[技术前沿]用微机电系统制造更好的手表

新型手表电机技术试图超越智能手表。 

半个多世纪以来，一直是计时市场支柱的指针式石英手表终于要进行高技术改造了？法国贝桑松的初创公司SilMach正在大力推进这一进程。该公司表示，他们使用硅微机电系统（MEMS）生产了一种用于指针式手表的全新手表电机，与目前手表中使用的标准步进电机相比，其尺寸缩小一半，效率大约是前者的3倍。

图中这款新手表上，印刷电路板的灰色薄片是法国初创公司SilMach设计的微机电电机。一个薄片移动手表的分针，另一个薄片移动时针。

在当今这个智能手表的时代，指针式手表真的可行吗？

了解一下现实情况。根据研究公司Gitnux搜集的数据，近年来，指针式石英手表实际上占据了传统手表市场近3/4的份额，2023年，其整体市值约为660亿美元，估计略高于全球智能手表市场。

但是，当今的指针式石英手表在技术上与第一款石英表相比没有变化。57年前，瑞士财团和日本钟表制造商精工株式会社推出第一款石英表。这些手表与今天的手表一样，使用一种名为拉维特（Lavet）的同步直流步进电机，该电机由法国工程师马里乌斯•拉维特（Marius Lavet）于1936年发明。

1996年，法国工程师帕特里斯•米诺蒂（Patrice Minotti）在东京领导法国国家科学研究中心和东京大学的一个联合实验室，抓住了使用硅微机电系统制造手表电机的想法。米诺蒂在一封电子邮件中写道：“我个人受到了第一台集成电路静电式电机的启发，第一台基于集成电路的微机电系统电机是（加州大学伯克利分校的）理查德•穆勒（Richard Muller）几年前发明的。虽然它是一个令人赞叹的实验室演示品，但到目前为止，它还不能驱动手表的指针……而我设想了一种新的微机电系统电机架构，它能够大幅提高当前最先进的静电微机电电机的驱动扭矩。”

该团队研究的微机电系统采用的是梳状驱动式致动器。要理解其工作原理，可以设想两个梳齿间隔很大的梳子，它们面对面摆放，梳齿交错。施加在每个梳子上的电压产生静电吸引力或排斥力，使得两个梳子相互靠近或远离。移动的梳子与杠杆和曲轴连接，实现旋转运动。

一个巨大的挑战是需要2000个这样的梳子，才能产生足够的扭矩来直接移动手表的指针，而不用任何齿轮装置。此外，还有一个难点：需要利用3伏手表电池产生110伏信号，为静电梳状驱动器供电。目前的微机电电机是通过仅占用2平方毫米的专用集成电路来实现这种转换的。SilMach的联合首席执行官皮埃尔-弗朗索瓦•卢维涅（Pierre-François Louvigné）表示，该装置的开发始于2012年，共耗费了近10年时间。

卢维涅说，2018年，该公司与手表制造巨头天美时集团成立了一家名为TiMach的合资企业。天美时提供专业知识，调整微机电电机设计形式，易于手表制造商生产制造。他们目前的形式是，电机（每根手表指针一个）和手表的所有其他部件都可直接焊接在一个安装于表面的印刷电路板上。

这种紧凑性和易集成性对混合式智能手表制造商尤其有利，例如西铁城、Fossil、佳明、诗格恩和Withings等。这些手表具有智能手表的许多功能，例如脉搏和睡眠监测、健身跟踪、蓝牙通信、信息显示等，也像传统的指针式手表一样有指针，当然，也有电机。混合式手表由于必须将电机与各种电子传感器和显示器结合起来，因此其尺寸一般很大，表壳内的空间往往很挤。

SilMach很看好这些混合式智能手表市场的扩张，其电机非常适合这些手表。“在一款典型的混合式智能手表中，拉维特电机占据了表壳内部70%的空间。”SilMach公司的另一位联合首席执行官让-巴普斯蒂特•卡尔内（Jean-Baptiste Carnet）说。他指出，因此，微机电电机的尺寸越小，意味着有越多的空间来容纳其他电子元件和传感器。或者，最终可制成足够小巧的手表，适合一般粗细手腕的人佩戴。

此外，微机电电机可以直接与其他电子元件集成，因此制造更简单。卢维涅表示：“我们认为所有的手表、可穿戴设备都将实现完全电子化。”

最近，首款使用了新电机的手表TimeChanger在Kickstarter上以1850欧元的价格推出了限量版。截至发稿时，TimeChanger仍可购买，2024年1月初，在拉斯维加斯举行的消费电子展（CES）上，该手表获得了2024消费电子展最佳创新奖，提高了知名度。

作者：Glenn Zorpette