Создали «атомные» часы для смартфонов — скорость соединения и точность навигации на новом уровне

На ежегодном мероприятии Annual IEEE International Electron Devices Meeting (71-е ежегодное собрание) было представлено интересное и чрезвычайно многообещающее решение — кремниевые часы с точностью, практически сравнимой с атомными часами. Эта разработка на несколько порядков меньше и значительно более энергоэффективна, чем нынешние атомные часы, и даже подходит для смартфонов, позволяя связи и навигации шагнуть вперед с точки зрения скорости и точности.

Устройство создали исследователи из Мичиганского университета. Он основан на MEMS (микроэлектромеханической системе). Часы меньше кубика сахара, что резко контрастирует с лабораторными атомными часами размером с шкаф. Разработка также выделяется на фоне современных электронных часов, например, от SiTime. Он проще и работает на основе фундаментальных законов физики, а не сложных электронных схем.

Новые часы используют вибрации кремниевой пластины, покрытой пьезоэлектрической пленкой, для генерации основного сигнала времени. Прорыв был достигнут за счет легирования кремния фосфором, что делает материал физически устойчивым к изменениям температуры и позволяет электронике активно корректировать дрейф частоты.

Вторым прорывом стало использование встроенного датчика температуры. Электроника фиксирует изменения и автоматически регулирует нагреватель, а также вносит коррективы в физические свойства кремниевой пленки, электрически изменяя ее жесткость, компенсируя внешние воздействия. Частота остается практически постоянной в диапазоне температур от -40°C до +85°C. После 8 часов работы отклонение составляет всего 102 наносекунды, что при линейном масштабировании в течение недели приводит к дрейфу чуть более 2 микросекунд. Это в 100 раз точнее, чем существующие коммерческие генераторы на базе МЭМС (такие как SiTime).

По сравнению с атомными часами точность разработки на несколько порядков ниже, чем у лучших лабораторных моделей, но сравнима с стабильностью миниатюрных атомных часов, занимая при этом в десятки раз меньше места и потребляя в 10-20 раз меньше энергии. Атомные часы требуют значительной изоляции от окружающей среды и характеризуются высоким энергопотреблением, что делает их непригодными для компактных устройств.

Проект, финансируемый DARPA, направлен на создание часов, которые отклоняются не более чем на 1 мкс в неделю. Такие часы могут совершить революцию в электронике в тех областях, где GPS недоступен, например, в космосе и под водой. В конечном итоге в смартфоны можно будет установить более точные часы, обеспечивающие более высокие скорости передачи пакетов, что будет востребовано в будущем по мере увеличения скорости передачи данных.

Рекомендуем нашу статью о том, как работает самый точный прибор в мире – атомные часы.