芯片原子钟不再“卡脖子”

“嘀嗒”“嘀嗒”……日常生活中，时钟的精准度依赖于钟摆有规则地摆动。但时钟精度再高，每年也会有1分钟左右的误差。虽然对日常生活没有影响，但在对时间精度要求很高的生产、科研中，则需要更准确的计时工具。

目前，世界上最准确的计时工具就是原子钟，其精度可达到每2000万年误差1秒。近日，国内首条芯片原子钟生产线在天津滨海高新区企业——天津华信泰科技有限公司落成投产。该生产线的年生产能力可达3万台，它的投产表明我国在芯片原子钟领域打破了国外垄断，突破关键器件“卡脖子”问题，满足了相关领域的迫切需求。

芯片原子钟“个子小”、精度高、功耗低

原子钟利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波实现计时。这种电磁波非常稳定，再加上一系列精密仪器的控制，保证了原子钟计时的准确性。目前用于原子钟的元素有氢、铯、铷等。

最初原子钟是物理学家创造出来用于探索宇宙本质的仪器。然而，随着科学技术的进步，时频精度的重要性日益凸显，听起来高大上的原子钟也越来越接“地气”。比如，我们所熟知的北京时间，就是全世界150多台原子钟共同守时并加权平均后的结果。各种电力系统、通信系统都离不开高精度的原子钟。

然而，由于体积大、功耗高、价格贵，原子钟未能真正进入普通电子类消费市场。

“芯片原子钟的出现解决了这个问题，其体积小、功耗低、精度高、可量产，很好地填补了传统原子钟的市场空白。”华信泰董事长梁小芃介绍，芯片原子钟是利用量子物理学的相干布局囚禁原理制造的一种新型原子钟——由于不再需要微波谐振腔器件，因此可以真正做到微型化。

相比于传统原子钟，芯片原子钟是目前唯一能够用电池供电、长时间工作的原子钟。作为电子信息技术中时间频率技术领域的核心基础器件，芯片原子钟的应用前景十分广阔，从航空航天、卫星导航，到通信、海底勘探、物联网等领域均可使用。

打破国外垄断实现自主创新

芯片原子钟是一种高精度计时装置，生产制造工艺非常复杂。在此次华信泰芯片原子钟生产线投产之前，全球仅有一家美国公司实现了芯片原子钟的规模化生产。当时，国内用户想要购买国外的芯片原子钟，“买不起”“不好买”是常态。

为打破这一垄断局面，华信泰的研发团队从2010年起，就承担起了芯片原子钟项目的研发工作。

“芯片原子钟是微系统技术与量子物理的典型结合应用，跨学科、跨专业，涉及物理、化学、材料等众多领域，研发难度很大。主要技术难点集中在真空封装和微系统集成技术上。”梁小芃举例，比如在真空封装研发方面，他们经过几百次尝试，反复斟酌调整结构设计、对比尝试材料选取和温度设置、不断改善工艺条件等，才最终达到目前高良品率的封装效果。

梁小芃指着比家庭常用的小闹钟还要小的芯片原子钟说，华信泰历时10年研究，潜心攻关，通过自主研发，突破了芯片原子钟的关键技术，所生产的芯片原子钟产品全部具有自主知识产权。

芯片原子钟不仅要在技术上取得突破，还要有实现量产的能力。“在进行海底石油勘探时，可能需要把几千个芯片原子钟安放在海底勘探节点上，这就需要我们有规模化生产的能力。”华信泰总经理刘瑞元说，“我们对规模化生产工艺的摸索也是从零开始，比如芯片原子钟的真空封装工艺和贴片工艺等，精度都达微米级，稍有差池就会导致产品稳定性和一致性变差。”

历时4年，华信泰完成规模生产的工艺摸索。这种制造方式对于厂房空间、配套设施等软硬件环境的需求格外苛刻。为了加快公司芯片原子钟产业化落地速度，从2021年开始，天津滨海高新区在“党建引领 共同缔造”理念指导下，与华信泰团队就选址问题进行了多轮对接，最终找到了兼具区位交通优势、厂房挑高优势、厂区配套设施优势的厂房进行落地。

厂房中，供电设备、空气净化设备、废水废气处理设备等8套大型设备占据了厂房面积的三分之二左右，而这些设备全部服务于用来生产的400平方米洁净间。

国内首条芯片原子钟生产线由光刻机、真空封装机、深硅刻蚀机等设备组成，可实现芯片原子钟器件生产和检测、物理系统真空封装、芯片原子钟性能测试等全套生产流程，具备年产万台的生产能力。

芯片原子钟量产可带动其他行业发展

别看芯片原子钟个头不大，但以前依靠进口时价格不菲。“生产线建成后，大规模生产可大幅度降低芯片原子钟的成本。”刘瑞元对科技日报记者说。

芯片原子钟实现量产，也推动了很多行业的发展。比如可推动海底勘探节点的应用，从而使我国海底石油勘探发生革命性升级。

梁小芃举例说，进行石油勘探时可在海底投放上万个以芯片原子钟作为核心器件的OBN，每一个节点都严格要求时间同步。而且在海底布放时间比较长，对电池的依赖性比较大，芯片原子钟的低功耗正好可以满足这一点。利用以芯片原子钟作为核心器件的OBN进行勘探较传统勘探方法成本更低、精准度更高，而且还进一步扩大了勘探面积。

梁小芃表示:“这条生产线的投产，不仅标志着我国长期被国外垄断的芯片原子钟‘卡脖子’技术实现了突破，更重要的是成功将技术产品实现了产业化。下一步我们将根据生产需求、应用需求进一步扩大产能。不久的将来，公司将建设年产十万台乃至百万台的生产线。在研发方面，我们也会紧扣国际国内趋势，对产品进行升级，不断更新换代，推出更先进、体积更小、功耗更低的产品，力争走在国际前列。”

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