Когда археологи будущего станут разбирать артефакты современности, им будет несложно подобрать нашей эпохе яркое название. Можно биться об заклад, что на страницах учебников каменный, бронзовый и железный века сменятся веком кремния.
Кремниевая механика: как достигается атомная точность хода часов
МЭМС-вариант шагового двигателя. Центральное зубчатое колесо здесь выступает в роли ротора, а окружающая рамка является статором.

Сегодня кремний применяется прежде всего в производстве электроники. Но с неменьшим успехом его можно использовать и для изготовления микроскопических аналогов механических устройств: крохотных насосов, наноразмерных шестеренок и невидимых глазу двигателей. Обычно такие изделия содержат электрические компоненты, поэтому их называют микроэлектромеханическими системами (МЭМС).

  • Гаджеты

    LunaR: первые смарт-часы на солнечной батарее

  • Гаджеты

    Время умных

Первые МЭМС появились еще в середине 1980-х, причем не без помощи американских военных, а точнее, знаменитого агентства DARPA. Например, те акселерометры, которые встроены почти в любой современный смартфон, — это, пожалуй, самые растиражированные кремниевые механизмы. Как и традиционные аналоги, они состоят из грузиков и пружин, однако все эти элементы в микроскопической версии делаются из кремния. Другой пример применения МЭМС — так называемые лаборатории-на-чипе, устройства, способные измерять концентрацию биомолекул за счет изменения своих механических свойств.

Зацепляясь друг за друга, внутренние зубцы ротора и пара диаметрально удаленных друг от друга зубцов статора направляют движение только в одну сторону. Чтобы двигатель заработал, нужно пустить на него переменный ток, который подходит по тонким проводам слева и справа.

Есть и более экзотичные примеры. Например, инженеры Сандийских национальных лабораторий в США разработали настоящий оптический затвор, который приводится в движение двумя электромоторами. Там же создали самую маленькую в мире паровую машину, которая состоит из трех цилиндров с поршнями. Вначале в нее по специальным микроканалам подается вода, а затем в дело вступает электронагреватель. Существуют даже МЭМС-шахматы, в которых каждая из фигур оснащена собственным микродвигателем (при том что ширина такой доски составляет менее половины миллиметра). Но если игра в «наношахматы» — идея сомнительной ценности, то в часовом производстве использование кремниевой механики может произвести новую революцию.

Сердце часов

К балансовой пружине, сердцу механических часов, предъявляется такое количество требований, что удовлетворить им до конца не может почти ни один материал. Она должна обладать идеальной эластичностью, то есть после растяжения возвращаться именно в исходное состояние. На упругость пружины не должны влиять ни скачки температуры, ни магнитное поле. Ну и конечно, вариации в толщине пружины настолько вредны для точности хода, что любой ценой должны быть сведены к минимуму.

Всем этим требованиям не удовлетворяет даже элинвар — современный стандарт производства балансовых пружин, а ведь его изобретение было даже отмечено Нобелевской премией. Как и всякий обычный металл, элинвар не имеет жесткой монокристаллической структуры, поэтому необратимо деформируется при каждом растяжении. Наличие в составе сплава железа чревато магнитной чувствительностью: всякий раз, проходя сквозь рамки металлодетекторов или доставая что-то из кармашка на магнитной застежке, вы ухудшаете точность хода часов.

Кремний позволяет решить все эти проблемы: поскольку он получен из единого моно-кристалла, он может сохранять исходную форму при любых растяжениях, сколько бы их ни было. Возможность применения литографии снимает проблему дефектов: все кремниевые пружины можно сделать совершенно одинаковыми с точностью до нанометров. Более того, можно даже специально варьировать толщину пружины таким образом, чтобы компенсировать те эффекты, которые принципиально не могут быть устранены при использовании металла. Что же касается магнитной чувствительности, то у кремния ее просто нет, так что и этот вопрос можно считать закрытым.

Единственная проблема при использовании кремниевых пружин состоит в том, что стоимость таких часов до сих пор была сравнима лишь с высотой Альп и конкретно пика Маттерхорн. В MIDO решили, что это неправильно, и впервые применили кремниевую пружину в часах среднего ценового диапазона. Теперь атомная точность доступна любому энтузиасту тонкой механики.

Статья «Атомная точность» опубликована в журнале «Популярная механика»(№9, Сентябрь 2017).