數(shù)十年來，原子鐘一直是最穩(wěn)定的計時工具。它通過與原子的共振頻率同步振蕩來測量時間，該方法精度極高，成為了 “秒” 的定義基準。

如今，計時領(lǐng)域迎來了一位新的競爭者。研究人員近期研發(fā)出一款基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的微型時鐘，通過硅摻雜技術(shù)實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的穩(wěn)定性。這款時鐘連續(xù)運行 8 小時后，時間偏差僅為 102 納秒，在逼近原子鐘計時標準的同時，還具備體積小、功耗低的優(yōu)勢。此前，溫度的微小波動都會對計時產(chǎn)生極大干擾，這一直是制約此類微型時鐘發(fā)展的核心難題。

該團隊于上周舉辦的第 71 屆 IEEE 國際電子器件會議上，展示了這款新型時鐘。

節(jié)省空間和電力

這款 MEMS 時鐘由多個緊密集成的部件構(gòu)成，整體封裝在一塊面積小于方糖表面的芯片上。其核心結(jié)構(gòu)為一塊覆蓋有壓電薄膜的硅片，可按自身固有頻率振動；周邊的電子電路負責監(jiān)測這些振動，內(nèi)置的微型加熱器則將整個結(jié)構(gòu)維持在最佳工作溫度。由于諧振器、電子電路與加熱器緊密貼合，它們能協(xié)同工作：諧振器生成計時信號，電子電路實時監(jiān)測并校準信號，加熱器則抑制溫度波動引發(fā)的計時漂移。

密歇根大學 MEMS 工程師、該項目指導教授 Roozbeh Tabrizian 介紹，這款時鐘有多個獨特之處。其一，諧振器 “在環(huán)境變化時仍能保持極高穩(wěn)定性”，“即便溫度從 - 40°C 驟變至 85°C，其頻率也基本不會發(fā)生變化”。

諧振器具備如此高穩(wěn)定性的關(guān)鍵，在于其采用的硅材料經(jīng)過了磷摻雜處理。Roozbeh Tabrizian 解釋道，材料摻雜通常用于改變其導電性能，而該團隊的摻雜目的是穩(wěn)定材料的力學特性。“我們通過精準調(diào)控材料力學性能，確保其彈性不會隨溫度變化而改變”。

像常用的計時晶體石英等材料，雖也可通過摻雜提升穩(wěn)定性，但 Roozbeh Tabrizian 指出：“石英難以微型化，且在封裝方面存在諸多限制。而半導體制造技術(shù)天然適配微型化需求，因此成為下一代時鐘的理想選擇。”

摻雜技術(shù)還能讓電子電路主動修正時鐘長期運行中出現(xiàn)的微小頻率漂移。Roozbeh Tabrizian 稱，這是 “我們的器件與以往 MEMS 時鐘相比，最具辨識度的物理特性”。摻雜使硅具備導電性，電子電路可通過微調(diào)器件的機械驅(qū)動力強度，抵消頻率的緩慢偏移。

該項目負責人、密歇根大學研究生 Banafsheh Jabbari 表示，該系統(tǒng)的獨特之處還在于其集成了自主溫度檢測與調(diào)節(jié)功能。“這款時鐘諧振器具備兩種諧振模式，主模式穩(wěn)定性極強，被用作計時基準；另一種模式則可作為溫度傳感器。” 這一內(nèi)置 “溫度計” 能幫助電子電路自動檢測溫度變化，并同步調(diào)整加熱器功率與主計時模式，實現(xiàn)自我校正，確保時鐘在復雜環(huán)境中仍能精準計時。

憑借這些特性，該時鐘成為首款運行 8 小時偏差僅 102 納秒的 MEMS 時鐘。按線性推算，連續(xù)運行一周的偏差僅略超 2 微秒。盡管這與頂尖實驗室原子鐘相比仍有幾個數(shù)量級的差距，但已可與微型原子鐘的穩(wěn)定性相媲美。

更重要的是，這款 MEMS 時鐘在體積和功耗上較原子鐘優(yōu)勢顯著。Roozbeh Tabrizian 解釋，原子鐘要實現(xiàn)高精度原子振蕩探測，需與外界環(huán)境高度隔離且消耗大量能量，通常體積如柜體般龐大；即使是芯片級原子鐘，體積也比這款 MEMS 時鐘大 10-100 倍，而新時鐘的功耗僅為微型原子鐘的 1/10 至 1/20。

下一代技術(shù)的計時方案

Banafsheh Jabbari 的研究源自美國國防高級研究計劃局（DARPA）的一個項目，該項目目標是研發(fā)一款運行一周時間偏差不超過 1 微秒的時鐘，目前研發(fā)工作仍有待推進。團隊面臨的挑戰(zhàn)之一是摻雜硅在一周等長時間運行下的性能表現(xiàn)。Roozbeh Tabrizian 稱：“材料會出現(xiàn)一定的擴散和性能變化，但長期穩(wěn)定性還需時間驗證。”

兩位研究者認為，這款小型低功耗 MEMS 時鐘應用前景廣闊，因此有必要持續(xù)推進研發(fā)。Banafsheh Jabbari 表示：“幾乎所有現(xiàn)代科技都離不開同步計時，這款時鐘有望填補當前時間同步領(lǐng)域的諸多空白。”

她指出，在全球定位系統(tǒng)（GPS）信號穩(wěn)定的場景下，計時不成問題；但在太空探索、水下任務(wù)等極端場景中，導航設(shè)備只能依賴內(nèi)部計時系統(tǒng)，而傳統(tǒng)高精度內(nèi)部計時設(shè)備往往體積龐大、功耗驚人。MEMS 時鐘有望成為這類場景下的理想替代方案。

Roozbeh Tabrizian 還提到了更多日常應用場景。未來，隨著設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提升，精準計時對于數(shù)據(jù)包傳輸至關(guān)重要。“顯然，你無法在手機中安裝大型原子鐘，也無法承受其高功耗，因此 MEMS 時鐘或許是最佳答案。”

盡管應用前景樂觀，該項目仍面臨激烈的市場競爭。SiTime 公司已在生產(chǎn) MEMS 時鐘芯片，其產(chǎn)品目前已應用于 Apple 和 Nvidia 的設(shè)備中。

不過 Roozbeh Tabrizian 對團隊的技術(shù)實力充滿信心。他表示：“SiTime 等公司注重系統(tǒng)設(shè)計，這會增加系統(tǒng)復雜度。而我們的方案完全基于物理原理，深入研究半導體的基礎(chǔ)物理特性，通過將諧振器精度提升至 SiTime 產(chǎn)品的 100 倍，規(guī)避了對復雜系統(tǒng)的依賴。”