在不久之前
表態(tài)君問過大家有哪些你們覺得很“唬人”的手表術(shù)語
當時大家反響非常熱烈
表態(tài)君也是看到許多有趣的留言
但是！?。。?！
當你們看到今天這篇文章時
你們一定會覺得
你們之前說的那些
實在太小兒科了！
據(jù)說，只要你掌握了這篇文章里提到的兩大技術(shù)
你就掌握了手表界的未來！
不過首先……
你得看能看懂
反正表態(tài)君前前后后反反復復看了不下十遍
還是有點云里霧里的
畢竟要掌握手表界的未來不是那么容易的事??！
那么……
要不
你們來挑戰(zhàn)看看？
應邀寫一些小科普，以前寫過一點相關(guān)的內(nèi)容，現(xiàn)在重新再介紹一下，學習這方面內(nèi)容已是好幾年以前的事情，現(xiàn)在講起來可能稍有落伍，不足之處還請行家斧正。
大家從腕表背透觀看機芯，目所能見裝飾性的呈現(xiàn)僅是表面，涉及的工藝由淺入深是夾板除毛刺、紋路打磨、倒角、鍍層等等，不計成本投入，美輪美奐吸引眼球。這里要說的是MEMS在擒縱機構(gòu)加工中的應用。
MEMS（Micro Electro Mechanical systems）是微電子機械系統(tǒng)的簡稱。建立MEMS的基礎是微米技術(shù)和納米技術(shù)。MEMS是一個單元整體的微型系統(tǒng)，它包括光學系統(tǒng)、機械構(gòu)件、電控系統(tǒng)、驅(qū)動部件等。
MEMS不僅可以采集信息、處理信息、發(fā)送指令，也可以根據(jù)采集到的信息自主地采取行動，而且還可以根據(jù)外部輸入的指令采取一定的行動。MEMS技術(shù)是一種制造工藝，其由微加工技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合而成，主要涉及到LIGA技術(shù)（LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫。在這里，即深結(jié)構(gòu)曝光和電鑄的代名詞，一種基于X射線光刻技術(shù)）、硅體微加工技術(shù)、硅表面微加工技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)等，可制造出各種性價比很高的微系統(tǒng)、執(zhí)行器、傳感器、驅(qū)動器等。
隨著微電子加工技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子機械系統(tǒng)技術(shù)應用于腕表加工工藝，使得腕表的科技含量進一步提升，工藝技術(shù)取得了巨大的進步。由于腕表的計時方式是通過機械實現(xiàn)的，所以對機械零部件的精度提出很高的要求。
另外，機械機芯具有能耗大、器件小、制作難度大的特點。近些年來，隨著機械表中微電子機械系統(tǒng)微細加工技術(shù)的發(fā)展應用，使得機械表的制造工藝有了新的突破。特別是應用于擒縱機構(gòu)零部件的制作上，得到了比較廣泛應用的LIGA技術(shù)、深度等離子體反應刻蝕技術(shù)。這兩種技術(shù)的運用極大的促進了新型機械手表機芯設計的發(fā)展。
擒縱機構(gòu)零部件
這里主要介紹LIGA技術(shù)和深度等離子體反應刻蝕技術(shù)及其在機械腕表制造中的應用。
相關(guān)背景知識實在是太多，似乎不宜太過深入。咱們還是直接跳過理論說實際的，直接跳到我們腕表機芯零件用到的部分。
LIGA技術(shù)
腕表機芯零件
在介紹LIGA技術(shù)前先講硅表面微機械加工技術(shù)。
美國加州大學Berkeley分校的Sensor and Actuator小組首先完成了三層多晶硅表面微機械加工工藝，其確立了硅表面微加工工藝的體系。
把MEMS系統(tǒng)中的“機械”部分（主要指傳感或運動）制作在沉積于硅晶體的表面膜上，然后使其硅體部分與局部進行分離，呈現(xiàn)出可運動的機構(gòu)，這就是表面微機械加工。分離主要依靠的技術(shù)是犧牲層技術(shù)，也就是在硅襯底上先沉積上一層最后要被腐蝕（或犧牲）掉的膜（如SiO2可用HF腐蝕）；然后，在其上淀積制造運動機構(gòu)的膜，最后，利用光刻技術(shù)制造出腐蝕下層膜的通道和機構(gòu)圖形。上述步驟完成以后，進行犧牲層腐蝕，進而微機構(gòu)自由釋放出來。（敲黑板?。。∵@里才是重點?。。。?/span>
