PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN RESSORT SPIRAL THERMOCOMPENSÉ

Abstract

 Procédé de fabrication d'un oscillateur mécanique (1) destiné à équiper un résonateur mécanique d'un mouvement d'horlogerie, un senseur MEMS ou un autre instrument de précision; l'oscillateur (1) comprenant une âme (2) fabriquée dans un matériau ayant un premier coefficient thermoélastique (β1) et un revêtement périphérique (4) en un oxyde présentant un second coefficient thermoélastique (β₂); le procédé comprenant la déposition du revêtement (4) à une température qui reste inférieure ou égale à 500°C, et un traitement thermique de recuit du revêtement (4) à une température d'au moins 550°C, afin d'ajuster le second coefficient thermoélastique (β₂) du revêtement (4) pour que ce dernier compense l'effet de la variation du premier coefficient thermoélastique (β₁) de l'âme avec la température.

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un oscillateur mécanique thermocompensé d'un mouvement d'horlogerie, d'un senseur MEMS ou d'un autre instrument de précision, tel que notamment un ressort spiral thermocompensé qui est destiné à équiper un résonateur mécanique balancier-spiral. La présente invention concerne également un oscillateur obtenu par le procédé.

Etat de la technique

[0002] Un oscillateur ou résonateur mécanique balancier-spiral d'une montre mécanique est conventionnellement composé d'un volant d'inertie, appelé balancier et d'un ressort en spirale, appelé spiral ou ressort spiral, fixé par une extrémité sur l'axe du balancier et par l'autre extrémité sur un pont, appelé coq, dans lequel pivote l'axe du balancier. Plus précisément, le ressort spiral équipant, à ce jour, les mouvements de montres mécaniques est une lame métallique élastique de section rectangulaire enroulée sur elle-même en spirale d'Archimède et comportant de 12 à 15 tours.

[0003] 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, lorsque le balancier est libéré, le fait revenir à sa position d'équilibre. Comme il a acquis une certaine vitesse, donc une énergie cinétique, il dépasse son point mort jusqu'à ce que le couple contraire du spiral l'arrête et l'oblige à tourner dans l'autre sens. Ainsi, le spiral régule la période d'oscillation du balancier.

[0004] La précision des montres mécaniques dépend de la stabilité de la fréquence propre de l'oscillateur formé du balancier-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 la précision de la montre.

[0005] La plupart des méthodes proposées pour compenser ces variations de fréquence sont basées sur la considération que cette fréquence propre dépend exclusivement du rapport entre la constante du couple de rappel exercé par le spiral sur le balancier et le moment d'inertie de ce dernier, comme indiqué dans la relation suivante:


où F est la fréquence propre de l'oscillateur, C est la constante du couple de rappel exercé par le spiral de l'oscillateur, et I est le moment d'inertie du balancier de l'oscillateur.

[0006] Par exemple, depuis la découverte des alliages à base de Fe-Ni possédant un coefficient thermique du module de Young (ci-après CTE) positif, la compensation thermique de l'oscillateur mécanique est obtenue en ajustant le CTE du spiral en fonction des coefficients de dilatation thermique du spiral et du balancier. En effet, en exprimant le couple et l'inertie à partir des caractéristiques du spiral et du balancier, puis en dérivant l'équation (1) par rapport à la température, on obtient la variation thermique de la fréquence propre :


où l'expression "1/E dE/dT" correspond au coefficient thermique du module de Young du spiral (CTE), c_s est le coefficient de dilatation thermique du spiral, et c_b est le coefficient de dilatation thermique du balancier.

[0007] En ajustant le terme d'autocompensation A = ½ (CTE + 3c_s) à la valeur du coefficient de dilatation thermique du balancier c_b, il est possible d'annuler l'équation (2). Ainsi, la variation thermique de la fréquence propre de l'oscillateur mécanique peut être éliminée.

[0008] Actuellement, on utilise des alliages complexes, tant par le nombre des composants que par les procédés métallurgiques utilisés dans le but d'obtenir une autocompensation des variations du module d'élasticité du métal en combinant deux influences contraires: celle de la température et celle de la magnétoconstriction (contraction des corps magnétiques sous l'effet de l'aimantation).

