機芯（movement 或 caliber）是手錶、懷錶及時鐘等計時裝置的運作心臟。但在許多介紹腕表的文章中，多半只會列出三種類型：手動（上鍊）機械，自動（上鍊）機械，以及石英機芯。
其實在歷史和科技發展過程中，腕表機芯的種類並不僅如此，只不過許多因為可靠度、經濟性和時代潮流等問題而消失，這和許多科技產品如相機、汽車並無不同。鐘錶機芯的基本原理，皆為透過某種具有規律震盪效應的裝置，來盡可能可靠地控制指針或顯示器的走速，讓它們在一段時間內能維持大致準確的速度，但你能看到人們嘗試用不同的方式來實現之。
本文主要參考來源為日本國立科學博物館的日本產業技術史資料中心製作於 2017 年的報告：鐘錶技術的系統化調查，以及其他網路資料，包括 Electric Watches。
機械機芯（mechanical movement）
具備擒縱機構（escapement）的機械鐘可追溯自 13 和 14 世紀。16 世紀起人們開始嘗試將時鐘縮小來攜帶，其精密零件必須手工製造，使之成為首飾般的奢侈品。唯獨懷錶無法像大型鐘一樣使用重力當動力，必須使用發條（發明於 15 世紀早期），但發條的鬆開速度又難以穩定控制，當然也不能使用鐘擺作為震盪器。早期曾使用稱為 fusée、俗稱寶塔輪的錐形滑輪，來隨著發條放開的時間逐漸調整其速度。
直到 17 世紀發明了帶有游絲（balance spring 或 hairspring）的擺輪（balance），令計時精準度大幅提高，也確定了現今為止機械鐘錶的基本結構。第一次世界大戰的需求則促使懷錶縮小為可配戴的腕錶，替現代手錶鋪路。
在機械機芯中，一連串齒輪構成傳動輪系（gear train），將發條動力依序傳遞：
- 主發條盒（mainspring barrel）
- 第二輪（second wheel）或中央輪（center wheel）；時針和分針安裝處
- 第三輪（third wheel）或中間輪（intermediate wheel）
- 第四輪（forth wheel）或秒針輪（seconds wheel）；秒針安裝處
- 擒縱輪（escape wheel）
- 擒縱叉（pallet fork/lever）
- 擺輪
較早期的機械機芯使用小秒針，也就是秒針位於六點鐘方向的小圓盤。但 1950 年代後開始流行大三針（秒針位於中央，國外稱 sweeping second），使得輪系排列方式也產生改變。
主發條盒將動力一路傳遞到擒縱輪，而擺輪靠著游絲的彈性，本身即會以特定頻率來回轉動，帶動擒縱叉（pallet fork/lever）的左右擺動。擒縱叉會限制擒縱輪的轉速，而擒縱輪轉動時也會回頭推動擒縱叉，使擺輪得以持續擺動。
歷史上擒縱系統的設計很多，這裡就不多討論。如今普遍使用的是槓桿式擒縱（lever escapement），而十九世紀中至二十世紀初的懷表常使用圓柱式擒縱（cylinder escapement）。
取決於設計，擺輪的頻率通常是 3 或 4 赫茲（Hz），至高可至 10 Hz。擺輪推動擒縱叉時即會發出機械錶特有的滴答聲。若擺輪以 3 Hz 運作，那麼擒縱輪以及錶面上的秒針每秒會移動 6 次，等於每小時 21,600 次（21,600 bph 或 vph）。
擺輪通常附有用來微調走速的機制，最常見的形式是快慢針（regulator）和游絲樁（stud）。早期擺輪會有安裝於擺輪環上的砝碼。如今機械錶的誤差至多為每日正負三、四十秒之內，高檔機芯則可在正負五秒之內。雖然看似精確度遠遠不如石英錶，但其精巧的機械工藝特質仍使它在 1990 年代重燃喜愛。
機械計時機芯
機械式的計時錶（chronograph）複雜且精巧，因此經常被愛好者視為更上一層的工藝品。這種機芯看來十分複雜，但實際上就是在正常的機械機芯之上加上一層類似碼錶的機械計時機制：
- 驅動輪（driving wheel）連在第三輪上，並連到耦合輪（coupling wheel），兩者會靠著機芯而持續轉動。
- 按下啟動鈕後，耦合輪會被推向滑動齒輪（sliding gear），後者會帶動計時秒針走動。
- 再按一次啟動鈕，耦合輪會被推開，停止計時。
