【表态课堂】爱玩表?这些高科技的制表术你恐怕听都没听过

喜欢机械手表的表友不计其数?但是论到腕表工艺和新技术的应用,恐怕诸多表友会望而却步。本期,@爱表的林芷晨 就来给大家科普一些光听名字就很酷炫的新技术如何在钟表零件上应用。

* 本文内容版权归表态网所有,未经许可,不得转载 *

头像.png林芷晨(新浪微博:@爱表的林芷晨

小时候听奶奶说手上那块精工表是长辈送的,已有20多年,第一次听闻精工这个品牌,留下深刻印象。家里长辈都有给晚辈送表的习惯,2007年接触钟表论坛后,表成为继摄影、无线电之后的第三大爱好。


█ 应邀写一些小科普,以前写过一点相关的内容,现在重新再介绍一下,学习这方面内容已是好几年以前的事情,现在讲起来可能稍有落伍,不足之处还请行家斧正。


大家从腕表背透观看机芯,目所能见装饰性的呈现仅是表面,涉及的工艺由浅入深是夹板除毛刺、纹路打磨、倒角、镀层等等,不计成本投入,美轮美奂吸引眼球。这里要说的是MEMS在擒纵机构加工中的应用。


JIN_8390.jpg


MEMS(Micro Electro Mechanical systems)是微电子机械系统的简称。建立MEMS的基础是微米技术和纳米技术。MEMS是一个单元整体的微型系统,它包括光学系统、机械构件、电控系统、驱动部件等。MEMS不仅可以采集信息、处理信息、发送指令,也可以根据采集到的信息自主地采取行动,而且还可以根据外部输入的指令采取一定的行动。MEMS技术是一种制造工艺,其由微加工技术与微电子技术相结合而成,主要涉及到LIGA技术(LIGA是德文Lithographie,Galvanoformung和Abformung三个词,即光刻、电铸和注塑的缩写。在这里,即深结构曝光和电铸的代名词,一种基于X射线光刻技术)、硅体微加工技术、硅表面微加工技术、晶片键合技术等,可制造出各种性价比很高的微系统、执行器、传感器、驱动器等。


Labonachip20017-300.jpg


随着微电子加工技术的不断发展,微电子机械系统技术应用于腕表加工工艺,使得腕表的科技含量进一步提升,工艺技术取得了巨大的进步。由于腕表的计时方式是通过机械实现的,所以对机械零部件的精度提出很高的要求。另外,机械机芯具有能耗大、器件小、制作难度大的特点。近些年来,随着机械表中微电子机械系统微细加工技术的发展应用,使得机械表的制造工艺有了新的突破。特别是应用于擒纵机构零部件的制作上,得到了比较广泛应用的LIGA技术、深度等离子体反应刻蚀技术。这两种技术的运用极大的促进了新型机械手表机芯设计的发展。


JIN_8441.jpg

擒纵机构零部件


这里主要介绍LIGA技术和深度等离子体反应刻蚀技术及其在机械腕表制造中的应用。


相关背景知识实在是太多,似乎不宜太过深入。咱们还是直接跳过理论说实际的,直接跳到我们腕表机芯零件用到的部分。


  • LIGA技术


JIN_5229.jpg

腕表机芯零件


在介绍LIGA技术前先讲硅表面微机械加工技术。


美国加州大学Berkeley分校的Sensor and Actuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械加工工艺,其确立了硅表面微加工工艺的体系。


把MEMS系统中的“机械”部分(主要指传感或运动)制作在沉积于硅晶体的表面膜上,然后使其硅体部分与局部进行分离,呈现出可运动的机构,这就是表面微机械加工。分离主要依靠的技术是牺牲层技术,也就是在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀(或牺牲)掉的膜(如SiO2可用HF腐蚀);然后,在其上淀积制造运动机构的膜,最后,利用光刻技术制造出腐蚀下层膜的通道和机构图形。上述步骤完成以后,进行牺牲层腐蚀,进而微机构自由释放出来。(敲黑板!!!这里才是重点!!!)