[0009] Cependant, les spiraux composés de ces alliages sont difficiles à fabriquer. Tout d'abord, en raison de la complexité des procédés utilisés pour réaliser les alliages, les propriétés mécaniques intrinsèques du métal ne sont pas constantes d'une production à l'autre. Ensuite, le réglage de l'organe régulateur, qui est la technique permettant de faire en sorte que la montre indique en tout temps l'heure la plus juste, est fastidieux et long. Cette opération nécessite de nombreuses interventions manuelles et beaucoup de pièces défectueuses doivent être éliminées. Pour ces raisons, la production est coûteuse et le maintien d'une qualité constante est un défi permanent.

[0010] Dans le document JP6117470, un ressort en forme de spiral est réalisé en silicium monocristallin. Il est dimensionné de manière à avoir un couple de rappel constant, pour fournir un appareil de mesure électrique de grande précision. Toutefois, ce document est muet quant à la stabilité thermique de la constante du couple de rappel de ce ressort. Il ne peut donc être utilisé directement comme ressort spiral dans une pièce d'horlogerie.

[0011] Dans le document DE10127733, un ressort spiral est fabriqué en silicium monocristallin revêtu de dioxyde de silicium de sorte à obtenir une bonne stabilité de la forme du spiral avec des variations de température. La stabilité thermique de la constante du couple de rappel de ce ressort n'est non plus pas mentionnée dans ce document.

[0012] Le CTE du silicium est fortement influencé par la température et une compensation de cet effet est nécessaire pour son utilisation dans des applications horlogères. En effet, le CTE du silicium est de l'ordre de -60 x 10^-6/°C et la dérive thermique d'un ressort spiral en silicium est ainsi d'environ 155 secondes/jour, pour une variation de température de 23°C +/-15°C. Cela le rend incompatible avec les exigences horlogères qui sont de l'ordre de 8 secondes/jour.

[0013] Le document EP1422436 décrit un ressort spiral découpé dans une plaque {001} de silicium monocristallin. Le spiral comporte une couche de SiO₂, présentant un CTE opposé à celui du silicium et formée autour de la surface extérieure du spiral, afin de minimiser la dérive thermique de l'ensemble balancier-spiral.

[0014] Le document WO2013064351 décrit un résonateur thermocompensé comportant un corps formé par de la céramique où au moins une partie du corps comporte au moins un revêtement dont les variations du module d'Young en fonction de la température (CTE) sont de signe opposé à celles (CTE) du matériau utilisé pour l'âme afin de permettre audit résonateur d'avoir une variation de fréquence en fonction de la température au moins au premier ordre sensiblement nulle. Selon ce document, les céramiques peuvent comporter aussi bien des coefficients thermoélastiques positifs que négatifs au premier ordre et au deuxième ordre, et le ou les revêtements utilisés peuvent incidemment comporter aussi bien des coefficients thermoélastiques négatifs que positifs au premier ordre et au deuxième ordre. L'oxyde de germanium (GeO₂) ou l'oxyde de tantale (Ta₂O₅) et/ou des oxydes de zirconium ou d'hafnium sont utilisables comme revêtements. De préférence, les revêtements forment également une barrière contre l'humidité, et une couche d'accrochage peut être déposée entre l'âme et le revêtement.

[0015] Le document EP2395662B1 décrit un résonateur thermocompensé comportant un corps formé à partir d'une plaque de coupe dans un cristal de quartz et comportant un revêtement, par exemple en oxyde de germanium ou en oxyde de tantale, déposé au moins partiellement contre l'âme.

Bref résumé de l'invention

[0016] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un oscillateur mécanique tel qu'un ressort spiral destiné à équiper un résonateur mécanique balancier-spiral d'un mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision. Le ressort spiral comprend une âme fabriquée dans un matériau choisi parmi les métaux et leurs alliages, les métalloïdes dont le silicium (amorphe, monocristallin ou polycristallin), les céramiques, le carbone est ses différentes formes allotropiques, ou les matériaux composites ayant un premier coefficient thermoélastique d'un premier signe. Le ressort comprend également un revêtement périphérique en un oxyde, de préférence le SiO₂, présentant un second coefficient thermoélastique d'un second signe opposé au premier signe du premier coefficient thermoélastique, le procédé comprenant la déposition du revêtement à une température inférieure à 500°C, et un traitement thermique de recuit du revêtement à une température d'au moins 550°C.

