실리콘 시계가 원자 시간 기록 표준에 도전하다

수십 년 동안 원자시계는 가장 안정적인 시간 측정 수단을 제공해 왔습니다. 그들은 원자의 공명 주파수에 맞춰 진동함으로써 시간을 측정합니다. 이 방법은 매우 정확하여 초 정의의 기초가 됩니다.

이제 시간 측정 분야에 새로운 도전자가 등장했습니다. 연구원들은 최근 기록적인 안정성을 얻기 위해 실리콘 도핑을 사용하는 작은 MEMS 기반 시계를 개발했습니다. 8시간 동안 작동한 후 시계는 102나노초만 벗어나 원자시계의 표준에 근접했지만 작동하는 데 더 적은 물리적 공간과 더 적은 전력이 필요했습니다. 과거에는 약간의 온도 변화라도 시간 측정에 혼란을 가져올 수 있었기 때문에 그렇게 하는 것이 어려운 일이었습니다.

이 그룹은 지난 주 제71회 연례 IEEE 국제 전자 장치 회의에서 새로운 시계를 발표했습니다.

공간과 전력 절약

MEMS 시계는 밀접하게 연결된 몇 개의 부품으로 구성되며 모두 각설탕의 표면보다 작은 칩에 통합되어 있습니다. 중앙에는 압전 필름으로 덮인 실리콘 판이 고유 주파수로 진동하고 근처의 전자 회로는 이러한 진동을 측정합니다. 작은 내장형 히터가 전체 구조를 최적의 온도로 부드럽게 유지합니다. 공진기, 전자 장치 및 히터가 모두 서로 가깝기 때문에 조정된 시스템으로 작동할 수 있습니다. 공진기는 타이밍 신호를 생성하고, 전자 장치는 이를 모니터링하고 조정하며, 히터는 온도 변화로 인해 드리프트가 발생하는 것을 방지합니다.

이 시계는 몇 가지 면에서 독특하다고 프로젝트 고문이자 미시간 대학교 MEMS 엔지니어인 Roozbeh Tabrizian이 설명합니다. 우선, 공진기는 “환경 변화 속에서도 매우 안정적”이라고 그는 말합니다. “실제로 온도를 -40°C에서 85°C까지 변경할 수 있으며 기본적으로 주파수에는 변화가 없습니다.”

공진기는 제작된 실리콘이 인으로 도핑되었기 때문에 매우 안정적이라고 Tabrizian은 말합니다. 물질이 도핑되면 일반적으로 전도성 특성을 변경하기 위해 불순물이 추가됩니다. 하지만 여기서 그룹은 안정화를 위해 특별히 도핑을 사용했습니다. 기계적인 속성. “우리는 재료의 탄성이 온도 변화에 따라 변하지 않도록 매우 엄격한 방식으로 역학을 제어하고 있습니다.”라고 그는 말합니다.

일반적으로 사용되는 타이밍 수정 석영과 같은 일부 다른 재료도 견고성을 위해 도핑될 수 있습니다. 그러나 “소형화할 수는 없다. [quartz] 패키징 측면에서 많은 제한이 있습니다.”라고 Tabrizian은 설명합니다. “반도체 제조는 크기 소형화로 인해 이점을 얻습니다.” 따라서 차세대 시계를 위한 확실한 선택입니다.

또한 도핑을 통해 전자 장치는 장기간에 걸쳐 주파수의 작은 드리프트를 적극적으로 조정할 수 있습니다. Tabrizian은 이 속성이 “이전 MEMS 클록과 비교했을 때 우리 장치의 물리적 특성 중 가장 독특한 측면”이라고 말했습니다. 실리콘을 전도성으로 만듦으로써 도핑을 통해 전자 장치가 장치가 기계적으로 얼마나 강하게 구동되는지를 미묘하게 조정할 수 있으며, 이는 주파수의 느린 변화에 대응합니다.

이 시스템은 또한 자동 온도 감지 및 조정 기능이 통합되어 있다는 점에서 독특하다고 이 프로젝트를 주도한 미시간 대학교 대학원생 Banafsheh Jabbari는 말합니다. “이 클록 공진기는 두 가지 모드로 작동합니다. [or resonant frequencies]본질적으로. 시계의 메인 모드는 매우 안정적이며 우리는 이를 시계 모드로 사용합니다. [time] 참조. 다른 하나는 온도 센서입니다.” 후자는 내부 온도계처럼 작동하여 전자 장치가 자동으로 온도 변화를 감지하고 히터와 기본 타이밍 모드 자체를 조정하도록 돕습니다. 이 내장된 자체 수정 기능은 주변 환경이 변화하더라도 시계가 일정한 시간을 유지하도록 도와줍니다.

