硅革命

The Silicon revolution

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8月 2008
對於硅在制表業的應用,我們聽到的越來越多。這種材料很有前景,因為它特有的屬性,它表面的條件以及對潤滑油的擺脫。硅還表現出造型上的優勢,可用於製造新型的擒縱機構。由Girard-Perregaux推出的Constant Escapement就是在手錶中利用這種材料的最好實證。我們來看一看這場硅的革命。

硅是一種在鐘錶製造中相對較新的材料-過去幾年內才投入使用,它仍在繼續證明自己的潛質。2005年,Patek Philippe百達翡麗推出了單晶體硅擒縱輪,首次將它變成關注的焦點。(單晶體硅擒縱輪是與幾家研究中心合作開發,合作方包括洛桑的EFL聯邦理工大學,Neuchâtel紐沙特爾大學的微型技術學院,瑞士電子和微技術中心以及COMLAB 實驗室)。

這種硬度極高的材料(1100 Vickers,鋼僅為700 Vickers),而且耐腐蝕、防磁化,重量輕,以及低密度(僅2.33克/立方厘米,鋼為8克/立方厘米),最初被選中是緣於它的磨擦學特性,因為機械制表的主要目標之一就是不使用潤滑油。而硅的物理特性和完美的表面狀態無需潤滑油。這一點對於機芯的最敏感的部位-擒縱機構來說,由為重要。

新的形狀

除了無需潤滑這一重要優勢之外,在製造硅質零件中採用的特殊技術(與影印平版印刷法中採用的流程相似-參見DRIE的工具條)也使得制表師能夠從一開始就重新設計這些零件的形狀。

Patek Philippe百達翡麗2006年的第二項發明Spiromax®,是用Silinvar®製成的遊絲。這種以硅基材料的專利技術通過真空氧化法來補償溫度變差而得到,是與Swatch Group斯沃其集團以及Rolex勞力士一起聯合投資進行研究的成果。它具有完美的同中心特性(遊絲以自己的中心對稱地膨脹和收縮),其終端曲線造就了這種特性。這種曲線不是向上轉動,而在外部終端形成一個特別粗的區域。

新的布局包括一個內部平衡杆和立柱附件,這也帶來了另一個優勢:不受溫度變化、磁場存在或是機芯位置影響的完美同步振動。它比帶有擺輪遊絲末圈的Breguet寶璣式遊絲薄三分之一,因此在超薄形機芯中的安裝更為容易。

Patek Philippe百達翡麗仍在繼續以硅基零件形狀的研發,今年又推出了另一項新發明Pulsomax®擒縱機構。Pulsomax®的基本原理與傳統的瑞士槓桿擒縱機構相似,唯一的不同是它通過使用一種新型獨有的幾何結構形狀來優化機構的功能,從而改善了機構的性能。新的槓桿採用DRIE等離子蝕刻術生產,這種方式讓在第二層上加工Silinvar®零件成為可能,不再需要紅寶石棘爪。它們被槓桿本身被替代,槓桿的幾何結構被重新設計過(兩個棘爪的形狀都各不相同)。這種槓桿與新的Silinvar®擒縱輪一起配合工作,擒縱輪也重新設計過,從前的二十齒變成了十六齒。

Patek Philippe百達翡麗的制表師創造的成果是,新槓桿能夠將更多的能量傳遞給遊絲,因此提高了等時性,從而優化效率。(Patek Philippe百達翡麗聲稱效率提高了百分之三十,這將意味著具有四十八小時能量存貯的手表現在能運行六十二小時了。)其他的優點包括在性能上,調校上,以及機芯的可靠性上,明顯的可以量化的提升,以及長期不再需要潤滑油。

Ulysse Nardin,真正的首創

Patek Philippe百達翡麗並不是在硅領域做出努力的唯一品牌。Ulysse Nardin在2000年就是一個真正的先鋒,推出了硅制的Dual Direct Escapement的第一隻樣表。2002年,該品牌用人造鑽石製造了第一隻遊絲和第一隻擒縱機構,採用與選擇性刻蝕技術相同的方法。但是在這個案例中,刻蝕技術並不是在一個單晶體硅晶片上進行的,而是在一個單晶體鑽石晶片上。

Ulysse Nardin的這些創意在2005年得以面市,應用在一款名為Freak 28,800 V/h Diamond Heart的手錶中。這隻手錶裝配了鑽石製成的Dual Ulysse擒縱機構。Freak的擒縱機構是由Ludwig Oechslin為Ulysse Nardin開發的。十年的研發就是為了在2001年的巴塞爾展會上的亮相。正如Oechslin所說,Freak的擒縱機構是 「一小時的旋轉木馬,機芯每小時將旋轉一次。所有的零件都在外擺線上,除了承載整個手錶的底部的發條盒,而且發條盒保證了八天的工作能量儲備。機芯被表底的表圈纏繞著,時間的設置是通過表上部的表圈實現的。其目標是使得擒縱機構比普通槓桿式擒縱機構更簡單,更可靠。它的成功應歸功于于整體上對稱的擒縱機構:兩個輪子為一個微型的中心提供相同的推力。從理論上來說,相對於槓桿擒縱機構的複雜角度來說,這一結構是非常簡單的。磨擦力也非常小,可以不需要潤滑油。我們使用了硅基材料來製造擒縱機構,因為我們需要一種非常硬而輕質的材料,以減小慣量。」