[0017] Dans un mode de réalisation, le traitement thermique de recuit du revêtement peut être précédé d'un accroissement progressif de la température.

[0018] Dans un autre mode de réalisation, le procédé peut comprendre la déposition d'une couche d'accrochage de Al₂O₃ entre l'âme et le revêtement. La couche d'accrochage peut être déposée avec une épaisseur d'environ 5 nm.

[0019] Encore dans un autre mode de réalisation, le procédé peut comprendre la déposition d'une couche externe de Al₂O₃ sur le revêtement. La couche externe peut être déposée avec une épaisseur d'environ 300 nm. La couche externe peut alors contrôler la fréquence de l'oscillateur et/ou protéger l'ensemble formé par l'âme et le revêtement contre l'humidité.

[0020] La présente invention concerne un ressort spiral obtenu par le procédé ainsi qu'un résonateur mécanique balancier-spiral comprenant un tel ressort spiral. La présente invention concerne également d'autres types d'oscillateurs mécaniques tels que des diapasons et senseurs MEMS.

[0021] La solution proposée permet de fabriquer un ressort spiral dont l'âme est constituée d'un matériau dont la maitrise du comportement thermoélastique, en particulier l'évolution anormale de la valeur du module de Young, n'est pas ou ne peut être obtenue pour diverses raisons par la croissance d'un oxyde thermique à sa surface, mais à la place implique la déposition d'un oxyde sur la surface de l'âme par un procédé de déposition. Ceci est le cas, par exemple, où un revêtement SiO₂ est formé sur une âme ne comportant pas le silicium. Cependant la solution de la présente invention est également applicable, par exemple, à un oscillateur comprenant une âme en silicium et un revêtement en SiO₂ où le revêtement est formé par un procédé de déposition proprement dit et pas par la croissance d'un oxyde thermique. L'obtention d'un oscillateur revêtu par un tel procédé peut être avantageux où il est désiré de mieux contrôler les dimensions et la fréquence de l'oscillateur, car avec une croissance d'un oxyde thermique à la surface d'une âme en silicium une portion de l'âme devient oxydée durant l'étape d'oxydation. Cette solution est applicable à un ensemble de matériaux compatibles avec les procédés traitement thermiques utilisés pour stabiliser la compensation, et est destinées entre-autres à des fonctions exploitant la stabilité des propriétés mécaniques, et en particulier élastiques, comme les oscillateurs et résonateurs.

Brève description des figures

[0022] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :

la figure 1 montre une vue du dessus d'un ressort spiral selon l'invention; et

les figures 2a et 2b montrent une vue en coupe transversale droite (figure 2a) et longitudinale (figure 2b) du ressort spiral comprenant une âme et un revêtement, selon un mode de réalisation.

Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention

[0023] La figure 1 montre une vue du dessus d'un ressort spiral 1 et les figures 2a et 2b montrent une vue en coupe longitudinale et transversale du ressort spiral 1 selon l'invention. Le ressort spiral 1 comprend une âme 2 formée dans un matériau présentant un premier coefficient thermoélastique β₁ d'un premier signe (typiquement négatif ou normal). Le ressort spiral 1 comprend également un revêtement périphérique 4 d'un oxyde, préférablement de dioxyde de silicium (SiO₂), déposé et couvrant au moins partiellement la surface extérieure de l'âme 2. Une couche d'accrochage 3 peut également être déposée entre l'âme 2 et le revêtement 4. Dans l'exemple des figures 1 et 2, l'âme a une forme hélicoïdale et comprend au moins une spire de section rectangulaire d'épaisseur w et de hauteur h. On comprendra cependant que la géométrie de l'âme peut être autre que celle illustrée dans cet exemple, par exemple, l'âme peut avoir une section droite ou circulaire.

