兩百年前，機械手表有如今天的微電子技術曾是高科技的象征。至今機械手表的設計與制造也還具有一定的挑戰。這主要是因為要以機械的方法來計時，機械性能必須準確掌握；加之機械手表的器件小、能耗大，制作難度也大。近年來，將MEMS微細加工技術應用于機械手表尤其是擒縱機構零部件的制作引起了極大的關注。其中兩種技術，即基于SU8膠的紫外LIGA技術和深反應離子刻蝕技術得到了廣泛的應用。

　　它們對機械手表的新型機心設計、新材料、新功能的引入產生了很大的促進作用，目前已是高端手表零部件加工制作的優先研究發展方向。本文將分別介紹這兩種技術及其在機械手表制造中的應用，并且指出其當前的存在的問題和今后發展方向。

　　基于SU8膠的紫外LIGA技術

　　基于SU8膠的紫外準LIGA技術是改進了的LIGA技術（后稱UV-LIGA技術），它采用SU8負膠（如Microchem公司的2100、2075 系列）進行傳統的深度紫外線曝光，實現大高寬比微結構的制作，加工厚度可超過1000微米。這一技術大大的降低了工藝設備的成本，是一種很有發展前途的 MEMS制作技術， 因而越來越引起人們的重視。采用UV-LIGA技術進行機械手表零件的制作過程可用圖1來描述。

　　圖1 基于SU8的紫外準LIGA技術制作機械手表零件（1）SU8膠光刻圖案；（2）顯影；（3）電鑄；（4）去膠。

　　與傳統的加工技術相比，UV-LIGA技術具有以下優勢：

　　（1）可精確地制作任意形狀的平面部件： 制作過程中，部件的形狀是由掩模光刻的方式決定，因此各種形狀復雜、結構多變的零件都可以精確地制造出來，其精度也是傳統機械加工方式所不能作到的。這一特性對機械表的設計產生了很大影響，各種創新機構的設計，多功能集成部件都能得以實現。

　　（2）有陡直的側壁和良好的側壁表面光潔度：制作過程中，最終得到的電鑄金屬零件的側壁是通過復制SU8膠結構得到，而SU8膠結構在準紫外光刻下具有良好側壁準直性（89土1℃）和非常光滑的側壁（表面光潔度約20~30納米）。因此，通過這種技術加工得到的零件，如齒輪在相互嚙合和傳動的過程中具有很好的表現，能夠極大的減小摩擦，從而減小能量的損耗。

　　（3）低成本的設備投入：UV-LIGA技術往往被人們稱之為窮人的LIGA，這是因為它所需投入的生產設備成本相對較小，并且不需要使用產生高能量X射線所需的同步輻射裝置，只要普通的紫外光刻設備即可實現。

　　（4）可同時實現多樣化的設計及制作：在手表零件的設計和加工過程中，工程師往往希望通過調整某些設計參數來驗證某一設計。傳統的制作往往需要很多批次的制作來測試，耗時 并且昂貴。使用UV-LIGA技術，一次掩模的設計就可加入多種不同參數的零件，一個批次即可驗證設計的成敗。因此，大大節省了產品開發的時間和成本。

　　（5）批量化制作：由于機械手表機心的零件相對較小，使用6英寸或8英寸的基片，一次就可生產出成百甚至上千個零件，效率很高。

　　Mimotec SA是歐洲第一家采用UV-LIGA技術進行微部件制作的瑞士公司，目前它的產品也主要應用在機械手表領域。以下列舉了幾種通過這項技術制作出來的手表零件。

　　UV-LIGA融合了光刻和電鑄成型技術，是主要的精密加工技術之一。它為精密部件提供了制作的高精度和設計的高自由度。近年來該技術用于手表部件的制作已引起了極大的重視。但是，該技術目前的局限在于微電鑄往往采用鎳材料，它硬度不夠并且有很強的鐵磁性，無法滿足手表機心部件的功能要求。因此，采用合金電鑄對材料加以改性，增加硬度，消除磁性等，成為目前的主要研究方向。

　　香港中文大學精密工程研究中心開發了一種基于鎳磷的合金微電鑄技術，使之具有高硬度、耐磨耗和非磁性等性質，滿足了高質量手表機心部件的要求。相比純鎳材料，鎳磷合金有如下優勢：

　　1）非鐵磁性： 高磷含量的合金（磷重量大于1%）具有非磁性質，而純鎳材料具有很強的鐵磁性；

　　2）高硬度： 純鎳的硬度值在300HV左右，而鎳磷合金的硬度可達到600HV， 經過熱處理，甚至可達到1000HV；

　　3）鎳磷合金還具有很強的耐磨性和良好的摩擦性能。

　　深反應離子刻蝕技術（DRIE）

　　感應禍合等離子體（ICP）進行深度反應刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，縮寫DRIE）是一種新的干法刻蝕技術，能夠將光刻膠圖形高精度的轉移到硅襯底上，具有刻蝕速率高和各向異性刻蝕等優點，是近年來 MEMS制作技術又一重要技術。圖2是DRIE的工藝圖解，圖3是用DRIE制作的若干微結構。

　　圖2 DRIE的干法刻蝕工藝圖解（1）光刻形成圖案；（2）離子深度刻蝕

　　圖3 用DRIE工藝制作出來的硅微結構

　　近年來，DRIE技術也被用來制作機械表心的部件。尤其在擒縱機構中，硅材料的引入帶來許多創新性的設計。因為相比傳統的金屬或者合金材料，硅材料具有下列優點：

　　（1）質量輕，慣量小：因此可用作節能或者抗震要求高的零部件；

　　（2）低摩擦系數：能夠降低傳動過程中的能量損耗；

　　（3）抗磁性：硅是沒有磁性的材料；

　　（4）非常低的熱膨脹系數：相比不銹鋼材料（約10~20 x 10-6/K），單晶硅只是其五分之一（3 x 10-6/K）；

　　（5）較高的模量：相比不銹鋼材料（約190~20O Gpa），硅或碳化硅可達450GPa；

　　（6）硬度高，耐磨損：單晶硅的硬度可達到1000HV以上。

　　另外，掩模光刻技術與DRI E技術的結合，也可以實現在X-Y平面任意形狀的設計，因此越來越多硅的手表零件通過DRIE技術制作出來，圖4是香港中文大學精密工程研究所用DRIE 制作的硅擒縱輪。當然，硅材料相比金屬材料也有一定的缺陷，比如脆性太大、韌性不足 易于斷裂等。因此一些后處理工藝，比如用鍍膜來增加韌性等，正在研究當中。

　　總體而言，硅材料對制作機心部件尤其是擒縱機構或游絲等部件，是一種新型的理想材料。而DRIE技術也發展了相當一段時間，漸趨成熟。不遠的將來，將有更多的應用。

　　綜上所述，將MEMS加工技術應用于機械手表尤其是機心零部件的制作是近年來鐘表業革新的最大動力，已引起了世界各大廠商極大的關注。其中兩種新興技術，UV-LIGA技術和DRIE技術得到了廣泛的應用，它們對機械手表的新設計、新材料、新功能的引入起了很大的促進作用，現已成為高端手表零部件加工制作的優先研究發展方向。當然作為新興技術引入到傳統的機械手表行業，還面臨著很多技術上的困難和問題，例如材料的韌性、可靠性，部件的配合組裝的精度等還要逐步得到解決和完善。