今年,Ulysse Nardin在大量的研究開發工作之後,提出了一個更為創新的概念Innovision。這隻手錶具有十項創新成果,幾乎都是與硅基技術有關的。無論硅的廣泛應用的價值何在,在Freak的擒縱機構中的應用毫無疑問是非常關鍵的。這一擒縱機構從根本上與Patek Philippe百達翡麗的創意是不同的,後者的創新是基於瑞士槓桿式擒縱機構。Freak結構理論上也可以使用傳統材料來實現,但效能可能較差。

Ulysse Nardin 推出的Innovision

Ulysse Nardi的Innovision是一隻手錶原型,包含了十項技術創新,其中大多採用DRIE和LIGA技術生產,包括:

- 硅軸承(替代紅寶石軸承,而且無需潤滑油)
- 硅擒縱機構夾板(高精度的定位孔和低磨擦)
- 硅及鎳夾板(精度,低磨擦,以及機械強度)
- 硅吸震器(利用硅的彈性)
- 硅遊絲(掌握生產的決竅)
- 採用DRIE工藝在一個零件上實現滾輪和滾針
- 擒縱機構的鎖止叉和安全銷是一個部件(DRIE技術)
- 硅擒縱輪和輪軸設置在兩個槓桿的同一個零件上
這些創新還要加上無潤滑的球形軸承上的發條盒以及硅質雙重Ulysse擒縱機構。

對Ulysse Nardin來說,這些技術的目標關鍵在於減少潤滑,利用這種工藝的高精度,證明兩面加工或雙層加工的方法的可能,以及使用更多的DRIE和LIGA技術。

來自Girard-Perregaux 芝柏的Constant Escapement

硅技術領域迄今為止最先進的代表是Constant Escapement,Girard-Perregaux芝柏將這一成果呈現在今年的SIHH上。如果沒有硅材料的特有屬性,特別是它的彈性,這一新型的擒縱機構將不可能成功。它的彈性使得硅制的微型結構能夠在具有高硬度的同時保持其柔韌性,這也使得制表師得以打破機械錶製造中的限制,實現那些在不久前還被認為是不可能的效果。

此刻,Constant Escapement仍在測試階段,但Girard-Perregaux芝柏計劃在兩年內投入商業運作。讓我們來了解一下這個特殊的產物的功能。

它的誕生有一點有趣,與許多其它發明相似,這一發明也大部分緣於「幸運」。Girard-Perregaux芝柏的研發部經理Nicolas Dehon有一天坐火車旅行,在車上他隨意地玩著車票。他將這張小張片在手指里彎來彎去,突然,一個要發明一種擒縱機構的念頭闖入他的腦中,這種新的擒縱機構應該沒有遊絲,而是有一個極薄的金屬片,能夠交替地將壓力一一傳遞下去,就象車票先向一個方向彎曲,接著彎向另一個方向。舉一個例子更好地說明他的工作原理:回想你在童年時代的一種玩具,你按壓一個彎曲的金屬帶能使它跳起。當這條金屬帶改變位置時,它的反應就象彈簧一樣,推動玩具前進。唯一能夠使Dehon的想法成為現實的材料就是硅。Girard-Perregaux芝柏和其所屬的Sowind集團的整個研究開發部門因此全部投入到這一項目中。

比人類頭髮絲還薄的金屬片

這個金屬片比人類毛髮還纖細。其橫截面是方矩形的;厚度僅二十微米;寬度為十分之一毫米;而長度約為二十毫米。這個金屬片是由單晶體硅(採用DRIE生產方式製造)製成的三片式橢圓形零件的一部分,單晶硅支持著金屬片及推動槓桿。這個系統就是擒縱機構的彈簧。

這個彈簧的功能相當於一個微型的能量存貯器。「每次振盪器振動時,他存貯能量,然後釋放微量的能量-小於一微焦。這一能量存貯在擒縱機構的彈簧中,使得他從穩態彎曲到亞穩態,這時他擁有比穩態更高的能量。從前一種狀態向後一種狀態轉化的過程釋放出能量,這些能量用於維持遊絲的振幅從定常態址到能量存完成。」該品牌的發言人解釋道。