表面微機械加工
硅表面微機械加工技術(shù)一般包括制膜工藝及薄膜腐蝕工藝。制膜工藝可分為濕法制膜工藝和干式制膜工藝。濕法制膜有很多方法，如旋轉(zhuǎn)涂層法、澆鑄法、電鍍、陽極氧化工藝等。
其中，利用光制造工藝制作高寬比結(jié)構(gòu)的方法叫做LIGA工藝，它是將由同步輻射源發(fā)出的X射線照射到一種特殊的PMMA感光膠上進而獲得高寬比的鑄型，然后再利用化學鍍或電鍍的方法得到所要的金屬結(jié)構(gòu)。干式制膜主要包括CVD（Chemical Vapor Deposition化學氣相沉積）和PVD（Physical Vapor Deposition物理氣相沉積）。在薄膜腐蝕工藝中腐蝕液選擇要慎重考慮，因為其主要采用濕法進行腐蝕。
再講基于SU8膠的紫外LIGA技術(shù)加工機械機芯擒縱輪。
基于SU8膠的紫外準UGA技術(shù)，是對LIGA技術(shù)的改進，也被稱為UV-LIGA技術(shù)。它進行傳統(tǒng)的深度紫外線曝光采用的是SUS負膠，如Microchem公司生產(chǎn)的2100系統(tǒng)和2075系列，微結(jié)構(gòu)的制作進而可以實現(xiàn)，其加工厚度可超過1000微米?；赟U8膠的紫外準UGA技術(shù)可以使其加工工藝設備的成本大大降低，是一種極具發(fā)展前途的MEMS制作技術(shù)，因此，引起了越來越多的關(guān)注。圖為實驗室狀態(tài)下，運用UV-LIGA技術(shù)進行腕表機機械機芯擒縱輪制作的過程。（可以腦補大批量生產(chǎn)畫面，如同復制黏貼一般）
相較于傳統(tǒng)工藝加工出的擒縱輪，UV-LIGA技術(shù)具有以下優(yōu)勢：
1、任意形狀的平面機芯零部件都可以精確地制作出來
在的制作過程中，零部件的大小及形狀是由光刻掩模的方式來決定。
因此，就算零部件的結(jié)構(gòu)形狀較為復雜，也可以通過這種技術(shù)精確地進行光刻，進而制造出來，而且可以達到極高的尺寸精度，這是一般傳統(tǒng)機械加工方式無法做到的。腕表機芯零件的設計受UV-LIGA技術(shù)的影響較大，各種創(chuàng)新的機構(gòu)設計、多功能集成零部件的設計都能通過這種技術(shù)得以實現(xiàn)。
2、側(cè)壁表面光潔度良好以及有陡直的側(cè)壁
在機芯零部件的制作過程中，通過復制SU8膠結(jié)構(gòu)而得到最終的電鑄金屬零件的側(cè)壁。因為，在準紫外光刻下SU8膠結(jié)構(gòu)的側(cè)壁準直性（589±1℃）較好而且其側(cè)壁（表面光潔度約為20~30納米）非常光滑。
所以，采用UV-LIGA技術(shù)加工所得到的零件，其摩擦能夠得到較大的減小，進而減少能量的損耗。如，齒輪在嚙合和傳動的過程中表現(xiàn)較好。
3、低成本的設備投入
UV-LIGA生產(chǎn)技術(shù)設備的成本較低，因此，常被人們稱為窮人的UGA。由于該技術(shù)的設備不需要使用同步輻射裝置，該裝置能產(chǎn)生高能量的X射線，其只需要通過普通的紫外光刻設備就可實現(xiàn)此功能。
紫外光刻設備
4、可同時實現(xiàn)多樣化的制作和設計
在腕表機芯零部件的設計和加工過程中，工程師通常希望可以通過調(diào)整某些設計參數(shù)來驗證設計。通常情況下，傳統(tǒng)的制作需要測試多批次的制作，這樣耗時多且價格昂貴。但是，使用UV-UGA技術(shù)，通過一個批次即可完成驗證設計的成敗，因為一次掩模的設計就可完成加工多種不同參數(shù)的零部件。這樣既減少了產(chǎn)品開發(fā)的時間也降低了制作成本。
5、批量化制作
由于腕表機芯的零部件較小，在6英寸或8英寸的基片一次性可生產(chǎn)出成千上百個機芯零部件，其生產(chǎn)效率較高。
首先采用UV-LIGA技術(shù)的是一家進行微部件制作的瑞士公司，叫做MimotecSA。目前，其產(chǎn)品的主要應用領域是腕表。通過UV-LIGA技術(shù)制作出來的腕表零部件是擒縱叉和擒縱輪。
擒縱叉與擒縱輪
