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幾十年來，原子鐘一直是計(jì)時(shí)最穩(wěn)定的手段。它們通過與原子共振頻率同步振蕩來測(cè)量時(shí)間，這種方法非常精確，以至于它成為了定義秒的基礎(chǔ)。

如今，計(jì)時(shí)領(lǐng)域出現(xiàn)了一位新的挑戰(zhàn)者。研究人員近期開發(fā)出一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的微型時(shí)鐘，利用硅摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的穩(wěn)定性。該時(shí)鐘運(yùn)行8小時(shí)后，偏差僅為102納秒，接近原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)所需的物理空間和功耗都更小。過去，實(shí)現(xiàn)這樣的穩(wěn)定性一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榧词故俏⑿〉臏囟茸兓矔?huì)對(duì)計(jì)時(shí)造成干擾。

該團(tuán)隊(duì)上周在第71屆IEEE國(guó)際電子器件年會(huì)上展示了他們的新型時(shí)鐘。

節(jié)省空間和電力

這款MEMS時(shí)鐘由幾個(gè)緊密連接的部件組成，所有部件都集成在一個(gè)比方糖表面還小的芯片上。在其中心，一塊覆蓋著壓電薄膜的硅片以其固有頻率振動(dòng)，而附近的電子電路則測(cè)量這些振動(dòng)。一個(gè)微型內(nèi)置加熱器將整個(gè)結(jié)構(gòu)保持在最佳溫度。由于諧振器、電子電路和加熱器彼此靠近，它們可以作為一個(gè)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)工作：諧振器產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，電子電路監(jiān)控并調(diào)整該信號(hào)，而加熱器則防止溫度波動(dòng)導(dǎo)致時(shí)鐘漂移。

項(xiàng)目顧問、密歇根大學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)工程師魯茲貝·塔布里齊安解釋說，這款時(shí)鐘有幾個(gè)獨(dú)特之處。首先，諧振器“在環(huán)境變化中極其穩(wěn)定”，他說。“實(shí)際上，你可以將溫度從-40°C一直改變到85°C，而頻率基本上不會(huì)發(fā)生任何變化?！?/p>

塔布里齊安表示，諧振器之所以如此穩(wěn)定，是因?yàn)槠渌玫墓璨牧蠐诫s了磷。摻雜是指在材料中添加雜質(zhì)，通常是為了改變其導(dǎo)電性能。不過，該團(tuán)隊(duì)此次使用摻雜的目的是為了穩(wěn)定材料的機(jī)械性能?！拔覀儗?duì)材料的機(jī)械性能進(jìn)行了非常精確的控制，使其彈性不會(huì)隨溫度變化而改變，”他說道。

一些其他材料，例如常用的計(jì)時(shí)晶體石英，也可以通過摻雜來提高其穩(wěn)定性。但塔布里齊安解釋說：“石英無法小型化，而且在封裝方面有很多限制。半導(dǎo)體制造受益于尺寸小型化”，因此它是下一代時(shí)鐘的理想選擇。

摻雜還能使電子元件主動(dòng)消除長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)頻率的微小漂移。Tabrizian 表示，這一特性是“我們器件物理特性與以往 MEMS 時(shí)鐘相比最顯著的差異”。通過使硅導(dǎo)電，摻雜可以讓電子元件微妙地調(diào)節(jié)器件的機(jī)械驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，從而抵消頻率的緩慢變化。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的密歇根大學(xué)研究生巴納夫謝·賈巴里表示，該系統(tǒng)獨(dú)特之處在于集成了自主溫度傳感和調(diào)節(jié)功能。 “這個(gè)時(shí)鐘諧振器本質(zhì)上以兩種模式（或諧振頻率）運(yùn)行。時(shí)鐘的主模式非常穩(wěn)定，我們將其用作時(shí)間參考。另一種模式是溫度傳感器?！焙笳呔拖褚粋€(gè)內(nèi)部溫度計(jì)，幫助電子元件自動(dòng)檢測(cè)溫度變化，并調(diào)節(jié)加熱器和主計(jì)時(shí)模式本身。這種內(nèi)置的自校正功能有助于時(shí)鐘即使在周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)也能保持穩(wěn)定的時(shí)間。

