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    波時科技自主研發成功一款芯片級原子鐘

    波時科技自主研發成功一款芯片級原子鐘

    宋躍  

    波時(北京)科技有限公司,北京 100021 

    背景

    美國DARPA(國防高級研究計劃局2001年提了一項芯片級原子鐘(CSAC- Chip Scale Atomic Clock)研發需求,以支持安全無線通信和抗干擾GPS接收機的軍事需要。當時在伊拉克和阿富汗的戰爭中,干擾抗干擾系統是GPS的一個大問題,一個緊湊的原子鐘將給接收機自己的定時信號,大大減少干擾的影響。參與研發項目的機構包括NIST、DOE實驗室、非營利實驗室、七家公司和兩所大學。后來還發現CSAC有潛在的應用,如水下定時和導航、用于緊急救援和軍事行動的特設自組合導航網絡、汽車避碰系統以及用于高振動環境的時間和頻率源[1]。

    CSAC是體積和功耗極致優化并達到與一片電子芯片(如電腦內部的CPU芯片)相當水平的原子鐘。目前CSAC技術上都是屬于CPT型原子鐘(其它類型原子鐘難以小型化)。全球第一個商業版本CSAC2011年左右開始銷售,極受歡迎,基本是供不應求,目前為止至少超過10萬套被售出[1]。國內對原子鐘的研究起步較晚,有相關科研單位開展了CSAC相關研究,目前有少數單位具有商品化產品可售,但性能與國外領先產品仍然差別較大。

     

    研發歷程

    波時(北京)科技有限公司于2019年成立,公司定位為掌握核心技術的創新型企業,立足自主技術開發,以向客戶提供高性價比的產品和服務為價值體現。在成立之初,公司就確定將CSAC作為一個潛力方向進行重點研發。

    芯片級原子鐘的研發工作由公司聯合創始人,總工程師宋躍先生親自主持。研發人員詳細調研了相關的公開文獻和報道,加深了CPT原子鐘工作原理的認識,分解出各項關鍵技術的工程實現途徑,從而規劃出了適合本公司的自主技術研發路線。

    20196月開始,逐步建立研發所需的技術條件;

    20197月第一次利用桌面儀器設備觀察到了銣原子蒸汽的激光吸收峰波形,然后開始設計原型機電路,編寫調試核心的嵌入式控制軟件;

    20199月在原型機上采集到CPT峰并實現手動鎖定;

    201910月實現原型機上電后頻率自動鎖定,即實現了CPT原子鐘,但體積和功耗較大。

    2020420日登記完成產品核心軟件著作權的登記(登記號2020SR0348601)。

    接下來開始進行低功耗和小尺寸改進工作,進行了堿金屬氣室工藝研究,金屬成分的對比,CPT諧振曲線信噪比和線寬優化,溫度性能優化,磁屏蔽優化,功耗優化,啟動時間優化,增加外部PPS馴服保持,程序通訊接口等等。同時搭建了高精度頻率測試系統以及高低溫試驗設備,對影響CPT原子鐘穩定度的主要參數和相應算法流程進行了優化,對環境適應性進行優化改進。

    20216月,首件完全滿足預計指標和全部功能的產品完成內部測試。長寬高為別為:4cm、3.5cm、1.2cm,重量30g,24h保持偏差3μs,常溫下穩定功耗為0.5W,加電3分鐘內完成鎖定,穩定度優于3E-11/100s。與國內外主流水平相比,尺寸相同(可以做到更小,為了兼容才做這么大),穩定度指標在同一水平,重量更低,守時指標更優,雖然功耗略大,但仍在同一量級。

    雖然波時科技的B-AC01基本型還是基于傳統的工藝,但從指標上講,已經可以稱作芯片級原子鐘(CSAC)了。而且該型號目前已完成產品化工作,可開始接受小批量訂貨。

    在技術途徑探索過程中,我們也進行了MEMS技術和真空絕熱工藝技術方面極富成效的實踐探索,取得了階段性的成果,已制定未來的提升完善計劃,將這些技術應用到下一代產品中,后續將會推出功耗更低的產品型號。

     

    知識產權聲明

    我們向發明原子鐘的科學家們致敬!感謝他們分享的知識。我們尊重知識產權,也注意知識產權的保護。公司堅持自主開發,研發生產過程均具有可追溯性。

    參考資料

    [1]https://www.nist.gov/noac/success-story-chip-scale-atomic-clock

    2021年8月5日 11:22
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