Създадоха “атомен“ часовник за смартфони – скоростта на връзката и точността на навигацията са на ново ниво

На ежегодното мероприятие Annual IEEE International Electron Devices Meeting (71-вата годишна среща) беше представено интересно и изключително обещаващо решение — силициев часовник с точност, почти сравнима с атомните часовници. Разработката е с порядъци по-малка и значително по-енергийно ефективна от съвременните атомни часовници, като дори се побира в смартфоните, позволявайки на връзката и навигацията да отскочат напред по отношение на скорост и точност.

Устройството е създадено от изследователи в Мичиганския университет. То е базирано на MEMS (микроелектромеханична система). Часовникът е по-малък от кубче захар, което е в рязък контраст с лабораторните атомни часовници с размерите на шкаф. Разработката се откроява и от съвременните електронни часовници, като тези на SiTime. Тя е по-проста и работи на базата на фундаменталните закони на физиката, а не на сложни електронни схеми.

Новият часовник използва вибрациите от силициева пластина, покрита с пиезоелектричен филм, за да генерира основен сигнал за време. Пробивът е постигнат чрез легиране на силиция с фосфор, което прави материала физически устойчив на температурни промени и позволява на електрониката активно да коригира честотния дрейф.

Вторият пробив беше използването на интегриран температурен сензор. Електрониката открива промените и автоматично регулира нагревателя, а също внася корекции във физическите свойства на силициевия филм чрез електрическа промяна на неговата твърдост, компенсирайки външните влияния. Честотата остава практически постоянна в температурен диапазон от -40°C до +85°C. След 8 часа работа отклонението е само 102 наносекунди, което при линейно мащабиране за една седмица води до дрейф от малко над 2 микросекунди. Това е 100 пъти по-точно от съществуващите търговски MEMS базирани генератори (като тези на SiTime).

В сравнение с атомните часовници, точността на разработката е с няколко порядъка по-ниска от тази на най-добрите лабораторни модели, но е сравнима със стабилността на миниатюрните атомни часовници, като същевременно заемат десетки пъти по-малко място и консумират 10-20 пъти по-малко енергия. Атомните часовници изискват значителна изолация от околната среда и се характеризират с висока консумация на енергия, което ги прави неподходящи за компактни устройства.

Проектът, финансиран от DARPA, има за цел да създаде часовник, който се отклонява с не повече от 1 µs на седмица. Такъв часовник би могъл да революционизира електрониката в областите, където GPS не е наличен, като например в космоса и под водата. В крайна сметка ще бъде възможно да се инсталират по-точни часовници в смартфоните, осигурявайки по-високи скорости за предаване на пакети, което ще бъде търсено в бъдеще с увеличаването на скоростта за пренос на данни.

Препоръчваме ви статията ни за това, как работи най-точното устройство в света – атомният часовник.