這些特性意味著它是首款能夠連續(xù)運(yùn)行 8 小時(shí)且誤差僅為 102 億分之一秒的 MEMS 時(shí)鐘。線性放大到一周的運(yùn)行時(shí)間，其誤差僅為 2 微秒多一點(diǎn)。雖然這比目前最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室原子鐘的誤差還要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但其穩(wěn)定性足以媲美微型原子鐘。

此外，MEMS時(shí)鐘在空間和功耗方面比原子鐘具有顯著優(yōu)勢(shì)。Tabrizian解釋說，原子鐘與外界環(huán)境隔離程度越高，功耗越大，探測(cè)原子振蕩的精度就越高，因此它們通常體積龐大，耗電量也很大。他指出，即使是芯片級(jí)原子鐘，體積也比MEMS時(shí)鐘大10到100倍。而且，“更重要的是”，這種新型時(shí)鐘的功耗僅為微型原子鐘的十分之一到二十分之一。

下一代技術(shù)的時(shí)間管理

賈巴里的研究源于美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是制造一個(gè)能夠連續(xù)運(yùn)行一周且誤差僅為1微秒的時(shí)鐘，因此還有許多工作要做。團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)之一是摻雜硅在更長(zhǎng)時(shí)間（例如一周）運(yùn)行后的性能表現(xiàn)?！澳銜?huì)看到一些擴(kuò)散現(xiàn)象和材料的一些變化，”塔布里齊安說，但只有時(shí)間才能證明硅的性能究竟如何。

兩位研究人員都認(rèn)為，繼續(xù)這項(xiàng)研究至關(guān)重要，因?yàn)樗麄冾A(yù)見到這種小型、節(jié)能的基于MEMS的時(shí)鐘具有廣泛的應(yīng)用前景?！拔覀儸F(xiàn)有的幾乎所有現(xiàn)代技術(shù)都需要某種形式的同步，”賈巴里說道，她認(rèn)為這種時(shí)鐘可以填補(bǔ)目前時(shí)間同步方面的空白。

她表示，在技術(shù)能夠穩(wěn)定接入GPS 衛(wèi)星的情況下，導(dǎo)航技術(shù)不存在問題。但在太空探索和水下任務(wù)等極端情況下，導(dǎo)航技術(shù)就不得不依賴內(nèi)部計(jì)時(shí)——而內(nèi)部計(jì)時(shí)設(shè)備為了保證精度，體積必須非常龐大且耗電。MEMS時(shí)鐘或許可以成為一種體積更小、功耗更低的替代方案。

Tabrizian表示，這項(xiàng)技術(shù)還有更多日常應(yīng)用。未來，當(dāng)需要更快地將更多信息傳輸?shù)矫坎渴謾C(jī)（或者50年后我們使用的任何設(shè)備）時(shí)，精確的計(jì)時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)包傳輸至關(guān)重要?！爱?dāng)然，你不可能在手機(jī)里裝一個(gè)大型原子鐘。那樣會(huì)消耗太多電量，”他說道，因此，MEMS時(shí)鐘或許能解決這個(gè)問題。

即使應(yīng)用前景廣闊，但由于現(xiàn)有的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，該項(xiàng)目未來的道路也可能充滿挑戰(zhàn)。SiTime是一家已經(jīng)生產(chǎn)MEMS 時(shí)鐘的公司，目前其芯片已被集成到蘋果和英偉達(dá)的設(shè)備中。

但塔布里齊安對(duì)他的團(tuán)隊(duì)能力充滿信心。“像SiTime這樣的公司非常注重系統(tǒng)設(shè)計(jì)，”他說道，這反而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。“而我們的解決方案則完全基于物理學(xué)，深入研究半導(dǎo)體極其復(fù)雜、極其基礎(chǔ)的物理原理。我們?cè)噲D通過使諧振器的精度比SiTime的諧振器高100倍，來避免對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的需求?！?/p>

https://spectrum.ieee.org/silicon-clock?utm_source=homepage&utm_medium=hero&utm_campaign=hero-2025-12-17&utm_content=hero4

（來源：編譯自IEEE）

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