[0024] L'âme 2 peut être fabriquée dans le silicium monocristallin, avec une orientation telle que {001}, {111} ou autre, ou encore elle peut être fabriquée dans un matériau polycristallin ou amorphe (silicium polycristallin ; silicium amorphe, verre de quartz, verre de silice). Le matériau de l'âme peut également être un matériau métallique dont le point de fusion reste compatible avec l'étape de traitement thermique (décrite ci-dessous) de la présente invention. Par ailleurs, le matériau de l'âme peut comprendre un matériau céramique, notamment un nitrure de silicium, un carbure de silicium, ou un oxynitrure de silicium. Le matériau de l'âme peut en outre comprendre un matériau composite ou un matériau de polymère ou carbone. Par exemple, l'âme 2 peut être un composite de fibres de carbone, la liste des matériaux mentionnes ici n'étant absolument pas exhaustive. De préférence, l'âme est en un matériau dont le coefficient thermoélastique est normal et le point de fusion est compatible avec les traitements thermiques appliqués comme indiqués ci-dessous.

[0025] Dans un mode de réalisation, un procédé de fabrication du ressort spiral 1 comprend les étapes de:

fournir l'âme 2 dans le matériau ayant le premier coefficient thermoélastique β₁; et

déposer le revêtement oxyde 4 d'un second coefficient thermoélastique β₂ au moins partiellement sur la surface extérieure de l'âme 2.

[0026] Dans un mode de réalisation, le revêtement 4 est déposé à l'aide d'un procédé de déposition à basse température, c'est-à-dire, à une température sensiblement inférieure à celle utilisée pour le post traitement, notamment en dessous de 500°C. De façon préférée, la déposition du revêtement 1 est réalisée à une température inférieure à 300°C, encore plus privilégiée à une température inférieure à 200°C et selon une variante à une température d'environ 100°C. La température de déposition peut varier, et notamment elle peut descendre, lors de cette étape de déposition.

[0027] En particulier, le revêtement 4 peut être déposé à l'aide d'un procédé de déposition de couches minces pouvant comprendre, de façon non exhaustive, des procédés tels que la déposition physique en phase vapeur (PVD) ou encore d'un procédé de déposition chimique en phase vapeur (CVD). D'autres procédés de déposition de couches minces sont également envisageables pour la déposition du revêtement 4 pourvu que la température de dépôt reste égale ou inférieure à 500°C. Par exemple, le revêtement 4 peut être déposé à l'aide d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), plasma de haute densité (HDPCVD), dépôt moléculaire en phase vapeur (molecular vapour deposition, MVD), déposition de couches atomiques (Atomic Layer Deposition, ou ALD), ou encore des dépôts obtenus à l'aide de sol-gels.

[0028] Nos résultats expérimentaux, tel qu'indiqué dans le Tableau A ci-dessous, démontrent cependant que le revêtement 4 déposé par un procédé de déposition physique ou chimique à basse température, tel que décrit ci-dessus, ne permet pas nécessairement d'obtenir, tel quel, une compensation suffisante de l'effet de la variation du CTE de l'âme avec la température. Dans le Tableau A, la variation du CTE pour une âme en carbone amorphe sur une base journalière en fonction de la température est comparée pour un ressort spiral ne comportant pas le revêtement (colonne 0), un ressort spiral comprenant une couche d'accrochage 3 de Al₂O₃ déposé par ALD (colonne 1) et avec le revêtement 4 de SiO₂ déposé par PECVD (colonne 2). Dans tous les cas, la variation du CTE avec la température reste importante. La variation du CTE sur une base journalière en fonction de l'humidité relative (RH%) est également montré dans la Tableau A.

Tableau A

	Essais
Etape de procédé	0	1	2	3	4	5
étape 1	-	ALD Al2O3	ALD Al2O3	ALD Al2O3	ALD Al2O3	ALD Al2O3
étape 2	-	-	PECVD SiO2	PECVD SiO2	PECVD SiO2	PECVD SiO2
étape 3	-	-	-	recuit 800°C	recuit 1050°C	ALD Al2O3
étape 4	-	-	-	ALD Al2O3	ALD Al2O3	recuit 800°C
variation en temp. [s/d/°C]	-3.7	-4.2	-5.2	-1.8	-1.8	-3.9
variation en himidité [s/d/RH%]	-0.2	-0.05	-0.2	-0.02	-0.03	-1.5

[0029] En effet, le revêtement de SiO₂ obtenu d'un tel procédé de déposition à basse température est en principe structurellement ou chimiquement différent d'un revêtement de SiO₂ obtenu par oxydation thermique du silicium à des températures substantiellement plus élevées, par exemple, de l'ordre de 1000°C. Le revêtement 4 de SiO₂ peut également comprendre un faible pourcentage d'hydrogène ou d'autres impuretés. Dans ces conditions, le coefficient thermoélastique du SiO₂ n'est pas nécessairement (ou n'est pas suffisamment) anormal pour obtenir la thermocompensation désirée.

