芯片原子钟 不再“卡脖子”

陈曦

“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（以下简称华信泰）落成投產。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。

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（CPT）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。

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。

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。”刘瑞元对笔者说。

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（OBN）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。”