MEMS时钟新贵，要革命SiTime

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几十年来，原子钟一直是计时最稳定的手段。它们通过与原子共振频率同步振荡来测量时间，这种方法非常精确，以至于它成为了定义秒的基础。

如今，计时领域出现了一位新的挑战者。研究人员近期开发出一种基于微机电系统（MEMS）的微型时钟，利用硅掺杂技术实现了创纪录的稳定性。该时钟运行8小时后，偏差仅为102纳秒，接近原子钟的标准，同时所需的物理空间和功耗都更小。过去，实现这样的稳定性一直是一项挑战，因为即使是微小的温度变化也会对计时造成干扰。

该团队上周在第71届IEEE国际电子器件年会上展示了他们的新型时钟。

节省空间和电力

这款MEMS时钟由几个紧密连接的部件组成，所有部件都集成在一个比方糖表面还小的芯片上。在其中心，一块覆盖着压电薄膜的硅片以其固有频率振动，而附近的电子电路则测量这些振动。一个微型内置加热器将整个结构保持在最佳温度。由于谐振器、电子电路和加热器彼此靠近，它们可以作为一个协调的系统工作：谐振器产生定时信号，电子电路监控并调整该信号，而加热器则防止温度波动导致时钟漂移。

项目顾问、密歇根大学微机电系统工程师鲁兹贝·塔布里齐安解释说，这款时钟有几个独特之处。首先，谐振器“在环境变化中极其稳定”，他说。“实际上，你可以将温度从-40°C一直改变到85°C，而频率基本上不会发生任何变化。”

塔布里齐安表示，谐振器之所以如此稳定，是因为其所用的硅材料掺杂了磷。掺杂是指在材料中添加杂质，通常是为了改变其导电性能。不过，该团队此次使用掺杂的目的是为了稳定材料的机械性能。“我们对材料的机械性能进行了非常精确的控制，使其弹性不会随温度变化而改变，”他说道。

一些其他材料，例如常用的计时晶体石英，也可以通过掺杂来提高其稳定性。但塔布里齐安解释说：“石英无法小型化，而且在封装方面有很多限制。半导体制造受益于尺寸小型化”，因此它是下一代时钟的理想选择。

掺杂还能使电子元件主动消除长时间内频率的微小漂移。Tabrizian 表示，这一特性是“我们器件物理特性与以往 MEMS 时钟相比最显著的差异”。通过使硅导电，掺杂可以让电子元件微妙地调节器件的机械驱动强度，从而抵消频率的缓慢变化。

领导该项目的密歇根大学研究生巴纳夫谢·贾巴里表示，该系统独特之处在于集成了自主温度传感和调节功能。 “这个时钟谐振器本质上以两种模式（或谐振频率）运行。时钟的主模式非常稳定，我们将其用作时间参考。另一种模式是温度传感器。”后者就像一个内部温度计，帮助电子元件自动检测温度变化，并调节加热器和主计时模式本身。这种内置的自校正功能有助于时钟即使在周围环境发生变化时也能保持稳定的时间。

这些特性意味着它是首款能够连续运行 8 小时且误差仅为 102 亿分之一秒的 MEMS 时钟。线性放大到一周的运行时间，其误差仅为 2 微秒多一点。虽然这比目前最先进的实验室原子钟的误差还要大几个数量级，但其稳定性足以媲美微型原子钟。

此外，MEMS时钟在空间和功耗方面比原子钟具有显著优势。Tabrizian解释说，原子钟与外界环境隔离程度越高，功耗越大，探测原子振荡的精度就越高，因此它们通常体积庞大，耗电量也很大。他指出，即使是芯片级原子钟，体积也比MEMS时钟大10到100倍。而且，“更重要的是”，这种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。

下一代技术的时间管理

贾巴里的研究源于美国国防高级研究计划局（DARPA）的一个项目，该项目的目标是制造一个能够连续运行一周且误差仅为1微秒的时钟，因此还有许多工作要做。团队面临的挑战之一是掺杂硅在更长时间（例如一周）运行后的性能表现。“你会看到一些扩散现象和材料的一些变化，”塔布里齐安说，但只有时间才能证明硅的性能究竟如何。

两位研究人员都认为，继续这项研究至关重要，因为他们预见到这种小型、节能的基于MEMS的时钟具有广泛的应用前景。“我们现有的几乎所有现代技术都需要某种形式的同步，”贾巴里说道，她认为这种时钟可以填补目前时间同步方面的空白。

她表示，在技术能够稳定接入GPS 卫星的情况下，导航技术不存在问题。但在太空探索和水下任务等极端情况下，导航技术就不得不依赖内部计时——而内部计时设备为了保证精度，体积必须非常庞大且耗电。MEMS时钟或许可以成为一种体积更小、功耗更低的替代方案。

Tabrizian表示，这项技术还有更多日常应用。未来，当需要更快地将更多信息传输到每部手机（或者50年后我们使用的任何设备）时，精确的计时对于数据包传输至关重要。“当然，你不可能在手机里装一个大型原子钟。那样会消耗太多电量，”他说道，因此，MEMS时钟或许能解决这个问题。

即使应用前景广阔，但由于现有的竞争环境，该项目未来的道路也可能充满挑战。SiTime是一家已经生产MEMS 时钟的公司，目前其芯片已被集成到苹果和英伟达的设备中。

但塔布里齐安对他的团队能力充满信心。“像SiTime这样的公司非常注重系统设计，”他说道，这反而增加了系统的复杂性。“而我们的解决方案则完全基于物理学，深入研究半导体极其复杂、极其基础的物理原理。我们试图通过使谐振器的精度比SiTime的谐振器高100倍，来避免对复杂系统的需求。”

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

（来源：编译自IEEE）

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