MEMS计时芯片，一周计时漂移仅略超2微秒

长期以来，原子钟一直是人类掌握的稳定性最强的计时工具。它通过与原子共振频率保持同步振荡来计量时间，这种计时方法的精准度极高，秒的定义正是基于此而确立。

如今，计时领域迎来了一位全新的挑战者。研究人员近期研发出一款基于MEMS的微型时钟，该时钟借助硅掺杂技术，实现了前所未有的稳定性能。在连续运行 8 小时的测试中，其计时偏差仅为 102 纳秒，不仅逼近原子钟的精度水准，还兼具体积小巧、功耗更低的优势。此前，微小的温度波动就会严重干扰计时稳定性，因此研发此类高精度微型时钟曾是一大技术难题。

节省空间与功耗

这款MEMS时钟由数个紧密相连的部件构成，所有组件均集成在一块体积小于方糖的芯片上。其核心部件是一块表面覆盖压电薄膜的硅片，该硅片会以自身固有频率振动，周围的电子电路则负责对振动频率进行测量。芯片内置的微型加热器可将整个系统精准维持在最佳工作温度。由于谐振器、电子电路与加热器高度集成、紧密配合，三者能够形成协同工作的系统：谐振器产生基准计时信号，电子电路对信号进行实时监测与校准，加热器则有效抑制温度波动引发的计时漂移。

该研究项目的学术顾问、美国密歇根大学MEMS工程师鲁兹贝・塔布里齐安（Roozbeh Tabrizian）表示，这款时钟在多个方面具备独特性。它的谐振器 “在复杂多变的环境中仍能保持极高稳定性”。即便将温度从零下 40 摄氏度调整至零上 85 摄氏度，谐振器的振动频率也基本不会发生任何变化。

谐振器之所以拥有如此出色的稳定性，核心原因在于其基底硅材料采用了磷掺杂工艺。在半导体制造中，掺杂是指向材料中引入杂质，通常用于改变材料的导电性能。但在本研究中，团队创新性地将掺杂技术用于稳定材料的机械性能。塔布里齐安表示：“我们通过极其精密的手段对材料的力学特性进行调控，确保其弹性模量不会随温度变化而改变。”

部分其他常用计时材料（如广泛应用的石英晶体）也可通过掺杂工艺提升稳定性。但塔布里齐安解释称：“石英晶体难以实现微型化，且在封装环节存在诸多限制。而半导体制造工艺的核心优势之一就是支持器件微型化”，因此，以半导体为基底的计时芯片成为下一代计时设备的理想之选。

此外，掺杂工艺还赋予电子电路一项关键能力，可主动消除谐振器在长时间运行过程中出现的微小频率漂移。塔布里齐安强调，这一特性是 “相较于传统MEMS时钟，我们这款器件在物理机制上最显著的创新点”。掺杂处理使硅材料具备导电性，电子电路可据此微调谐振器的机械驱动强度，从而抵消频率的缓慢偏移。

该研究项目的负责人、密歇根大学研究生巴娜芙诗・贾巴里（Banafsheh Jabbari）表示，这款时钟的另一大独特之处在于集成了自主温度传感与调节功能，“这款时钟的谐振器实际上具备两种振动模式（即两种谐振频率）。其中主振动模式的稳定性极高，被用作核心计时基准；另一种振动模式则承担温度传感器的功能。” 后者如同内置温度计，可协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振动模式的参数。这种内置的自校准机制，使时钟即便在复杂多变的外界环境中，也能始终维持稳定的计时精度。

上述特性共同促成了一项里程碑式的突破：这款MEMS时钟成为全球首款在连续运行 8 小时后，计时偏差仅为102 纳秒的产品。若按线性关系推算，其一周内的累计计时漂移仅略超 2 微秒。这一精度虽与顶尖实验室级原子钟仍有数个数量级的差距，但已可与微型化原子钟相媲美。

更重要的是，相较于原子钟，这款MEMS时钟在空间占用与功耗控制方面拥有显著优势。塔布里齐安解释道，原子钟与外界环境的隔离程度越高、功耗越大，其探测原子振荡的精度就越高。因此，传统原子钟的体积通常堪比一台橱柜，且功耗巨大。即便是芯片级原子钟，其体积也是这款MEMS时钟的10至100倍。更关键的是，这款新型时钟的功耗仅为微型原子钟的十分之一到二十分之一。

面向下一代技术的计时方案

这项研究源于美国国防高级研究计划局（DARPA） 的一个科研项目，该项目的目标是研发出一周内计时漂移不超过 1 微秒的时钟。对比当时制定的目标，这款新型时钟的研发仍有进一步优化的空间。目前，研究团队面临的一大挑战是，掺杂硅材料在长时间运行（如一周）后的性能表现。塔布里齐安表示：“我们观察到材料内部会出现一些扩散现象与性能变化，但这种变化的长期影响究竟如何，仍需时间来验证。”

两位研究者均认为，持续推进该项目的研发至关重要，因为这款小型化、低功耗的MEMS时钟拥有极为广阔的应用前景。贾巴里说：“几乎所有现代科技设备都离不开时间同步技术”，而这款时钟有望填补当前时间同步领域存在的诸多空白。

在能够稳定接收全球定位系统（GPS）卫星信号的场景下，时间同步问题无需担忧。但在太空探索、水下探测等极端应用场景中，导航系统只能依赖设备内置的计时模块，而这类传统内置计时模块往往体积庞大、功耗惊人，才能满足精度要求。这款MEMS时钟则可作为更小巧、更节能的替代方案。

该技术同样具备丰富的民用日常应用场景。未来，随着手机等各类智能终端设备数据传输速率与数据量的大幅提升，精准计时将成为保障数据包高效传输的关键技术。“显然，我们不可能在手机里塞进一台体积庞大的原子钟，也无法承受其高昂的功耗”，因此，这款MEMS时钟或将成为理想的解决方案。

尽管应用前景广阔，但该项目的商业化之路仍面临激烈的市场竞争。目前，SiTime公司已实现MEMS时钟的量产，其产品甚至已被集成到苹果、英伟达等企业的设备中。

不过，塔布里齐安对团队的技术实力充满信心。他表示：“SiTime等企业的产品设计过于依赖复杂的系统架构，这不可避免地导致系统复杂度攀升。而我们的解决方案则完全基于物理机制的创新，深入挖掘半导体材料本身的微观物理特性。通过将谐振器的精度提升至SiTime同类产品的100倍，我们成功绕开了对复杂系统架构的依赖。”