新一代的機械手錶遊絲

科技 11-01

導讀

近日，瑞士聯邦材料測試與開發研究所的研究人員展示了一種微型的手錶遊絲。不同於著名的尼瓦洛克斯合金遊絲，這種遊絲是通過電氣或電化學方法從冷的鹽水溶液中沉積成期望的形式。

背景

機械手錶走時準確、使用方便、工藝精細、外表美觀、經久耐用，因此得到了許多朋友的鐘愛。然而，許多朋友或許並不了解機械手錶的核心機械部件。到底是什麼樣的關鍵部件在影響機械手錶的走時？其實，擺輪、遊絲等共同構成了機芯的調速器，對錶的走時有決定性影響。

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（圖片來源：A. Lange & S?hne）

擺輪，號稱是每個機械手錶中那顆「跳動的心臟」。它由會來回擺動的有軸臂的輪組成，內有螺旋狀遊絲。然而，擺輪可以左右擺動，完全是因為遊絲的存在。顧名思義，遊絲，就是如同頭髮一般細的彈簧，使擺輪左右規律性地搖擺。遊絲帶動擺輪往返運動，將時間切割為完全相同的等分。每一回合往返運動 (所謂的滴-答) 稱為擺頻，1次擺頻細分為2次振頻。

所以，在機械手錶里，遊絲是非常關鍵的角色，也是一台機芯里所有部件最輕的部分。遊絲形似一個微型的螺旋形平面彈簧。遊絲決定了擺輪的頻率和規律性，進而決定了整個機械手錶的精準度。

創新

近日，位於圖恩的瑞士聯邦材料測試與開發研究所(Empa)的研究人員，在材料與納米結構力學實驗室展示出一種微型的手錶遊絲。不同於著名的尼瓦洛克斯合金遊絲，這種遊絲是通過電氣或電化學方法從冷的鹽水溶液中沉積成期望的形式。

技術

到目前為止，Empa 實驗室的產品已通過了首個先導測試。電鍍的遊絲通常會被交付給瑞士主要鐘錶製造商的研發部門，在那裡它們被安裝在原型的手錶機械裝置中。然後，這些手錶會運行起來。然而，基於精度和長期穩定性的考量，仍然會有許多工作要做。

就在幾年之前，Empa 還必須依靠合作夥伴來開展特定的處理步驟。同時，整個生產工藝的訣竅都藏在 Michler 的實驗室里。負責監視遊絲生產的 Laetitia Philippe 解釋了生產步驟。基底材料是一個硅晶圓，這個硅晶圓類似製造計算機晶元和太陽能電池所使用的那些。一開始，研究人員為晶圓塗上了一層導電的金，然後又塗上了一層感光塗料。然後，遊絲的形狀被投射到塗料上面，塗料受到光照的部分會被蝕刻掉。現在，合金可被電鍍到導電的金基底上。

新一代的機械手錶遊絲

（圖片來源：Empa）

Philippe 非常清楚地知道，工藝中的這個關鍵步驟是非常微妙的。「我們需要在電鍍槽中有非常好的旋轉、正確的溫度、一些有機添加劑以及強度剛好的電流。如果它是交流電，需要有正確的形狀。」

最終，目標是從電鍍模具溶解出遊絲。一開始，研究人員採用了一個光學顯微鏡去檢查遊絲摸具是否被金屬正確地填充。然後，模具的頂端被精拋光，來保證所有的遊絲都是定義好的厚度；再通過X光熒光分析來驗證結果。最後，研究人員採用氧等離子體去除塗料，並採用強鹼溶液蝕刻掉硅晶圓，並溶解掉金塗層。然後，剩下的遊絲需要放入特殊的專用洗衣機洗滌幾小時，以去除任何皺摺以及凸出的金屬殘留物。然後，這些無瑕疵的遊絲會被送進手錶實驗室進行原型生產。

價值

然而，對於 Empa 的研究人員來說，這種原型生產只是他們科研工作的一個方面。Michler 表示：「我們的目標當然不是與手錶產業的供應商進行競爭。在Empa，我們主要感興趣的是小型化工藝的本身。」 Michler 的團隊主要感興趣的是來研究小型部件的機械特性。歸根到底，如果我們構造的是小型部件，材料的特性會發生改變：韌性金屬變得更硬；從另一方面說，由於元件尺寸非常小，脆性金屬也會變得具有韌性。

Empa 研究人員解釋道：「然而，任何檢測的先決條件，就是我們能夠基於定義的標準生產我們感興趣的物體。」所以，Michler 的團隊不僅想要掌握一項工藝步驟，也想緊緊抓住整個工藝鏈的品質。Michler 表示：「一些工藝步驟緊密糾纏在一起。如果我們改變一個參數，例如電鍍模具的幾何形狀或者合金的成分，通常我們也必須調整前後步驟。我們想要從各個方面理解這些關聯以及小型化的效果。」

除了二維結構，圖恩的研究人員們已經在三維結構製造方面取得了進展，同樣也是通過電鍍術。所需的模具並不是通過在硅晶圓上塗上發光層來製造，而是通過所謂的「雙光子聚合」。這項工藝包括，在一個具有特殊液態塑料前驅體的容器中，發射一束激光。在光束的焦點上，液體聚合併且固化。Empa 團隊成功地製造出精巧的結構，並且通過鎳硼塗層電鍍它們。在強度測試中，這些金屬化的結構比未經加工的高分子聚合物支架具有更好的穩定性。同時，研究人員也能夠製造出由固體鎳製造出的橋與柱，它們的尺寸只有幾微米。壓力測試展示了這些尺寸的鎳的表現如何。

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