Новые кремниевые часы обещают прорыв в связи и навигации

На ежегодной конференции IEEE International Electron Devices Meeting, прошедшей в 71-й раз, было представлено перспективное технологическое решение — кремниевые часы с точностью, близкой к атомным.

Как передает Vesti.az со ссылкой на зарубежные СМИ, разработка отличается миниатюрными размерами и высокой энергоэффективностью, что в перспективе допускает ее использование в мобильных устройствах, включая смартфоны, а также в системах связи и навигации.

Устройство создано исследователями University of Michigan и относится к классу MEMS — микроэлектромеханических систем. Размер часов меньше кубика сахара, что резко контрастирует с традиционными лабораторными атомными часами, занимающими объем, сопоставимый со шкафом. По словам разработчиков, принцип работы новинки основан на фундаментальных физических свойствах материалов, а не на сложных электронных схемах, применяемых в современных коммерческих генераторах, включая решения компании SiTime.

В основе конструкции лежит кремниевая пластина с пьезоэлектрической пленкой, вибрации которой формируют опорный временной сигнал. Ключевым технологическим решением стало легирование кремния фосфором, что повысило устойчивость материала к температурным колебаниям и позволило электронике активно компенсировать частотный дрейф.

Дополнительно в часы встроен температурный датчик. При изменении внешних условий система автоматически регулирует нагрев и электрически изменяет жесткость кремниевой пленки, компенсируя воздействие окружающей среды. В температурном диапазоне от −40 до +85 градусов Цельсия частота сигнала остается практически стабильной. После восьми часов непрерывной работы отклонение составляет около 102 наносекунд, что при пересчете на неделю соответствует дрейфу чуть более 2 микросекунд. Это примерно в 100 раз точнее показателей существующих коммерческих MEMS-генераторов.

По точности разработка уступает лучшим лабораторным атомным часам на несколько порядков, однако сопоставима по стабильности с миниатюрными атомными решениями. При этом устройство занимает в десятки раз меньше места и потребляет в 10–20 раз меньше энергии. В отличие от атомных часов, которые требуют сложной изоляции и отличаются высоким энергопотреблением, кремниевые часы пригодны для интеграции в компактную электронику.

Проект финансируется агентством DARPA. Конечная цель программы — создание часов с отклонением не более одной микросекунды в неделю. Такие решения могут существенно изменить работу электронных систем в условиях отсутствия сигнала GPS, в том числе в космосе и под водой, а в перспективе — повысить скорость и точность передачи данных в потребительских устройствах.