据麦姆斯咨询报道,日本国家信息与通信研究院(NICT)与东北大学和东京工业大学展开合作,并成立压电材料相关研究小组。近期,该研究小组成功开发了一款超小型原子钟系统,与现有的原子钟相比,它的频率稳定性要高出一个数量级。因为这款创新的原子钟具有小尺寸、低功耗等优点,非常适合智能手机应用,同样也可用于传感器网络和机器人控制系统。

该研究小组开发了一种使用压电薄膜谐振器(FBAR)的微波振荡器,该谐振器在3.5GHz频带内表现出优异的谐振性能,可作为原子频率标准。此外,由于无需使用外部连接晶体振荡器或PLL倍频电路,因此外围电路配置非常简单。

MEMS原子钟原理概况和微波振荡器组成(来源:NICT)

与商用原子钟相比,这款创新的MEMS原子钟芯片面积可减少约30%,功耗可降低约50%。目前,压电薄膜谐振器(FBAR)和放大器通过引线键合,但将来可将二者集成于单芯片。

压电薄膜谐振器和放大器通过引线键合方式连接(来源:NICT)

据该研究小组介绍,这款MEMS原子钟性能(频率稳定性)比商业原子钟提高了一个数量级以上。该FBAR振荡器的特性评估结果显示,在3.4GHz频带中拥有良好的振荡性能。而且,发现在1MHz偏移频率处的相位噪声是140dBc / Hz。

FBAR振荡器的特性(来源:NICT)

MEMS原子钟频率稳定性的评估结果(来源:NICT)

展望未来,该研究小组计划简化和集成数字控制系统,进一步降低系统功耗,并将加快研发进度,尽早实现从实验室样品到可量产芯片化原子钟的蜕变。