硅基MEMS技术引领机械手表变革
2014-08-24 06:43:23   来源：微迷   评论：0   点击：

作者：天津海鸥表业集团有限公司技术中心 曹维峰

几年前，我很荣幸承担了“硅材料在机械表中的应用”这个项目。经过这段时间的探究和实践，我对于这项在国际制表业存在很大争议，而又蓬勃发展十几年的新兴技术有了一定的认知。在最初接触硅技术的时候，我只是知道它在半导体领域应用甚广，特别重要的是了解了一种代表新时代高科技的MEMS技术。此技术为硅材料在机械表中的应用，制造零件立下了汗马功劳。那么能够掌握此技术的应该是非常高端的研发团队，并且他们所使用的设备也是高精尖的。我在经历这个项目期间，学到了不少知识，也获得了宝贵的经验。那么到底硅是什么？它为什么会被应用于机械表？有哪些品牌已经取得了突破性进展呢？我为大家普及一下相关的知识。

硅是什么

硅是地球上最丰富的元素之一，占地壳岩石的27.6%，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。硅，元素符号Si，原子序数14，原子量28.09。硅为同素异构体，有无定形硅和结晶硅，结晶硅又分为多晶硅和非晶硅，具有金刚石晶体结构，硬而脆。单晶硅材料的密度大约为钢铁的1/3，线胀系数是钢的1/5，弹性模量与钢相当，具有较高的硬度，具有美丽的色泽和良好的抗腐蚀性能。但是单晶硅具有易延某个晶面开裂的特性和电阻率高的特点。由此可以看出，Si具有某些钟表材料所需要的特质，但硬而脆的特点使常规精密机械加工技术无法加工，而成熟的半导体生产技术提供了这种可能，这就是MEMS技术。

MEMS是什么

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写，MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。在硅集成电路制造业中，形成了很成熟的镀膜沉积、光刻、腐蚀、外延、扩散等MEMS微细加工技术，适宜于制造具有微米级精度的各种特殊几何形状的机械结构。由于加工方法和所用的材料与IC相同，因而这种加工方法可以方便的移植到手表精细零件的生产。

在这个应用领域已经有许多令人瞩目的成果，例如微硅加速度计、气相色谱仪、微型马达等。这些技术的成果给人们展示了一个新的微观的技术领域并显示出其良好的应用前景。同时我们注意到，这些技术的应用特点并不是局限在对原有材料的替代，而是在一种全新的设计制造的理念指导下产生的产品。

物理特性

1. 硅制擒纵机构的零件表面光滑，在不需要润滑的条件下与传统金属材质的零件相比摩擦阻力很小，能够把更多能量传递到调速系统，对机械机芯的性能稳定性和可靠性有显著的提高。尤其是关键的擒纵轮片，在深反应离子蚀刻工序中，被加工精确度可达到1微米，从而具备了同心度更佳、更精确的直径大小，以及齿间距均匀等优点；

2. 硅材料零件的硬度以及耐磨性较高，其硬度达1100 Vickers（维氏硬度单位），而钢仅有 700 Vickers；

3. 硅是单晶体，因此使用它制作的机械表零件不会受磁场和电磁脉冲影响；

4. 硅材料的抗腐蚀性高，使得制作出来的齿轮表面，特别是齿尖端的啮合面能够时刻保持平滑，免点油；

5. 硅材料质轻（硅的密度为2.33 克/立方厘米；钢是7.8 克/立方厘米），使得硅质擒纵结构更加轻巧，转动惯量减小了。

硅擒纵机构

2001年，雅典推出了由欧克林大师最标志性的杰作--Freak（奇想，胡思乱想、荒诞反常）分针卡罗素手表。而其中的核心--“双向擒纵机构”更是能够表现出大师的非凡创造力和雅典在制表业高科技方面的伟大成就—硅技术的应用。 然而，此擒纵机构在结构试验阶段所遇到的最大问题是整个擒纵系统不能保持长时间运转，在较短时间内就会停止工作。原因是由于此结构的双擒纵轮在巨大的驱动力作用下相互啮合高速转动，不论采用哪种金属材料都不可避免的存在高速磨损这个最棘手的问题。

当时，瑞士NeuchateI大学所属的微技术学院和其附属的瑞士电子和微技术公司(CSEM)刚实验成功一种采用光感成型技术制造的半导体硅微型钟表零件，雅典和CSEM一起改良了该技术生产出适用于“双向擒纵机构”的硅擒纵轮，它使得“双向擒纵机构”成功运转获得了新生，成就了雅典Freak手表的问世。随后，雅典为了追求机构的完美性能，与德国制作超薄钻石芯片的专家（德国GFD公司）共同合作，运用DRlE深层离子蚀刻技术，将擒纵轮的材料变为硬度高、摩擦消耗小、没有磨损的材质--钻石，更进一步提升了此擒纵机构的运作效能和寿命，于2005年推出“Freak DIAMOND HEART” 。