01.jpg

 表面微机械加工


硅表面微机械加工技术一般包括制膜工艺及薄膜腐蚀工艺。制膜工艺可分为湿法制膜工艺和干式制膜工艺。湿法制膜有很多方法,如旋转涂层法、浇铸法、电镀、阳极氧化工艺等。其中,利用光制造工艺制作高宽比结构的方法叫做LIGA工艺,它是将由同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上进而获得高宽比的铸型,然后再利用化学镀或电镀的方法得到所要的金属结构。干式制膜主要包括CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相沉积)和PVD(Physical Vapor Deposition物理气相沉积)。在薄膜腐蚀工艺中腐蚀液选择要慎重考虑,因为其主要采用湿法进行腐蚀。


untitled.jpg


再讲基于SU8胶的紫外LIGA技术加工机械机芯擒纵轮。


基于SU8胶的紫外准UGA技术,是对LIGA技术的改进,也被称为UV-LIGA技术。它进行传统的深度紫外线曝光采用的是SUS负胶,如Microchem公司生产的2100系统和2075系列,微结构的制作进而可以实现,其加工厚度可超过1000微米。基于SU8胶的紫外准UGA技术可以使其加工工艺设备的成本大大降低,是一种极具发展前途的MEMS制作技术,因此,引起了越来越多的关注。图为实验室状态下,运用UV-LIGA技术进行腕表机机械机芯擒纵轮制作的过程。(可以脑补大批量生产画面,如同复制黏贴一般)


02.jpg


相较于传统工艺加工出的擒纵轮,UV-LIGA技术具有以下优势:

1、任意形状的平面机芯零部件都可以精确地制作出来

在的制作过程中,零部件的大小及形状是由光刻掩模的方式来决定。因此,就算零部件的结构形状较为复杂,也可以通过这种技术精确地进行光刻,进而制造出来,而且可以达到极高的尺寸精度,这是一般传统机械加工方式无法做到的。腕表机芯零件的设计受UV-LIGA技术的影响较大,各种创新的机构设计、多功能集成零部件的设计都能通过这种技术得以实现。


02_Rolex_UV-LiGA_English_Page_1.jpg


2、侧壁表面光洁度良好以及有陡直的侧壁

在机芯零部件的制作过程中,通过复制SU8胶结构而得到最终的电铸金属零件的侧壁。因为,在准紫外光刻下SU8胶结构的侧壁准直性(589±1℃)较好而且其侧壁(表面光洁度约为20~30纳米)非常光滑。所以,采用UV-LIGA技术加工所得到的零件,其摩擦能够得到较大的减小,进而减少能量的损耗。如,齿轮在啮合和传动的过程中表现较好。


5_level.jpg


3、低成本的设备投入

UV-LIGA生产技术设备的成本较低,因此,常被人们称为穷人的UGA。由于该技术的设备不需要使用同步辐射装置,该装置能产生高能量的X射线,其只需要通过普通的紫外光刻设备就可实现此功能。


2017070006466886400b6a230.jpg

紫外光刻设备


4、可同时实现多样化的制作和设计

在腕表机芯零部件的设计和加工过程中,工程师通常希望可以通过调整某些设计参数来验证设计。通常情况下,传统的制作需要测试多批次的制作,这样耗时多且价格昂贵。但是,使用UV-UGA技术,通过一个批次即可完成验证设计的成败,因为一次掩模的设计就可完成加工多种不同参数的零部件。这样既减少了产品开发的时间也降低了制作成本。


JIN_0748.jpg


5、批量化制作

由于腕表机芯的零部件较小,在6英寸或8英寸的基片一次性可生产出成千上百个机芯零部件,其生产效率较高。


JIN_4895.jpg


首先采用UV-LIGA技术的是一家进行微部件制作的瑞士公司,叫做MimotecSA。目前,其产品的主要应用领域是腕表。通过UV-LIGA技术制作出来的腕表零部件是擒纵叉和擒纵轮。


glossary_000103-002.jpg

擒纵叉与擒纵轮


作为主要的精密加工技术,UV-LIGA技术融合了电铸和光刻成型技术。该技术为精密部件提供了高精度的制作和高自由度的设计。近些年来,该技术在腕表零部件制作方面的运用引起了极大的关注。但是,目前该技术还存在一定的局限性,采用镍材料制作而成的微电铸,其硬度不高,铁磁性很强,无法满足腕表机芯零部件特定的功能要求。因此,采用合金电铸材料对性能进行改进,并增加其硬度,消除其磁性等是目前的主要研究方向。


