微型MEMS時(shí)鐘逼近原子鐘!

在時(shí)間計(jì)量領(lǐng)域，研究人員近期開發(fā)出一款微型微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems）時(shí)鐘，其穩(wěn)定性已接近傳統(tǒng)原子鐘。這一技術(shù)突破有望改寫未來的時(shí)間同步技術(shù)格局。

該款時(shí)鐘基于硅摻雜技術(shù)設(shè)計(jì)，連續(xù)運(yùn)行八小時(shí)后，時(shí)間偏差僅為 102 納秒，凸顯出其在設(shè)備小型化與低功耗方面的顯著優(yōu)勢。

這款微機(jī)電系統(tǒng)時(shí)鐘的核心部件是一塊覆蓋壓電薄膜的硅板，該硅板可按自身固有頻率振動，周邊搭載的電子電路則負(fù)責(zé)對振動頻率進(jìn)行精準(zhǔn)測量。時(shí)鐘內(nèi)置的微型加熱器能使整體結(jié)構(gòu)始終處于最佳工作溫度，這種設(shè)計(jì)讓振蕩器、電子元件與加熱器實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)作，從而有效降低由環(huán)境變化引發(fā)的時(shí)間漂移現(xiàn)象。

密歇根大學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)工程師魯茲貝?塔布里齊安（Roozbeh Tabrizian）指出，該時(shí)鐘的振蕩器在復(fù)雜環(huán)境變化中展現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，即便在零下 40 攝氏度至 85 攝氏度的寬溫區(qū)間內(nèi)，性能也幾乎無波動。這一穩(wěn)定性得益于硅摻雜技術(shù) —— 通過在硅材料中摻入特定雜質(zhì)，可穩(wěn)定其機(jī)械性能，進(jìn)而確保材料在溫度變化時(shí)維持穩(wěn)定的彈性模量。

此外，該時(shí)鐘還具備自動溫度感應(yīng)與校準(zhǔn)功能，能夠根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱器功率與核心計(jì)時(shí)模式，這也是它能成為首款實(shí)現(xiàn) “八小時(shí)運(yùn)行偏差僅 102 納秒” 的關(guān)鍵原因。若按此偏差比例推算，連續(xù)運(yùn)行一周的漂移量僅為 2 微秒。盡管其精度仍不及實(shí)驗(yàn)室高端原子鐘，但已與小型化原子鐘的穩(wěn)定性水平十分接近。

這款微機(jī)電系統(tǒng)時(shí)鐘的體積與功耗優(yōu)勢十分突出：相較于傳統(tǒng)原子鐘，其體積僅為前者的十分之一至二十分之一，功耗也大幅下降。該技術(shù)源自美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）的一項(xiàng)科研項(xiàng)目，該項(xiàng)目的核心目標(biāo)是研發(fā)出 “連續(xù)運(yùn)行一周、時(shí)間偏差不超過 1 微秒” 的高精度時(shí)鐘。未來，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，尤其適用于對時(shí)間同步精度有嚴(yán)苛要求的現(xiàn)代科技領(lǐng)域。

在太空探索、水下作業(yè)等極端環(huán)境中，這款微機(jī)電系統(tǒng)時(shí)鐘有望成為傳統(tǒng)設(shè)備的小型化、低功耗替代方案，解決當(dāng)前在全球定位系統(tǒng)（GPS）信號缺失場景下的時(shí)間計(jì)量難題。隨著技術(shù)的持續(xù)迭代升級，它還可能在民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，尤其是在未來需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母黝惤K端設(shè)備中。盡管面臨賽特時(shí)（SiTime）等企業(yè)的市場競爭，塔布里齊安仍對團(tuán)隊(duì)的技術(shù)實(shí)力充滿信心，他認(rèn)為團(tuán)隊(duì)的解決方案依托扎實(shí)的物理原理，具備先天的性能優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的計(jì)時(shí)精度。

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