中所述机芯必须清洗和再润滑。因此，操作循环受限，并产生额外费用。这些保养周期是必要的，因为所用的油发生老化，随时间推移，所用的油丧失其性能。

已经开始采取多种方法以在一个系统中实现所有这些要求。

在EP 0732635B1中描述了一种方法，其中从硅晶片蚀刻出微机械部件，然后涂以金刚石膜。通过该方法获得的金刚石膜的表面粗糙度大于400纳米。因此，如果所述金刚石涂覆的部件用于滑动接触应用，那么这些膜需要随后抛光。

EP 1233314公开了一种用于钟表的机械发条装置（clockwork）组件，其具有机械擒纵装置（escapement），该机械擒纵装置带有擒纵轮和铰链，其中所述擒纵轮的功能元件在其运行表面上至少部分涂覆有DLC（类金刚石碳，diamond like carbon）涂层。DLC具有高sp2含量（30–100%）并且是无定形碳，其硬度不足以进行有效的磨损保护应用。

EP 1622826公开了一种微机械元件，其包含基本上彼此垂直的第一表面和第二表面，其中第一和/或第二表面至少部分由金刚石组成。

US 5308661公开了一种方法，用于预处理碳涂覆的基材，以在其上提供均匀的高密度的成核位点，以便随后沉积连续的金刚石膜，而不必对所述基材施加偏压。

EP 1182274A1 公开了一种方法，用于对金刚石涂层进行后处理，其中将粗粒（微米范围）金刚石涂层沉积在机械加工工具上，随后通过等离子体方法进行处理。所述后处理的目标是将sp3-杂化的金刚石涂层的顶层降解成sp2-杂化的碳类型。希望填充突出表面的粗粒之间的“表面凹陷”，以实现更平的表面。所述方法的结果是具有粗粒sp3金刚石的膜，在其上是几百纳米的sp2杂化的无定形碳顶层。所述顶层相对柔软，在涉及高摩擦的应用中将会被迅速磨掉。

上面描述的所有解决方案只可以解决提供以摩擦系数低于0.05为特征的微机械元件的部分问题，因此妨碍了大规模制造，这在例如钟表行业中仍然是急需的。

具体地说，在使用金刚石涂覆的硅时，上面描述的解决方案产生以下问题：由于所述金刚石涂层的微晶结构，所述金刚石涂覆的微机械元件经常展现高的初始摩擦系数。该高摩擦系数严重限制所述微机械系统在其寿命的最初若干小时期间的效率。

已知粗糙度超过几百纳米的表面不能直接实现低摩擦系数。另外，在机械系统中使用粗金刚石膜需要非常平滑的配对物。在此情况下，粗糙的金刚石膜将会磨入它对应配对物中，导致所述系统非常快速地磨损和破裂。

理论上，一种特殊情况是可想象的，其中使不同粗糙度模块符合特殊条件从而产生低摩擦系数。然而，在每一个单独颗粒上的压力将过高，导致所述颗粒破裂和/或互锁。因此，所述机械系统将迅速丧失其性能，以高度摩擦系数结束并因此阻塞所述系统。在涂层破裂之后，整个系统将崩溃和/或损害整个钟表。