[0030] Selon la présente invention, le procédé de fabrication du ressort spiral 1 comprend un traitement thermique de recuit du revêtement 4, permettant de rendre le coefficient thermoélastique suffisamment compensatoire (voire suffisamment anormal dans le cadre de SiO₂) et de le stabiliser. En particulier, le traitement thermique de recuit peut être réalisé avec une température de recuit d'au moins 550°C, et de préférence une température comprise entre environ 800°C et 1050°C. Selon un mode d'exécution, la température de recuit est soit d'environ 800°C soit d'environ 1050°C. De préférence, le temps de recuit est entre 2 à 6 heures, et dans une forme d'exécution il est aux environs de quatre heures. Par ailleurs, cette opération de recuit peut se dérouler en continuité à l'opération de déposition du revêtement 4 ou indifféremment espacée d'un intervalle de temps de plusieurs jours.

[0031] Selon les matériaux utilisés pour l'âme 2 et le revêtement 4, le traitement thermique de recuit du revêtement 4 peut permettre de modifier le revêtement 4 de sorte à ce que le second coefficient thermoélastique β₂ du revêtement 4 ait un second signe opposé au premier signe du premier coefficient thermoélastique β₁ de l'âme 2 afin d'ajuster le second coefficient thermoélastique β₂ pour que ce dernier compense l'effet de la variation du premier coefficient thermoélastique β₁ de l'âme avec la température.

[0032] Le traitement thermique de recuit peut être réalisé sous atmosphère inerte, par exemple sous atmosphère d'azote. La température de recuit peut être atteinte par une montée progressive en température de l'ordre de 10°C/min à partir d'une température de chargement, par exemple de 200°C. Après le recuit, la température peut être diminuée à une vitesse de l'ordre de 3°C/min, jusqu'à une température de déchargement, par exemple d'environ 200°C.

[0033] Le traitement thermique de recuit permet de modifier la structure, notamment de densifier le revêtement et de réduire les contraintes internes du revêtement 4. Le traitement thermique de recuit du revêtement 4 déposé par le procédé de déposition à basse température peut donc modifier le comportement thermoélastique du revêtement 4 et permettre d'obtenir une compensation de l'effet de la variation du CTE de l'âme avec la température. En particulier, selon les expérimentations des inventeurs, l'effet de compensation recherché est préférablement obtenu lorsque la température de recuit est comprise entre environ 800°C et 1050°C. Cet effet n'est pas aussi important lorsque l'on s'éloigne de ces températures de recuit et il n'est généralement pas obtenu en dessous d'une température de 550°C. Le traitement thermique de recuit permet également de stabiliser les propriétés du revêtement 4 de SiO₂ obtenu par le procédé de déposition à basse température.

[0034] L'effet du traitement thermique de recuit sur le revêtement 4 d'oxyde peut s'expliquer par la modification de la valeur du coefficient de dilation thermique du revêtement [Cao Z. et al., J. Appl. Phys. 96 (8), 2004, p 4273-4280]. Hiller et. al. [Hiller D. et al. J. Appl. Phys, 107, 064314, 2010, p 1-10], discute de l'effet d'un traitement thermique de type RTA (Rapid Thermal Annealing) sur la concentration d'hydrogène dans un dépôt de SiO₂. Jansen et. al. [Jansen F. et al. Appl. Phys. Lett, 50 (16), 1987, p 1059-1061] rapporte l'effet de la concentration résiduelle d'hydrogène sur les propriétés thermoélastiques du SiO₂.

