超小型MEMS原子鐘誕生，用于智能手機(jī)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人控制系統(tǒng)

據(jù)報(bào)道，日本國(guó)家信息與通信研究院（NICT）與東北大學(xué)和東京工業(yè)大學(xué)展開(kāi)合作，并成立壓電材料相關(guān)研究小組。近期，該研究小組成功開(kāi)發(fā)了一款超小型原子鐘系統(tǒng)，與現(xiàn)有的原子鐘相比，它的頻率穩(wěn)定性要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)檫@款創(chuàng)新的原子鐘具有小尺寸、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合智能手機(jī)應(yīng)用，同樣也可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人控制系統(tǒng)。

該研究小組開(kāi)發(fā)了一種使用壓電薄膜諧振器（FBAR）的微波振蕩器，該諧振器在3.5GHz頻帶內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的諧振性能，可作為原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于無(wú)需使用外部連接晶體振蕩器或PLL倍頻電路，因此外圍電路配置非常簡(jiǎn)單。

MEMS原子鐘原理概況和微波振蕩器組成（來(lái)源：NICT）

與商用原子鐘相比，這款創(chuàng)新的MEMS原子鐘芯片面積可減少約30％，功耗可降低約50％。目前，壓電薄膜諧振器（FBAR）和放大器通過(guò)引線鍵合，但將來(lái)可將二者集成于單芯片。

壓電薄膜諧振器和放大器通過(guò)引線鍵合方式連接（來(lái)源：NICT）

據(jù)該研究小組介紹，這款MEMS原子鐘性能（頻率穩(wěn)定性）比商業(yè)原子鐘提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該FBAR振蕩器的特性評(píng)估結(jié)果顯示，在3.4GHz頻帶中擁有良好的振蕩性能。而且，發(fā)現(xiàn)在1MHz偏移頻率處的相位噪聲是140dBc / Hz。

FBAR振蕩器的特性（來(lái)源：NICT）

MEMS原子鐘頻率穩(wěn)定性的評(píng)估結(jié)果（來(lái)源：NICT）

展望未來(lái)，該研究小組計(jì)劃簡(jiǎn)化和集成數(shù)字控制系統(tǒng)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，并將加快研發(fā)進(jìn)度，盡早實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室樣品到可量產(chǎn)芯片化原子鐘的蛻變。