2007年，雅典在巴塞尔展会上推出“FreakDlAMonSIL”，它承载了使用钻石和硅晶体结合而成为材料制作的“双向擒纵机构”，此技术将多晶钻石和硅晶体合二为一，使之成为既轻巧又易于设计的崭新材料。这种材质是由专门制造优质精密硅晶体零件的生产商Sigatec与德国以盛产工业用纳米钻石零件闻名之合作伙伴GFD共同研制，通过纳米技术将多晶钻石种植在未经加工的硅晶体之上。雅典的改进版“双向擒纵机构”与初版相比在结构方面有了很大的改变，其实这次改变得益于此时新材料的技术已经日趋成熟，特别是利用了硅材料通过微电子技术可以被制作成任意形状，不会受到像金属材料那样的制约（初版是以金属材料为基础研发的）。

雅典表将制表业从未染指过的半导体材料引入到手表行业来加工零件。虽然其加工成本非常昂贵，但是零件选用此类材料不仅可以彻底解决“双擒纵机构”中双擒纵轮由于相互摩擦而导致磨损严重的问题（这一问题可能会导致结构无法运转），而且还会给“双擒纵机构”带来了许多意想不到的有益效果。

硅游丝

机械表的摆轮运动是一种简谐运动，而游丝的作用就是维持摆轮在摆动时的惯性力矩与摆幅周期，并与摆轮组成振频系统获得一定的振动周期，以达到精确计时的目的。游丝对于机械表来说是非常核心的元件，可以说是掌握了机械表的命脉。

基本要求

1. 具有稳定的弹性特性；2. 较少的弹性迟滞现象；3. 较小的温度系数（热弹性系数）；4. 良好的防磁性能和抗蚀性能；5. 螺距相等；6. 游丝的重心应尽量与几何中心一致。其中我们已经知道游丝自身的重心、材料和同心度问题，以及它受到温度和磁场这两个环境因素都直接对摆轮游丝系统的振动周期产生影响，进而影响机械表的计时精度。

发展史

早期的铁基合金游丝因为受限於科技与制作技术，大多以铁或是其它合金打造而成，除了容易锈蚀与受磁而影响精准度之外，弹性系数较低也增加了发条动力的消耗，所以早期的腕表其储能时间都很难超过40小时以上。1933年，以镍、铬、铁所冶炼的特殊合金制造的游丝诞生，它除了拥有不错的抗磁性（但并非防磁）外，更具有极佳的抗温差能力，即使在极大温差的环境中，使用此游丝的的机械钟表对温度的敏感性不高。进入二十一世纪以后，瑞士各大品牌均开始研发新一代以硅晶体为基础材质的游丝。他们的成功经验告诉我们，原本被认为只有在半导体电子行业被广泛采用的硅晶体居然也可以被用来做游丝，确实难以想象，但是这已经成为了现实而不是天方夜谭。

品牌硅游丝

1. 百达翡丽的硅游丝是以压印铸模的方式制造，于2006年推出了全新的Spriomax游丝。此游丝的特点是设计了一种创新的末端“曲线”明显增厚了摆轮游丝的外末端，驱使摆轮游丝同心运动，在整个振动平面上规律均衡地朝着同一中心扩张、收缩。而普通游丝的加工方法决定了整条游丝的等厚度和螺距为厚度整倍数。虽然内外端固定方式多次优化，其展开与收缩的不同心是始终存在的问题。

2. 在2008年的巴塞尔钟表展上，欧米茄推出“Si14”硅游丝系列，可以说硅游丝的普及得益于欧米茄的贡献，同时也是斯沃琪集团的战略眼光。欧米茄在此后，将硅游丝与本品牌最标志性的“同轴擒纵机构”相融合，给人们全新的高科技与经典技术传承的体验。

3. 在2010年的巴塞尔钟表展上，宝玑推出了搭载用硅材料制造的宝玑游丝，振动频率为10Hz的高频机芯的新款手表。此外，宝玑的机芯中不仅包含了硅游丝，还包含了硅质擒纵叉和擒纵轮。2011年又推出了改进版的10Hz机芯很是值得关注。

在2014年巴展上艾美表匠心系列引力腕表运用了最为尖端的硅基MEMS技术

2014年艾美表机芯制作负责人Michel Vermot与瑞士里诺（Le Locle）高级工程学院（Haute Ecole Arc）携手合作，成为开发和制作全硅擒纵系统的第一人。硅质擒纵系统包括摆轮车心、擒纵叉、擒纵叉轴、擒纵轮和擒纵轮轮轴。

海鸥硅游丝

我目前在海鸥博士后工作站从事的课题研究--新材料硅制作的零件在机械表上应用，从而可以更进一步提升手表的性能。海鸥与香港中文大学强强联手，结合两方面的技术优势、以及研发过程中深层次的技术交流，通过多年努力才完成了这个项目，首要攻关课题是硅质游丝。截止到2013年，海鸥所研发的硅游丝技术已经趋向成熟。2013年11月，此项目“MEMS技术在机械表中的应用”荣获了“第四届天津市职工优秀技术创新成果一等奖”殊荣。

作者点评

一种材料新的应用有可能成为推动技术进步的动力，当硅材料在机械手表的核心部件——擒纵调速机构的应用成为事实，对传统的手表生产技术产生了颠覆性的影响。所谓颠覆性的影响一方面是材料本身的特性，另一方面是材料的加工方法和与之对应能够实现的设计变革。因此，硅材料和MEMS微细加工技术的引入，不仅是提高了零件加工的精度，而是通过全新设计制造理念解决问题，为手表的发展提供了更广阔的空间。随着各大品牌的纷纷加入，硅基MEMS技术已成为是国际手表未来的发展趋势。