  • 深度等离子体反应刻蚀技术


RIE400iPB-loadlock.jpg


电感应耦合等离子体(ICP)进行深度反应刻蚀(Deep Reactive lon Etching,简称DRIE)是一种新型的干法刻蚀技术。其加工机理是将光刻胶图形转移到硅衬底上。近些年来MEMS制作技术应用最广泛。图为用DRIE制作的若干微结构。


03.jpg

DRIE的工艺图解


04.jpg

用DRIE制作的若干微结构


近些年来,DRIE技术在制作腕表机芯的零部件中也得到了广泛应用。特别是在擒纵机构中,由于硅材料的引入带来了很多创新性的设计。相较于传统的金属和合金材料,硅材料的优点如下:

1、质量轻,惯量小:节能或抗震要求较高的零部件要求材料质量轻惯量小,这一点硅可以胜任。

2、低摩擦系数:硅的摩擦系数低,能够使传动过程中的能量损耗降低。

3、抗磁性:硅是没有磁性的材料。

4、热膨胀系数较低:相较于不锈钢,单晶硅的热膨胀系数只有不锈钢的20%左右。

5、较高的弹性模量:不锈钢材料的弹性模量约为160~200Gpa,而硅或碳化硅的弹性模量可达450Gpa。(模量是指材料在受力状态下应力与应变之比。相应于不同的受力状态。其中,1GPa=10^9Pa ,10^9Pa

6、硬度高,耐磨损:单晶硅的硬度一般可达到1000HV以上。


s13.jpg

硅材料


通过将掩模光刻技术与DRIE技术结合,在X-Y平面上任意形状的设计都可以实现,因此,DRIE技术被应用在越来越多的硅材料的腕表零部件的设计上。由精工爱普生株式会社用DRIE生产的擒纵轮与擒纵叉如图所示,已大规模应用于Grand Seiko 9S系列机芯。


05.jpg


近年来手表行业发展的重要方向是将MEMS加工技术应用于机械腕表(特别是机芯零部件的制作),这已经引起了世界各大厂家的特别关注。其中,DRIE和UV-LIGA两种新兴技术的应用较为广泛。这两种新型技术促进了机械腕表的新功能、新材料、新设计的引入,目前是高端腕表零部件加工工艺优先研究发展的方向。但是,作为新兴技术,UV-LIGA和DRIE被引入传统的机械手表行业,在技术上仍有较多的问题需要克服。如材料的可靠性差,韧性差、组装的精度不高、部件的配合不好等,这些缺点还需要完善,并逐步得到解决。


例如在LIGA技术中,SU8胶不仅可用于LIGA技术的深度光刻工艺中,还可用于UV光刻的MEMS技术应用中。在曝光之后SU8胶进行了一系列的交联反应,形成了立体交联结构,其化学稳定性能和机械强度都非常好,且DRIE抗刻蚀能力非常高,作为ICP的刻蚀阻挡结构材料非常有效,同时它的机械强度很高,可以作为微机械的零部件直接使用。因而可以直接用于MEMS技术的应用部件。


JIN_5339.jpg


擒纵轮装配实测对比

QQ图片20170803161044.png


LIGA技术和深度等离子体反应刻蚀技术在钟表零部件上批量应用,目前局限于擒纵机构,达到降低部件质量,提高加工精度,减小能量损耗的目的。如果能解决材料硬度/耐磨损的问题,用于制作微型/异形传动件的前景值得期待。(此文完成已有一段时日,或与时下技术更新有所出入。)█ 


作者推荐

相关阅读

已有 5条评论

评论

<< < 1 > >>

关于我们联系我们隐私权声明招聘信息

版权所有:表态网 备案号:沪ICP备14000117号-1rss

友情链接:旺力金融 pclady腕表 盛时网财新Enjoy雅趣新浪时尚新车评网搜狐奢侈品

CTIME表态网  

GMT+8, 2015-6-15 10:24 , Processed in 0.107544 second(s), 13 queries .