[发明专利]用双金刚石涂层涂布微机械零件的方法

说明书

发明所属技术领域

本发明涉及一种涂布微机械系统的微机械零件，尤其是手表机芯，的方法，以便降低表面粗糙度、增强摩擦性能和减少工作表面上的灰尘积聚。本发明还涉及相应的微机械系统的微机械零件，尤其是手表机芯。本发明可用于微机械手表机芯，尤其是用于实现擒纵轮和擒纵叉以及其它摩擦相关零件。

发明背景技术

对微机械零件的技术需求在不断增长。除了最高的精确度，还需要提供在机械系统中的最高的能效、长寿命，且在尽可能的范围内完全放弃润滑剂。

在过去几年中，发表了许多涉及该主题的文章。其中描述的方法完成了某些任务，但主要由于所用材料的限制，未能提出一个完备的解决方法。

通过机械加工(模切或仿形切割)制备的微机械零件表现出两个主要缺点。第一，它们或者价格昂贵，或者仅在大规模生产时才在经济上有利可图，原因在于需要昂贵的生产工具投资。第二，这些工艺受其技术所限，精度水平仅在正负5微米。

因而在文献中已经讨论了一些替代方法。其中一个最有前途的想法涉及在硅晶片上刻蚀微机械部件以实现最高的精度，甚至超过迄今为止机械加工技术的结果。公差能降低至亚微米范围，但要以牺牲寿命为代价：实际结果显示，无润滑剂时这些部件的机械强度以及磨料磨损不达标。EP专利1904901提出了该问题的一种解决方案：用氧处理微机械部件的表面。部件的强度和寿命能够提高，然而未能获得最终的解决方案。

在机械系统中使用特殊的油可以提高能效，但要以牺牲对干运行(dry running)系统的需求为代价。

通过钢制造的传统机械加工部件能获得最长的寿命，但这些系统在高精度上有其局限，必须加以进一步润滑。

润滑的系统的进一步问题是需要频繁的保养间隔(service interval)，其中机芯必须加以清洁和重新润滑。因此，运行周期受到限制，而且会产生额外费用。由于随时间推移所使用的油因为老化而自身品质下降，因此，这些保养间隔是必需的。

为能在一个系统中满足上述所有需求，人们已经实践了大量的方法。

EP0732635B1描述了一种方法，其中由硅晶片刻蚀微机械零件，然后涂布金刚石膜。通过该方法获得的金刚石膜的表面粗糙度高于400nm。因此，如果所述金刚石涂布零件用在滑动接触应用中，则这些膜由此需要后续的抛光。

EP1233314公开了一种手表的机械发条组件，其具有包括擒纵轮和锚的机械擒纵装置，其中擒纵轮的功能元件在其操作表面上至少部分涂有DLC(类金刚石)涂层。DLC具有高sp2含量(从30％到100％)，而且为无定形碳，其硬度不足以用于有效的磨损保护应用。

EP1622826公开了一种微机械零件，其包含第一表面和第二表面，它们之间大致相互垂直，其中第一和/或第二表面至少部分包含金刚石。

US5308661公开了一种碳涂层基体的前处理工艺，以在基体上提供了均匀的高密度成核位置，用于随后的连续金刚石膜沉积，而不必在基体上施加偏压。

EP1182274A1公开了一种金刚石涂层的后处理方法，其中在机械加工工具表面沉积粗晶粒(微米范围)的金刚石涂层，随后进行等离子工艺处理。后处理的目的在于将顶层sp3杂化金刚石涂层降级为sp2杂化型碳物种。期望通过填充表面粗晶粒之间的“表面凹谷”，来获得更加平坦的表面。该方法的结果一种具有粗晶粒sp3金刚石的涂层，其上面为几百纳米厚的sp2杂化无定形碳顶层。顶层较软且在高摩擦的应用中会很快磨损。

上述所有方法仅能解决提供特征在于摩擦系数小于0.05的微机械零件的部分问题，因此无法用于如在钟表工业中所需的大规模生产。

尤其采用镀覆有金刚石的硅时，上述方法产生如下问题：由于金刚石的微晶结构，涂布金刚石的微机械零件通常显示高摩擦系数。该高摩擦系数严重限制了微机械系统的效率。

众所周知，粗糙度高于数百纳米的表面不能获得低摩擦系数。另外，在机械系统中使用粗糙金刚石膜需要非常平滑的匹配物。在这些情况下，粗糙金刚石膜将与相应的匹配物摩擦，导致系统产生非常快的磨料磨损。

理论上讲，可以想象在特殊情况下，不同粗糙度的模型适应特定的条件，因此产生低摩擦系数。然而，单晶粒上的压力将过高，导致晶粒的破碎和/或互锁。由此该机械系统将会很快丧失性能最终导致高摩擦系数，进而系统阻塞。涂层破坏后，整个系统将会崩溃。