MEMS時鐘新貴，要革命SiTime

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幾十年來，原子鐘一直是計時最穩定的手段。它們通過與原子共振頻率同步振蕩來測量時間，這種方法非常精確，以至于它成為了定義秒的基礎。

如今，計時領域出現了一位新的挑戰者。研究人員近期開發出一種基于微機電系統（MEMS）的微型時鐘，利用硅摻雜技術實現了創紀錄的穩定性。該時鐘運行8小時后，偏差僅為102納秒，接近原子鐘的標準，同時所需的物理空間和功耗都更小。過去，實現這樣的穩定性一直是一項挑戰，因為即使是微小的溫度變化也會對計時造成干擾。

該團隊上周在第71屆IEEE國際電子器件年會上展示了他們的新型時鐘。

節省空間和電力

這款MEMS時鐘由幾個緊密連接的部件組成，所有部件都集成在一個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，而附近的電子電路則測量這些振動。一個微型內置加熱器將整個結構保持在最佳溫度。由于諧振器、電子電路和加熱器彼此靠近，它們可以作為一個協調的系統工作：諧振器產生定時信號，電子電路監控并調整該信號，而加熱器則防止溫度波動導致時鐘漂移。

項目顧問、密歇根大學微機電系統工程師魯茲貝·塔布里齊安解釋說，這款時鐘有幾個獨特之處。首先，諧振器“在環境變化中極其穩定”，他說。“實際上，你可以將溫度從-40°C一直改變到85°C，而頻率基本上不會發生任何變化。”

塔布里齊安表示，諧振器之所以如此穩定，是因為其所用的硅材料摻雜了磷。摻雜是指在材料中添加雜質，通常是為了改變其導電性能。不過，該團隊此次使用摻雜的目的是為了穩定材料的機械性能。“我們對材料的機械性能進行了非常精確的控制，使其彈性不會隨溫度變化而改變，”他說道。

一些其他材料，例如常用的計時晶體石英，也可以通過摻雜來提高其穩定性。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。半導體制造受益于尺寸小型化”，因此它是下一代時鐘的理想選擇。

摻雜還能使電子元件主動消除長時間內頻率的微小漂移。Tabrizian 表示，這一特性是“我們器件物理特性與以往 MEMS 時鐘相比最顯著的差異”。通過使硅導電，摻雜可以讓電子元件微妙地調節器件的機械驅動強度，從而抵消頻率的緩慢變化。

領導該項目的密歇根大學研究生巴納夫謝·賈巴里表示，該系統獨特之處在于集成了自主溫度傳感和調節功能。 “這個時鐘諧振器本質上以兩種模式（或諧振頻率）運行。時鐘的主模式非常穩定，我們將其用作時間參考。另一種模式是溫度傳感器。”后者就像一個內部溫度計，幫助電子元件自動檢測溫度變化，并調節加熱器和主計時模式本身。這種內置的自校正功能有助于時鐘即使在周圍環境發生變化時也能保持穩定的時間。

這些特性意味著它是首款能夠連續運行 8 小時且誤差僅為 102 億分之一秒的 MEMS 時鐘。線性放大到一周的運行時間，其誤差僅為 2 微秒多一點。雖然這比目前最先進的實驗室原子鐘的誤差還要大幾個數量級，但其穩定性足以媲美微型原子鐘。

此外，MEMS時鐘在空間和功耗方面比原子鐘具有顯著優勢。Tabrizian解釋說，原子鐘與外界環境隔離程度越高，功耗越大，探測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，即使是芯片級原子鐘，體積也比MEMS時鐘大10到100倍。而且，“更重要的是”，這種新型時鐘的功耗僅為微型原子鐘的十分之一到二十分之一。

下一代技術的時間管理

賈巴里的研究源于美國國防高級研究計劃局（DARPA）的一個項目，該項目的目標是制造一個能夠連續運行一周且誤差僅為1微秒的時鐘，因此還有許多工作要做。團隊面臨的挑戰之一是摻雜硅在更長時間（例如一周）運行后的性能表現。“你會看到一些擴散現象和材料的一些變化，”塔布里齊安說，但只有時間才能證明硅的性能究竟如何。

兩位研究人員都認為，繼續這項研究至關重要，因為他們預見到這種小型、節能的基于MEMS的時鐘具有廣泛的應用前景。“我們現有的幾乎所有現代技術都需要某種形式的同步，”賈巴里說道，她認為這種時鐘可以填補目前時間同步方面的空白。

她表示，在技術能夠穩定接入GPS 衛星的情況下，導航技術不存在問題。但在太空探索和水下任務等極端情況下，導航技術就不得不依賴內部計時——而內部計時設備為了保證精度，體積必須非常龐大且耗電。MEMS時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，這項技術還有更多日常應用。未來，當需要更快地將更多信息傳輸到每部手機（或者50年后我們使用的任何設備）時，精確的計時對于數據包傳輸至關重要。“當然，你不可能在手機里裝一個大型原子鐘。那樣會消耗太多電量，”他說道，因此，MEMS時鐘或許能解決這個問題。

即使應用前景廣闊，但由于現有的競爭環境，該項目未來的道路也可能充滿挑戰。SiTime是一家已經生產MEMS 時鐘的公司，目前其芯片已被集成到蘋果和英偉達的設備中。

但塔布里齊安對他的團隊能力充滿信心。“像SiTime這樣的公司非常注重系統設計，”他說道，這反而增加了系統的復雜性。“而我們的解決方案則完全基于物理學，深入研究半導體極其復雜、極其基礎的物理原理。我們試圖通過使諧振器的精度比SiTime的諧振器高100倍，來避免對復雜系統的需求。”

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（來源：編譯自IEEE）

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