作為主要的精密加工技術(shù)，UV-LIGA技術(shù)融合了電鑄和光刻成型技術(shù)。該技術(shù)為精密部件提供了高精度的制作和高自由度的設計。近些年來，該技術(shù)在腕表零部件制作方面的運用引起了極大的關(guān)注。
但是，目前該技術(shù)還存在一定的局限性，采用鎳材料制作而成的微電鑄，其硬度不高，鐵磁性很強，無法滿足腕表機芯零部件特定的功能要求。因此，采用合金電鑄材料對性能進行改進，并增加其硬度，消除其磁性等是目前的主要研究方向。
深度等離子體反應刻蝕技術(shù)
電感應耦合等離子體（ICP）進行深度反應刻蝕（Deep Reactive lon Etching，簡稱DRIE）是一種新型的干法刻蝕技術(shù)。其加工機理是將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底上。近些年來MEMS制作技術(shù)應用最廣泛。圖為用DRIE制作的若干微結(jié)構(gòu)。
DRIE的工藝圖解
用DRIE制作的若干微結(jié)構(gòu)
近些年來，DRIE技術(shù)在制作腕表機芯的零部件中也得到了廣泛應用。特別是在擒縱機構(gòu)中，由于硅材料的引入帶來了很多創(chuàng)新性的設計。相較于傳統(tǒng)的金屬和合金材料，硅材料的優(yōu)點如下：
1、質(zhì)量輕，慣量小：節(jié)能或抗震要求較高的零部件要求材料質(zhì)量輕慣量小，這一點硅可以勝任。
2、低摩擦系數(shù)：硅的摩擦系數(shù)低，能夠使傳動過程中的能量損耗降低。
3、抗磁性：硅是沒有磁性的材料。
4、熱膨脹系數(shù)較低：相較于不銹鋼，單晶硅的熱膨脹系數(shù)只有不銹鋼的20%左右。
5、較高的彈性模量：不銹鋼材料的彈性模量約為190~200Gpa，而硅或碳化硅的彈性模量可達450Gpa。（模量是指材料在受力狀態(tài)下應力與應變之比。相應于不同的受力狀態(tài)。Gpa指的是彈性模量中的剪切模量，數(shù)值越大，使材料變形的載荷也就越大。）
6、硬度高，耐磨損：單晶硅的硬度一般可達到1000HV以上。
硅材料
通過將掩模光刻技術(shù)與DRIE技術(shù)結(jié)合，在X-Y平面上任意形狀的設計都可以實現(xiàn)，因此，DRIE技術(shù)被應用在越來越多的硅材料的腕表零部件的設計上。由精工愛普生株式會社用DRIE生產(chǎn)的擒縱輪與擒縱叉如圖所示，已大規(guī)模應用于Grand Seiko 9S系列機芯。
近年來手表行業(yè)發(fā)展的重要方向是將MEMS加工技術(shù)應用于機械腕表（特別是機芯零部件的制作），這已經(jīng)引起了世界各大廠家的特別關(guān)注。其中，DRIE和UV-LIGA兩種新興技術(shù)的應用較為廣泛。這兩種新型技術(shù)促進了機械腕表的新功能、新材料、新設計的引入，目前是高端腕表零部件加工工藝優(yōu)先研究發(fā)展的方向。但是，作為新興技術(shù)，UV-LIGA和DRIE被引入傳統(tǒng)的機械手表行業(yè)，在技術(shù)上仍有較多的問題需要克服。如材料的可靠性差，韌性差、組裝的精度不高、部件的配合不好等，這些缺點還需要完善，并逐步得到解決。
例如在LIGA技術(shù)中，SU8膠不僅可用于LIGA技術(shù)的深度光刻工藝中，還可用于UV光刻的MEMS技術(shù)應用中。在曝光之后SU8膠進行了一系列的交聯(lián)反應，形成了立體交聯(lián)結(jié)構(gòu)，其化學穩(wěn)定性能和機械強度都非常好，且DRIE抗刻蝕能力非常高，作為ICP的刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)材料非常有效，同時它的機械強度很高，可以作為微機械的零部件直接使用。因而可以直接用于MEMS技術(shù)的應用部件。
擒縱輪裝配實測對比：
LIGA技術(shù)和深度等離子體反應刻蝕技術(shù)在鐘表零部件上批量應用，目前局限于擒縱機構(gòu)，達到降低部件質(zhì)量，提高加工精度，減小能量損耗的目的。如果能解決材料硬度/耐磨損的問題，用于制作微型/異形傳動件的前景值得期待。
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