[0035] Dans une variante, le revêtement 4 d'oxyde peut être déposé en présence d'un flux, incluant notamment l'un de Na₂O, K₂O, Li₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, B₂O₃ ou une combinaison de ces flux, de manière à réduire la température de fusion du SiO₂ ce qui modifie d'autant la température de post traitement. On notera que l'utilisation de flux tels que l'Al₂O₃ ou le B₂O₃ peut augmenter la valeur du module de Young. L'utilisation du flux CaO peut de même augmenter la résistance à la traction du revêtement 4 et agir comme un stabilisateur contre l'absorption de l'eau par le SiO₂.

[0036] L'épaisseur du revêtement 4 peut être ajustée de manière à obtenir une valeur souhaitée du coefficient thermoélastique du ressort spiral. En effet, le coefficient thermoélastique du ressort spiral dépend de la combinaison du premier coefficient thermoélastique β₁ du matériau de l'âme 2 et du second coefficient thermoélastique β₂ du revêtement 4. En pratique, l'épaisseur du revêtement 4 est comprise entre 0.1 µm et 10 µm, et préférablement entre 1 µm et 5 µm. Dans un mode de réalisation, le revêtement 4 est déposé avec une épaisseur d'environ 2 µm.

[0037] Comme l'âme 2 du ressort spiral 1 est une structure flexible soumise à des sollicitations mécaniques, une désolidarisation du revêtement 4 déposé sur l'âme 2 est possible. La désolidarisation peut être causée, par exemple, suite à une délamination. Une telle désolidarisation est d'autant plus possible que les propriétés mécaniques, telles que le coefficient de dilatation thermique, le module de Young, du matériau composant l'âme 2 de celui du revêtement 4 diffèrent. De plus, les contraintes internes dans le revêtement 4 déposé peuvent être élevées.

[0038] Dans un mode de réalisation, le procédé de fabrication du ressort spiral 1 comprenant la déposition d'une couche d'accrochage 3 entre l'âme 2 et le revêtement 4. De façon préférée, la couche d'accrochage 3 est constituée d'un oxyde d'aluminium (Al₂O₃). La couche d'accrochage 3 peut être déposée à l'aide d'un procédé de déposition ALD. Le procédé de déposition ALD a un très bon pouvoir de répartition microscopique. Autrement dit, la déposition ALD a l'avantage de pouvoir déposer l'oxyde d'aluminium de façon conforme à la surface de l'âme 2, y compris dans les pores présents sur la surface de l'âme 2. La qualité de l'ancrage de la couche d'accrochage 3 est d'autant meilleure.

[0039] Le dépôt de la couche d'accrochage 3 en Al₂O₃ permet de former des liaisons fortes entre l'oxyde d'aluminium et les groupes fonctionnels actifs disponibles à la surface de l'âme 2, notamment des différentes formes de carboxyles et hydroxyles présentes à la surface de l'âme 2 (ce qui dépend du matériau constituant l'âme).

[0040] De façon préférée, la couche d'accrochage 3 est déposée avec une épaisseur d'environ 5 nm. Une faible épaisseur de la couche d'accrochage 3 a l'avantage de ne pas modifier significativement les propriétés mécaniques de l'âme 2, et en particulier la fréquence de l'oscillateur balancier spiral. Une faible épaisseur de la couche d'accrochage 3 permet en outre de rendre le procédé de fabrication du ressort spiral 1 économiquement plus intéressant.

[0041] Le revêtement 4, surtout lorsqu'il comprend le SiO₂, peut avoir des propriétés hydrophiles, même si le traitement thermique de recuit diminue le caractère hydrophile du revêtement 4. Encore dans un mode de réalisation, le procédé de fabrication du ressort spiral 1 comprend la déposition d'une couche externe 5 d'un oxyde d'aluminium (Al₂O₃) couvrant au moins partiellement la surface extérieure du revêtement 4. La couche externe 5 est préférablement déposée avec une épaisseur d'environ 300 nm. L'étape de déposition de la couche externe 5 permet de rendre l'ensemble âme 2 et revêtement 4 moins sensible aux effets de l'humidité. En particulier, les propriétés mécaniques du revêtement 4 en SiO₂ peuvent être défavorablement affectées en présence d'humidité. La demanderesse a découvert au cours d'expérimentations élaborées que pour maintenir à la fois les effets de compensation thermoélastique et de protection contre les effets de l'humidité, l'étape de traitement thermique doit préférablement être conduite avant la déposition de la couche externe 5. Un traitement thermique en fin de déposition de la couche 5 ne produit pas les effets recherchés.