這種「恆定」的能量通過帶有兩個不同的槓桿臂的推動槓桿傳遞給擒縱輪。一個臂帶有保護銷(1),而另一個臂控制著兩對紅寶石圓盤釘(2),兩者之間放置著小型的擒縱彈簧片。推動槓桿是用通過LIGA技術(參見關於LIGA的工具條)採用純鎳製成。兩個擒縱輪有六齒,也用硅製成,為了解決磨擦的問題,但他們也可以用純鎳或是用其他傳統金屬製成。至於通過傳遞能量改變金屬片的上弦槓桿,也是用純鎳製成的,還鍍上了黃金。

根據Girard-Perregaux芝柏提供的研究結果。這種新型的擒縱機構「用持續的能量傳遞驅動力」,因此提供了「恆定的振幅和頻率」,而與他接收到的能量的變化無關。(回到跳動的玩具這一例子,以更大或更小的力施加在玩具的金屬片上並不會改變他跳起的幅度。)這種穩定性被進一步強化,因為與傳統的槓桿擒縱機構一樣,這種恆定的擒縱機構在每次振動中提供兩次推動力。(見附圖。)

Girard-Perregaux芝柏的終極目標是逐漸將這一創意整合到他的手錶中,為手錶提供絕對精密的計時性能。研發和測度工作將需要約兩年的時間,之後這種擒縱機構才能投入到商業化應用。從美學的角度來說,他也開創了一個新的紀元,不僅是為將來的錶盤設計可以更加開放地展示整個擒縱機構,從視角表現來說也是一個進步。由硅製成的完美的平面在傳統的制表過程中是很難達到的。而且,他們還提供了非常獨有的彩虹色。從不同的角度去看時會從土耳其藍過渡到深紫。這一效果是由於硅上塗覆的氧化層的原因。
在當代制表業中,硅真正是一個新的領域,這一點毫無疑問。

採用硅擒縱機構生產的Frdrique Constant’s Tourbillon

去年,Frdrique Constant推出了Heart Beat系列的又一款表,內部採用了硅擒縱輪。今年,這個日內瓦的品牌還推出了一隻新的內部設計的陀飛輪表,也集成了同一隻硅擒縱輪。這種創新技術的主要優勢是為陀飛輪帶來更大的能量效率,因為輪子的重量減輕而且磨擦減少。Frdrique Constant能在垂直和水平方向上達到三百度的振幅。而且,這種陀飛輪的振動頻率是每小時四赫茲或是二萬八千八百次每小時。

Extreme LAB, 另一個里程碑

Jaeger-LeCoultre積家的Extreme LAB是第一隻不需要任何潤滑油的手錶。它成功地將不同的材料結合在一起,並採用了不同的表面處理工藝,最終實現了這樣的效果。但是在這隻表內部,僅有擒縱輪是硅質的。而其它部件採用了一些新的幾何形狀設計,以及全系列的新型材料:

- 紅寶石被一種碳氮化合物材料取代
- 支柱與樞軸以經二硫化鉬處理過的軋制鋼製成
- 彩盤用黑色的單晶體鑽石製成
- 支柱的支點以二硫化鉬處理
- 上弦和設時間的機構的組成零件以鎳特氟綸(或是Nickel PTFE)處理
- 陶瓷球軸承確保擺錘的平滑運動
- 擺錘有一個最初的形狀,而且是由兩個截然不同的部件組成:連接件是用碳纖維製成,而各段是由鉑銥合金製成(鉑銥合金是已知的最重的無毒材料)
- 遊絲用鉑銥合金製成
- 陀飛輪的框架由鎂鋁合金製成

DRIE工藝

DRIE(深反應離子蝕刻)工藝是一種硅構零件的生產方法,與機加工,鑽孔等傳統方式完全不同,因為這種零件完全採用「照相」一樣的方法加工而成。

需要生產的零件的圖象被投射到一個圓形的硅晶片上,這張硅晶片直徑一百毫米,僅0.5毫米厚。這種尺寸的晶片可以生產250個齒輪。這種晶片由三層不同的硅組成,中間是分離層。當照片生成後,表面的感光層將被洗去,露出晶片上未暴露的部分。未塗漆的部分被蝕刻到分離層。硅質齒輪隨之以各向同性晶體蝕刻釋放。通過這一流程產生的產品只需要清洗一下表面即可。它們全都一模一樣,不需平衡調整、中心定位或是拋光就可以使用。

DRIE工藝能夠生產出特殊形狀、微小尺寸而且高精度的產品。相比傳統技術,生產公差可以減少一半。

LIGA工藝

LIGA(平版印刷,電鍍和澆鑄的德語縮寫)是一種微型加工工藝,從二十世紀八十年代開始出現,是將平版印刷和電鍍結合起來的一種工藝。它最初用於醫學領域,這種「混合式」技術如今應用於生產高品質、完美表面工藝的微型零件,特別是無缺陷的機芯零件上。它還帶來了各種零件在形狀與功能上的創新的可能。Ulysse Nardin與Sigatec和Mimotec等公司一起為它的Innovision表開發了許多零件,都是採用DRIE 和LIGA工藝來生產的,以獲得硅與鎳的合金零件。

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