이러한 기능은 8시간 동안 실행되고 1,020억분의 1초만 벗어나는 최초의 MEMS 시계임을 의미합니다. 일주일 작동까지 선형적으로 확장되었으며 이는 2마이크로초가 조금 넘는 드리프트에 해당합니다. 이는 최고급 실험실 원자시계보다 몇 배나 나쁘지만 소형화된 원자시계의 안정성에는 필적합니다.

게다가 MEMS 클록은 원자 경쟁 제품에 비해 상당한 공간 및 전력 절감 이점을 갖고 있습니다. 환경으로부터 더 고립되고 더 많은 전력을 사용할수록 원자 시계는 원자의 진동을 더 정확하게 조사할 수 있으므로 일반적으로 캐비닛 크기이며 많은 전력을 소비한다고 Tabrizian은 설명합니다. 심지어 칩 규모의 원자 시계도 MEMS 시계보다 10~100배 더 크다고 그는 말합니다. 그리고 “더 중요한 것은” 이 새로운 시계가 소형 원자시계의 1/10~1/20 전력을 필요로 한다는 점입니다.

차세대 기술을 위한 시간 기록

Jabbari의 작업은 일주일 동안 작동하고 단 1μs만 벗어날 수 있는 시계를 만드는 것을 목표로 하는 DARPA 프로젝트에서 나온 것이므로 아직 해야 할 일이 더 많이 남아 있습니다. 팀이 직면한 한 가지 과제는 도핑된 실리콘이 일주일과 같은 더 긴 작동 기간 동안 어떻게 작동하는지입니다. Tabrizian은 “재료의 일부 확산과 일부 변화를 볼 수 있지만 실리콘이 얼마나 잘 유지되는지는 시간이 지나서야 알 수 있습니다.”라고 말했습니다.

작고 전력 효율적인 MEMS 기반 클록에 대해 예상되는 광범위한 애플리케이션 때문에 두 연구원 모두 계속 노력하는 것이 중요합니다. Jabbari는 “본질적으로 우리가 갖고 있는 모든 현대 기술에는 일종의 동기화가 필요합니다.”라고 Jabbari는 말합니다. 그녀는 시계가 현재 존재하는 시간 동기화의 공백을 메울 수 있다고 생각합니다.

기술이 GPS 위성에 강력하게 접근할 수 있는 상황에서는 해결해야 할 문제가 없다고 그녀는 말합니다. 그러나 우주 탐사 및 수중 임무와 같은 더 극단적인 시나리오에서 내비게이션 기술은 내부 시간 기록에 의존해야 합니다. 이는 정확하려면 엄청나게 부피가 크고 전력이 많이 소모되어야 합니다. MEMS 시계는 작고 전력 소모가 적은 대체품이 될 수 있습니다.

Tabrizian은 일상적인 응용 프로그램도 더 많다고 말합니다. 미래에는 더 많은 정보를 각 전화기(또는 50년 후에 사용하게 될 모든 장치)에 더 빠르게 전달해야 할 때 데이터 패킷 전달에 정확한 타이밍이 중요해질 것입니다. “그리고 물론 휴대폰에 큰 원자 시계를 넣을 수는 없습니다. 그렇게 많은 전력을 소비할 수도 없습니다”라고 그는 말합니다. 따라서 MEMS 시계가 답이 될 수 있습니다.

유망한 응용 프로그램이 있더라도 기존 경쟁으로 인해 이 프로젝트의 앞날은 험난할 수 있습니다. 이미 MEMS 시계를 생산하는 회사인 SiTime은 현재 Apple 및 Nvidia 장치에 칩을 통합하고 있습니다.

그러나 Tabrizian은 그의 팀의 능력에 대해 확신하고 있습니다. “SiTime과 같은 회사는 시스템 설계에 많은 중점을 두기 때문에 시스템 복잡성이 증가합니다.”라고 그는 말합니다. “반면에 우리의 솔루션은 전적으로 물리학을 기반으로 하며 반도체의 매우 복잡하고 기본적인 물리학을 조사합니다. 우리는 공진기를 SiTime 공진기보다 100배 더 정확하게 만들어 복잡한 시스템에 대한 요구를 해결하려고 노력하고 있습니다.”