导读

近日，瑞士联邦材料测试与开发研究所的研究人员展示了一种微型的手表游丝。不同于著名的尼瓦洛克斯合金游丝，这种游丝是通过电气或电化学方法从冷的盐水溶液中沉积成期望的形式。

背景

机械手表走时准确、使用方便、工艺精细、外表美观、经久耐用，因此得到了许多朋友的钟爱。然而，许多朋友或许并不了解机械手表的核心机械部件。到底是什么样的关键部件在影响机械手表的走时？其实，摆轮、游丝等共同构成了机芯的调速器，对表的走时有决定性影响。

（图片来源：A. Lange & Söhne）

摆轮，号称是每个机械手表中那颗“跳动的心脏”。它由会来回摆动的有轴臂的轮组成，内有螺旋状游丝。然而，摆轮可以左右摆动，完全是因为游丝的存在。顾名思义，游丝，就是如同头发一般细的弹簧，使摆轮左右规律性地摇摆。游丝带动摆轮往返运动，将时间切割为完全相同的等分。每一回合往返运动 (所谓的滴-答) 称为摆频，1次摆频细分为2次振频。

所以，在机械手表里，游丝是非常关键的角色，也是一台机芯里所有部件最轻的部分。游丝形似一个微型的螺旋形平面弹簧。游丝决定了摆轮的频率和规律性，进而决定了整个机械手表的精准度。

创新

近日，位于图恩的瑞士联邦材料测试与开发研究所(Empa)的研究人员，在材料与纳米结构力学实验室展示出一种微型的手表游丝。不同于著名的尼瓦洛克斯合金游丝，这种游丝是通过电气或电化学方法从冷的盐水溶液中沉积成期望的形式。

技术

到目前为止，Empa 实验室的产品已通过了首个先导测试。电镀的游丝通常会被交付给瑞士主要钟表制造商的研发部门，在那里它们被安装在原型的手表机械装置中。然后，这些手表会运行起来。然而，基于精度和长期稳定性的考量，仍然会有许多工作要做。

就在几年之前，Empa 还必须依靠合作伙伴来开展特定的处理步骤。同时，整个生产工艺的诀窍都藏在 Michler 的实验室里。负责监视游丝生产的 Laetitia Philippe 解释了生产步骤。基底材料是一个硅晶圆，这个硅晶圆类似制造计算机芯片和太阳能电池所使用的那些。一开始，研究人员为晶圆涂上了一层导电的金，然后又涂上了一层感光涂料。然后，游丝的形状被投射到涂料上面，涂料受到光照的部分会被蚀刻掉。现在，合金可被电镀到导电的金基底上。

（图片来源：Empa）

Philippe 非常清楚地知道，工艺中的这个关键步骤是非常微妙的。“我们需要在电镀槽中有非常好的旋转、正确的温度、一些有机添加剂以及强度刚好的电流。如果它是交流电，需要有正确的形状。”

最终，目标是从电镀模具溶解出游丝。一开始，研究人员采用了一个光学显微镜去检查游丝摸具是否被金属正确地填充。然后，模具的顶端被精抛光，来保证所有的游丝都是定义好的厚度；再通过X光荧光分析来验证结果。最后，研究人员采用氧等离子体去除涂料，并采用强碱溶液蚀刻掉硅晶圆，并溶解掉金涂层。然后，剩下的游丝需要放入特殊的专用洗衣机洗涤几小时，以去除任何皱摺以及凸出的金属残留物。然后，这些无瑕疵的游丝会被送进手表实验室进行原型生产。

价值

然而，对于 Empa 的研究人员来说，这种原型生产只是他们科研工作的一个方面。Michler 表示：“我们的目标当然不是与手表产业的供应商进行竞争。在Empa，我们主要感兴趣的是小型化工艺的本身。” Michler 的团队主要感兴趣的是来研究小型部件的机械特性。归根到底，如果我们构造的是小型部件，材料的特性会发生改变：韧性金属变得更硬；从另一方面说，由于元件尺寸非常小，脆性金属也会变得具有韧性。

Empa 研究人员解释道：“然而，任何检测的先决条件，就是我们能够基于定义的标准生产我们感兴趣的物体。”所以，Michler 的团队不仅想要掌握一项工艺步骤，也想紧紧抓住整个工艺链的品质。Michler 表示：“一些工艺步骤紧密纠缠在一起。如果我们改变一个参数，例如电镀模具的几何形状或者合金的成分，通常我们也必须调整前后步骤。我们想要从各个方面理解这些关联以及小型化的效果。”

除了二维结构，图恩的研究人员们已经在三维结构制造方面取得了进展，同样也是通过电镀术。所需的模具并不是通过在硅晶圆上涂上发光层来制造，而是通过所谓的“双光子聚合”。这项工艺包括，在一个具有特殊液态塑料前驱体的容器中，发射一束激光。在光束的焦点上，液体聚合并且固化。Empa 团队成功地制造出精巧的结构，并且通过镍硼涂层电镀它们。在强度测试中，这些金属化的结构比未经加工的高分子聚合物支架具有更好的稳定性。同时，研究人员也能够制造出由固体镍制造出的桥与柱，它们的尺寸只有几微米。压力测试展示了这些尺寸的镍的表现如何。

（图片来源：Empa）

Laetitia Philippe 表示：“我们已经能够通过具有良好规律性以及可复制的方式制造这样的结构。我们已经朝着由电镀元件制成的微型机械装置的目标迈出了重要一步。”在不久的将来，这些元件可能为钟表机械装置带来特别精细的机械复杂度。

关键字

手表、机械、晶圆、工艺

参考资料

【1】https://www.empa.ch/web/s604/liga-watch

【2】https://dx.doi.org/10.1002/admt.201800274