- 若按下重設鈕，稱為擊錘（hammer）的槓桿會將滑動齒輪（以及計時分鐘輪、小時輪等）推回預設位置，使計時針立刻歸零。各輪上有一個心形凸輪（heart-shaped cam），使之在被推動時一定會轉回特定位置。
移動耦合輪的離合機制則主要有兩種：槓桿凸輪（cam）或導柱輪（column wheel），但其最終效果是類似的。
有些計時機芯也具備進一步的計時功能，如有紀錄經過分鐘或小時的小指針，或者有追針（split second），也就是有兩根以上的秒針來測量多重時間。
上鍊機制
上鍊（winding）是將發條重新轉緊的機制：
- 手動上鍊（manual winding）：通常是透過拔出的龍頭（crown）來轉緊發條。
- 自動上鍊（automatic winding）或自行上鍊（self-winding）：機芯背面一個可 360 度旋轉的擺陀（rotor）連接到發條盒，順著配戴者的日常動作而轉動，藉此慢慢轉緊發條。現在多數機芯都可雙向自動上鍊，但也有的可能只能在順時鐘或逆時鐘轉動時上鍊。
現今大部分的機械錶發條可提供約 40 至 48 小時的動力，有的可達 72 或 80 小時，有些則可長達十日。
自動上鍊錶常被簡稱為自動錶（automatic），給人一種錶會自動保持持續運作的錯覺。但事實是，你可能需要每天配戴自動錶十個小時以上並有足夠的活動，才能讓擺陀施加充足的上鍊效果。現代人不見得會戴那麼久，所以偶爾使用手動上鍊、甚至用自動上鍊機是必須的。
電子式機芯（electric movement）
電子式機芯（別跟石英機芯混淆）出現於 1950 年代末期，和機械機芯一樣有擺輪、游絲和擒縱叉，但不再是由發條傳遞動力，而是由電磁線圈對擺輪或擒縱叉施加電磁效應，並從反方向帶動其餘輪系。
換句話說：機械機芯以發條為動力，以擺輪控制走速。在電子式機芯上，擺輪同時扮演動力跟走速控制。
就我能找到的資訊，電子式機蕊的形式包括：
- 可動線圈式：擺輪上裝有線圈，來回經過一個固定磁鐵。
- 可動磁鐵式：雙層擺輪，上下各裝有一個磁鐵，來回經過一個固定線圈。
- 可動鐵片式：擺輪為鐵製，由外部線圈推動，或一部分為鐵製，在擦過線圈時形成迴路產生電磁效應。
- 擒縱叉驅動式：擒縱叉上裝有磁鐵，由外部線圈推動。
電磁線圈需要不斷切換電流方向來改變磁場，較早期會使用實體金屬接點（極易磨損並易產生火花），後來使用以電晶體控制的第二組線圈來「遠端」控制。有些更罕見的會使用石英震盪器，但設計上仍屬電子式。
據說這類錶的電池壽命約在六個月至一年之間，擺輪振頻以及秒針的移動方式亦與機械錶相當（因此每日誤差也類似）。
長期可靠性以及易受外部電流、磁場影響是其最大的缺點。總歸來說，在更省電和更精準的石英錶出現後，電子式機芯便從歷史中消失。
音叉機芯（tuning fork movement）
算是電子式機芯的一種，但改用音叉作為震盪器（頻率介於 300 至 720 Hz），並以連接在音叉的小桿推動齒輪。音叉頭周圍有電磁線圈，以便啟動音叉的震動。由於振頻很高，因此秒針看起來會平順地移動。
音叉機芯更加精準（每日誤差正負約 2 秒），會嗡嗡作響而不是發出滴答聲，但不耐衝擊。同樣的，它們只在 1960 至 70 年代出現，如今除了 Bulova 的復刻型號外已經也沒人做了。
石英機芯（quartz movement）
使用石英震盪器（一般為 32,768 Hz），一般會透過除頻器將如此高的振頻降低為 1 Hz，再以電磁線圈控制的步進馬達驅動輪系。這便是為何石英錶的秒針會一秒一秒跳。（一秒一秒跳比起讓秒針平順一動，也有省電的好處。）
石英錶比機械機芯更加準確，同時便宜且輕薄。石英震盪器──經常做成音叉形──配上更省電的電晶體，電池可使用約 2 到 3 年（使用更大的電池時可達 10 年），且在搭配溫度補償機制下，精準度高且穩定，可達每日誤差正負 0.2 至 0.5 秒；但一般會說每月誤差正負 10 至 15 秒內。
其實，一開始的石英錶價格極為昂貴，但在 1970 年代中期開始降低成本後，於 1980 年代幾乎取代了市場上所有機芯。石英機芯的廉價化也使得它們漸漸不再安裝人造寶石來減少磨損。而日本石英錶的大量出現所帶來的石英危機重創和改變了瑞士鐘錶業，也改寫了如今機械錶的市場定位。
