几十年来，原子钟一直是计时最稳定的方法，它通过与原子共振频率同步振荡来测量时间。该方法极其精确，甚至成为了“秒”的定义基础。

如今，计时领域出现了一位新的挑战者。美国密歇根大学（University of Michigan）研究人员最近开发了一种基于压电MEMS技术的微型时钟。该MEMS时钟利用硅掺杂技术实现了创纪录的稳定性：运行8小时之后，偏差仅为102纳秒，接近原子钟芯片的标准，同时所需的物理空间和功耗都更小。过去，实现“高稳定性”一直是一项重要挑战，因为即使是微小的温度变化也会对MEMS时钟造成干扰。

近期，密歇根大学研究团队在第71届IEEE国际电子器件年会（IEEE International Electron Devices Meeting）上展示了他们开发的新型压电MEMS时钟，整个系统原型的体积为0.25立方厘米，功耗为130 mW。研究人员利用分子束外延技术在掺杂硅上生长了AlScN–AlN压电换能器，以制造压电MEMS谐振器。

密歇根大学开发的压电MEMS时钟，其稳定性接近原子钟芯片

这款压电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基板上。在该MEMS时钟的中心位置，一颗集成压电薄膜的硅基MEMS芯片（MEMS谐振器）以其固有频率振动，附近的电子电路芯片则监测该振动信号；此外还内置了基于谐振器的温度传感器和微型加热器，它们将整个MEMS时钟保持在最佳工作温度。由于上述部件彼此靠近，它们可以作为一个协调的系统工作：MEMS谐振器产生时钟信号，电子电路芯片监测并调整时钟信号，而温度传感器及加热器则防止温度波动导致频率漂移。

密歇根大学MEMS工程师兼项目顾问Roozbeh Tabrizian解释说：“这款MEMS时钟有几个独特之处。首先，MEMS谐振器在环境变化中性能极其稳定。实际上，你可以将温度从-40℃一直改变到85℃，而频率基本上不会发生任何变化。这种谐振器之所以如此稳定，是因为制造它的硅材料中掺杂了磷。当材料被掺杂时，通常是为了改变其导电性能，不过，在这里专门使用掺杂来稳定机械性能。 我们以非常严格的方式控制力学性能，以便材料的弹性不会随着温度变化而改变。”

Roozbeh Tabrizian继续说道：“其它材料，例如常用的石英晶体，也可以进行掺杂以提高机械性能。但是你难以小型化石英晶体时钟，而且在封装方面也有很多限制。以MEMS工艺为代表的半导体制造工艺使得时钟器件容易小型化，因此MEMS时钟是下一代时钟的理想选择。”

“这种掺杂还使得我们的MEMS时钟能够在长时间内主动消除频率的任何微小漂移。”Roozbeh Tabrizian表示，“与之前的MEMS时钟相比，这一属性是我们的MEMS时钟物理特性中最独特的方面。掺杂可以让MEMS时钟妙地调整器件受机械驱动的强度，从而抵消频率的缓慢变化。”

密歇根大学研究生Banafsheh Jabbari表示：“该MEMS时钟的独特之处还在于它集成了自主温度传感和调节功能。本质上，该MEMS时钟中的谐振器以两种模式（78 MHz的基模和144 MHz的泛音模式）运行，两者的品质因子均超过90000。谐振器的主要模式非常稳定，我们将其用作时间信号输出；另一种模式是作为温度传感器，帮助MEMS时钟自动检测温度变化并调整加热器和主时钟模式的信号。即使周围环境发生变化，这种内置的自我校正功能也有助于MEMS时钟保持稳定的时间信号输出。”

Banafsheh Jabbari继续说道：“这些特性使得它成为全球首个运行8小时且偏差仅为102纳秒的MEMS时钟。按照线性放大到一周的运行时间，相当于略高于2微秒的偏差。这比顶级实验室原子钟差了几个数量级，但它的稳定性可与小型原子钟芯片相媲美。”

“与原子钟相比，MEMS时钟具有显著的空间和功耗优势。”Roozbeh Tabrizian解释说，“与环境隔离越好，使用的能量就越多，原子钟就越能精确地探测原子的振荡，因此原子钟体积通常有一个柜子大小，消耗大量电力。即使是芯片级原子钟的大小也是MEMS时钟的10到100倍。而且，更重要的是，我们的MEMS时钟所需的功耗是原子钟芯片的1/10到1/20。

上述研究工作来自美国国防部高级研究计划局（DARPA）的一个项目，目标是制造一种可以运行一周且偏差仅为1微秒的微型时钟，因此还有很多的工作要做。该团队面临的一个挑战是掺杂硅的谐振器在较长运行时间内的表现如何。Roozbeh Tabrizian说：“你会看到材料中的一些扩散和一些变化，但只有时间才能证明掺杂硅的承受能力如何。”

对于研究团队来说，继续努力非常重要，因为他们预计基于压电MEMS技术的小型、高能效时钟将具有广泛的应用前景。 Banafsheh Jabbari说：“本质上，我们拥有的所有现代信息技术都需要某种时间同步。MEMS时钟可以填补目前存在的时间同步空白。”

Banafsheh Jabbari继续说道：“对于技术能够可靠访问GPS卫星的时候，没有时间同步问题需要解决。但在更极端的情况下，例如太空探索和水下任务，惯性导航技术被迫依赖内部时钟——为了准确，内部时钟通常非常庞大且耗电。而MEMS时钟可能是一种小型且功耗较低的替代品。”

当然，MEMS时钟还有更多日常应用的发展潜力。展望未来，当需要更快地将更多信息传送到每部智能手机时，准确的时钟信号对于数据包传送将变得至关重要。体积小巧且低功耗的MEMS时钟成为智能手机等移动设备青睐的关键器件。