[0042] A titre illustratif, le Tableau A reporte des valeurs de variation du CTE avec la température et l'humidité relative, pour un ressort spiral comprenant la couche d'accrochage 3 de Al₂O₃ déposé par ALD le revêtement 4 de SiO₂ déposé par PECVD et la couche externe 5 de Al₂O₃ déposé par ALD. (colonnes 3 à 5). Dans le cas où un recuit à 200°C et à 1050°C est effectué après le dépôt du revêtement, la variation du CTE avec la température et l'humidité relative est minimale. Une augmentation notable de la variation du CTE est cependant observée lorsque le recuit est effectué après l'étape de déposition de la couche externe 5.

Numéros de référence employés sur les figures

[0043] 

1

ressort spiral

2

âme

3

couche d'accrochage

4

revêtement périphérique

5

couche externe

β₁

premier coefficient thermoélastique

β₂

second coefficient thermoélastique

h

hauteur

w

épaisseur

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un oscillateur mécanique (1) destiné à équiper un résonateur mécanique d'un mouvement d'horlogerie, un senseur MEMS ou un autre instrument de précision; l'oscillateur (1) comprenant une âme (2) fabriquée dans un matériau ayant un premier coefficient thermoélastique (β₁) et un revêtement périphérique (4) en un oxyde présentant un second coefficient thermoélastique (β₂) ;
caractérise en ce que le procédé comprend :

la déposition du revêtement (4) à une température qui reste inférieure ou égale à 500°C ; et

un traitement thermique de recuit du revêtement (4) à une température d'au moins 550°C, afin d'ajuster le second coefficient thermoélastique (β₂) du revêtement (4) pour que ce dernier compense l'effet de la variation du premier coefficient thermoélastique (β₁) de l'âme avec la température.

2. Procédé selon la revendication 1,
dans lequel le revêtement (4) est déposé à l'aide d'un procédé de déposition de couches minces.

3. Procédé selon la revendication 2,
dans lequel ledit procédé de déposition de couches minces comprend un dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou leurs procédés dérivés tels que dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) ou assisté par plasma de haute densité (HDPCVD), des dépôts de type moléculaire (MVD) ou atomiques (ALD), ou des dépôts obtenus à l'aide de sol-gels.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3,
dans lequel la déposition du revêtement (4) est réalisée à une température qui reste inférieure ou égale à 300°C, ou qui reste inférieure ou égale à 200°C ou à une température d'environ 100°C.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4,
dans lequel le traitement thermique de recuit du revêtement (4) a lieu à une température d'au moins environ 600°C, préférablement supérieur à 800°C.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,
dans lequel le traitement thermique de recuit du revêtement (4) a lieu à une température inférieure à environ 1050°C.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6,
dans lequel le traitement thermique de recuit du revêtement (4) est appliqué pendant pour une durée de 2 à 6 heures.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7,
dans lequel le revêtement (4) est déposé avec une épaisseur de l'ordre du micron, de préférence 2 µm.

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8,
comprenant en outre la déposition d'une couche d'accrochage (3) de Al₂O₃ entre l'âme (2) et le revêtement (4).

10. Procédé selon la revendication 9,
dans lequel couche d'accrochage (3) est déposés à l'aide d'un procédé de déposition de couches atomiques (ALD).

11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10,
comprenant en outre la déposition d'une couche externe (5) de Al₂O₃ sur le revêtement (4).

12. Procédé selon la revendication 11,
dans lequel la couche externe (5) est déposée après le traitement thermique de recuit du revêtement (4).

13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12,
dans lequel le matériau composant l'âme comprend le carbone, le silicium ou une céramique.

14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 22,
dans lequel le revêtement comprend le dioxyde de silicium.

15. Oscillateur en forme de ressort spiral (1) obtenu à l'aide du procédé selon l'une des revendications 1 à 14.

16. Résonateur mécanique balancier-spiral comprenant le ressort spiral selon la revendication 15.

Dessins