如同電磁錶，石英錶主要使用鈕扣電池為動力，需打開背蓋更換，而其難度以及電池型號皆取決於錶的設計。此外，石英也會隨時間老化，而有些較昂貴的型號會對此做處理來減少老化速度。
數位石英錶
若讓石英震盪器改成控制數字 LED 顯示器或液晶螢幕來顯示數字，就成了數位錶。數位錶不再需要齒輪之類的機械零件，且拜新的體積電路技術之賜，甚至可以廉價得多的成本整合進許多新功能 — — 萬年曆，多時區，鬧鈴，計時與倒數，甚至電話簿和計算機等。
一隻便宜的數位錶，擁有的功能能輕易超越價格數倍或數十倍之多的類比錶，但外觀上自然無法相提並論。單純就實用性來說無錶可出其右，但是現今對一些人來說，數位錶也反而具有 1980 或 90 年代的復古魅力。
有些現代石英錶為類比與數位混和式，同時有類比指針及 LCD 顯示器。
發電與充電方式
除了使用需要替換的電池，以下是一些石英錶上存在的特殊發電或充電機制：
- 手動發電：有如對手動機械錶轉動龍頭上鍊，但改連接到發電機來對充電電池充電。
- 使用人動電能（kinetic）：用和自動上鍊機械錶一樣的擺陀，靠人體動能發電。
- 使用熱電效應：靠體溫發電。
- 太陽能發電：錶面裝有太陽能電池，在光線下即可充電。
太陽能電池充滿可使用超過半年，雖然不若普通電池長，但減少了臨時需要更換電池的困擾。目前除了太陽能（Citizen 稱為 Eco-Drive 或光動能）以外的方式，已經很少有人使用。Seiko 的 Premier 系列仍使用人動電能機芯。
自動校時機制
即使是石英錶，長期使用也會產生誤差。因此，一些石英錶附加了可自動校時的設計：
- 電波對時：自動接收類似廣播的電波塔訊號，而電波塔的時間依據原子鐘。缺點是收訊取決於地區及支援的電波塔，且在室內容易收訊不佳。
- GPS 對時：自動接收 GPS 訊號來校正時間，GPS 衛星本身也帶有原子鐘。缺點是 GPS 錶一般較為昂貴。
- 藍芽對時：錶可連上手機 app 並跟手機同步時間。（手機則透過電信網路取得 NTP 時間，同樣由原子鐘提供。）
像是 Casio 的藍芽錶亦允許使用者以手機 app 控制和設定錶上的功能，甚至可回頭提供如「尋找我的手機」功能等。
Meca-quartz 計時機芯
這種計時機芯的時間功能為石英式，但計時模組為機械式，是曾經流行過的混和式機芯。和傳統純機械式計時機芯相比，具有便宜得多、尺寸更薄、更精準可靠的優點。
從網路上的拆解影片來看，meca-quartz 的計時指針仍是靠石英震盪器及電磁鐵驅動，只不過啟動和重設的機制和機械計時機芯類似（有機械手感，且計時秒針可以立刻跳回，而非平順轉回去）。所以原則上來說，meca-quartz 本質上仍是石英錶。
使用 meca-quartz 的錶款現在仍有人生產（如 Seiko VK63/8T63 機芯），但很少會特別標示。
Seiko Spring Drive
Seiko 的 Spring Drive 是一種獨特的機械與石英混合機芯：它和機械錶一樣以發條提供動力，但將控制秒針轉速的擒縱輪換成一個轉輪（rotor）或導輪（glide wheel）。導輪一樣會由發條轉動，其轉速卻改用以石英震盪器控制的電磁鐵來限制速度（每秒 8 圈），使秒針表現出完全平順的移動。
在發條驅動下，導輪也負責發電和替電子部分供電（因此在剛開始上鍊後，秒針會轉得很快，然後電子部分才會啟動和限速）。因此，Spring Drive 不需要電池，而是像機械錶一樣上鍊即可，儘管其震盪器是石英系統。
Spring Drive 的精準度相當於一般石英錶，但價格也較多數機械機芯更高，現只用於 Seiko 最高階的 Grand Seiko 產品線。
智慧錶
智慧錶算不算傳統概念上的手錶呢？有些人不太認同，但它們同樣符合穿戴式計時裝置的定義。智慧錶本質更接近手機和電腦，有觸控式螢幕和使用鋰電池，且具網路通訊能力，自然也能透過 NTP 協定自動校時。而你可以透過 app 顯示類似傳統手錶的錶面，有些智慧錶確實也會特意做成圓形。
Apple Watch 的電池可用約 18 小時；智慧錶需要持續充電是其一個小缺點。它的處理器就和任何電腦或微控制器一樣，使用石英震盪器來控制速度的電晶體，雖然頻率極高，但也頗易受溫度影響。它們在不倚賴 NTP 對時的前提下，晶片自身的走時精準度可能仍差石英機芯一截哩。
