波时科技自主研发成功一款芯片级原子钟

波时科技自主研发成功一款芯片级原子钟

宋跃  

（ 波时（北京）科技有限公司,北京 100021 ）

背景

美国DARPA（国防高级研究计划局）2001年提了一项芯片级原子钟（CSAC- Chip Scale Atomic Clock）研发需求，以支持安全无线通信和抗干扰GPS接收机的军事需要。当时在伊拉克和阿富汗的战争中，干扰—抗干扰系统是GPS的一个大问题，一个紧凑的原子钟将给接收机自己的定时信号，大大减少干扰的影响。参与研发项目的机构包括NIST、DOE实验室、非营利实验室、七家公司和两所大学。后来还发现CSAC有多种潜在的应用，如水下定时和导航、用于紧急救援和军事行动的特设自组合导航网络、汽车避碰系统以及用于高振动环境的时间和频率源[1]。

CSAC是体积和功耗极致优化并达到与一片电子芯片（如电脑内部的CPU芯片）相当水平的原子钟。目前CSAC技术上都是属于CPT型原子钟（其它类型原子钟难以小型化）。全球第一个商业版本的CSAC在2011年左右开始销售，极受欢迎，基本是供不应求，目前为止至少超过10万套被售出[1]。国内对原子钟的研究起步较晚，有相关科研单位开展了CSAC相关研究，目前有少数单位具有商品化产品可售，但性能与国外领先产品仍然差别较大。

研发历程

波时（北京）科技有限公司于2019年成立，公司定位为掌握核心技术的创新型企业，立足自主技术开发，以向客户提供高性价比的产品和服务为价值体现。在成立之初,公司就确定将CSAC作为一个潜力方向进行重点研发。

芯片级原子钟的研发工作由公司联合创始人，总工程师宋跃先生亲自主持。研发人员详细调研了相关的公开文献和报道，加深了CPT原子钟工作原理的认识，分解出各项关键技术的工程实现途径，从而规划出了适合本公司的自主技术研发路线。

2019年6月开始，逐步建立研发所需的技术条件；

2019年7月第一次利用桌面仪器设备观察到了铷原子蒸汽的激光吸收峰波形，然后开始设计原型机电路，编写调试核心的嵌入式控制软件；

2019年9月在原型机上采集到CPT峰并实现手动锁定；

2019年10月实现原型机上电后频率自动锁定，即实现了CPT原子钟，但体积和功耗较大。

2020年4月20日登记完成产品核心软件著作权的登记（登记号2020SR0348601）。

接下来开始进行低功耗和小尺寸改进工作，进行了碱金属气室工艺研究，金属成分的对比，CPT谐振曲线信噪比和线宽优化，温度性能优化，磁屏蔽优化，功耗优化，启动时间优化，增加外部PPS驯服保持，程序通讯接口等等。同时搭建了高精度频率测试系统以及高低温试验设备，对影响CPT原子钟稳定度的主要参数和相应算法流程进行了优化，对环境适应性进行优化改进。

2021年6月，首件完全满足预计指标和全部功能的产品完成内部测试。长宽高为别为：4cm、3.5cm、1.2cm，重量30g，24h保持偏差3μs，常温下稳定功耗为0.5W，加电3分钟内完成锁定，稳定度优于3E-11/100s。与国内外主流水平相比，尺寸相同（可以做到更小，为了兼容才做这么大），稳定度指标在同一水平，重量更低，守时指标更优，虽然功耗略大，但仍在同一量级。

虽然波时科技的B-AC01基本型还是基于传统的工艺，但从指标上讲，已经可以称作芯片级原子钟（CSAC）了。而且该型号目前已完成产品化工作，可开始接受小批量订货。

在技术途径探索过程中，我们也进行了MEMS技术和真空绝热工艺技术方面极富成效的实践探索，取得了阶段性的成果，已制定未来的提升完善计划，将这些技术应用到下一代产品中，后续将会推出功耗更低的产品型号。

知识产权声明

我们向发明原子钟的科学家们致敬！感谢他们分享的知识。我们尊重知识产权，也注意知识产权的保护。公司坚持自主开发，研发生产过程均具有可追溯性。

参考资料

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