一颗几乎像原子钟一样计时的芯片

数十年来，原子钟一直是最稳定的计时工具。它通过与原子的共振频率同步振荡来测量时间，该方法精度极高，成为了 “秒” 的定义基准。

如今，计时领域迎来了一位新的竞争者。研究人员近期研发出一款基于微机电系统（MEMS）的微型时钟，通过硅掺杂技术实现了创纪录的稳定性。这款时钟连续运行 8 小时后，时间偏差仅为 102 纳秒，在逼近原子钟计时标准的同时，还具备体积小、功耗低的优势。此前，温度的微小波动都会对计时产生极大干扰，这一直是制约此类微型时钟发展的核心难题。

该团队于上周举办的第 71 届 IEEE 国际电子器件会议上，展示了这款新型时钟。

节省空间和电力

这款 MEMS 时钟由多个紧密集成的部件构成，整体封装在一块面积小于方糖表面的芯片上。其核心结构为一块覆盖有压电薄膜的硅片，可按自身固有频率振动；周边的电子电路负责监测这些振动，内置的微型加热器则将整个结构维持在最佳工作温度。由于谐振器、电子电路与加热器紧密贴合，它们能协同工作：谐振器生成计时信号，电子电路实时监测并校准信号，加热器则抑制温度波动引发的计时漂移。

密歇根大学 MEMS 工程师、该项目指导教授 Roozbeh Tabrizian 介绍，这款时钟有多个独特之处。其一，谐振器 “在环境变化时仍能保持极高稳定性”，“即便温度从 - 40°C 骤变至 85°C，其频率也基本不会发生变化”。

谐振器具备如此高稳定性的关键，在于其采用的硅材料经过了磷掺杂处理。Roozbeh Tabrizian 解释道，材料掺杂通常用于改变其导电性能，而该团队的掺杂目的是稳定材料的力学特性。“我们通过精准调控材料力学性能，确保其弹性不会随温度变化而改变”。

像常用的计时晶体石英等材料，虽也可通过掺杂提升稳定性，但 Roozbeh Tabrizian 指出：“石英难以微型化，且在封装方面存在诸多限制。而半导体制造技术天然适配微型化需求，因此成为下一代时钟的理想选择。”

掺杂技术还能让电子电路主动修正时钟长期运行中出现的微小频率漂移。Roozbeh Tabrizian 称，这是 “我们的器件与以往 MEMS 时钟相比，最具辨识度的物理特性”。掺杂使硅具备导电性，电子电路可通过微调器件的机械驱动力强度，抵消频率的缓慢偏移。

该项目负责人、密歇根大学研究生 Banafsheh Jabbari 表示，该系统的独特之处还在于其集成了自主温度检测与调节功能。“这款时钟谐振器具备两种谐振模式，主模式稳定性极强，被用作计时基准；另一种模式则可作为温度传感器。” 这一内置 “温度计” 能帮助电子电路自动检测温度变化，并同步调整加热器功率与主计时模式，实现自我校正，确保时钟在复杂环境中仍能精准计时。

凭借这些特性，该时钟成为首款运行 8 小时偏差仅 102 纳秒的 MEMS 时钟。按线性推算，连续运行一周的偏差仅略超 2 微秒。尽管这与顶尖实验室原子钟相比仍有几个数量级的差距，但已可与微型原子钟的稳定性相媲美。

更重要的是，这款 MEMS 时钟在体积和功耗上较原子钟优势显著。Roozbeh Tabrizian 解释，原子钟要实现高精度原子振荡探测，需与外界环境高度隔离且消耗大量能量，通常体积如柜体般庞大；即使是芯片级原子钟，体积也比这款 MEMS 时钟大 10-100 倍，而新时钟的功耗仅为微型原子钟的 1/10 至 1/20。

下一代技术的计时方案

Banafsheh Jabbari 的研究源自美国国防高级研究计划局（DARPA）的一个项目，该项目目标是研发一款运行一周时间偏差不超过 1 微秒的时钟，目前研发工作仍有待推进。团队面临的挑战之一是掺杂硅在一周等长时间运行下的性能表现。Roozbeh Tabrizian 称：“材料会出现一定的扩散和性能变化，但长期稳定性还需时间验证。”

两位研究者认为，这款小型低功耗 MEMS 时钟应用前景广阔，因此有必要持续推进研发。Banafsheh Jabbari 表示：“几乎所有现代科技都离不开同步计时，这款时钟有望填补当前时间同步领域的诸多空白。”

她指出，在全球定位系统（GPS）信号稳定的场景下，计时不成问题；但在太空探索、水下任务等极端场景中，导航设备只能依赖内部计时系统，而传统高精度内部计时设备往往体积庞大、功耗惊人。MEMS 时钟有望成为这类场景下的理想替代方案。

Roozbeh Tabrizian 还提到了更多日常应用场景。未来，随着设备数据传输速率大幅提升，精准计时对于数据包传输至关重要。“显然，你无法在手机中安装大型原子钟，也无法承受其高功耗，因此 MEMS 时钟或许是最佳答案。”

尽管应用前景乐观，该项目仍面临激烈的市场竞争。SiTime 公司已在生产 MEMS 时钟芯片，其产品目前已应用于 Apple 和 Nvidia 的设备中。

不过 Roozbeh Tabrizian 对团队的技术实力充满信心。他表示：“SiTime 等公司注重系统设计，这会增加系统复杂度。而我们的方案完全基于物理原理，深入研究半导体的基础物理特性，通过将谐振器精度提升至 SiTime 产品的 100 倍，规避了对复杂系统的依赖。”