Атомные часы в масштабе чипа
Атомные часы в масштабе микросхемы (CSAC) — это компактные атомные часы с низким энергопотреблением, изготовленные с использованием технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) и включающие в себя полупроводниковый лазер малой мощности в качестве источника света. Первый физический пакет CSAC был продемонстрирован в Национальном институте стандартов и технологий ( NIST) в 2003 году. [1] на основе изобретения, сделанного в 2001 году. [2] Работа финансировалась Агентством обороны США Министерства перспективных исследовательских проектов (DARPA) с целью разработки микрочип размером с атомных часов для использования в портативном оборудовании. Ожидается, что в военной технике он обеспечит улучшенную местонахождении и боевой обстановке осведомленность о для спешенных солдат, когда глобальная система позиционирования недоступна. [3] но предполагается также множество гражданских применений. Коммерческое производство этих атомных часов началось в 2011 году. [4] CSAC, самые маленькие в мире атомные часы, имеют размеры 4 x 3,5 x 1 см (1,5 x 1,4 x 0,4 дюйма), весят 35 граммов, потребляют всего 115 мВт энергии и могут поддерживать время с точностью до 100 микросекунд в день после нескольких часов. лет эксплуатации.Более стабильная конструкция, основанная на вибрации атомов рубидия, была продемонстрирована NIST в 2019 году. [5]
Как это работает
[ редактировать ]Как и другие атомные часы на основе цезия, часы отсчитывают время по точному микроволновому сигналу частотой 9,192631770 ГГц, излучаемому в результате спиновых переходов электронов между двумя уровнями сверхтонкой энергии в атомах цезия-133 . Механизм обратной связи удерживает кварцевый генератор на чипе синхронизированным с этой частотой, которая делится цифровыми счетчиками 10 МГц и 1 Гц, для выдачи тактовых сигналов частотой подаваемых на выходные контакты. На чипе находится жидкий металлический цезий в крошечной 2-миллиметровой капсуле, изготовленной с использованием методов микрообработки кремния, который нагревается для испарения щелочного металла. Полупроводниковый лазер излучает луч инфракрасного света, модулированный микроволновым генератором, через капсулу на фотодетектор . Когда генератор находится на точной частоте перехода, оптическое поглощение атомов цезия уменьшается, увеличивая выходную мощность фотодетектора . Выход фотодетектора используется в качестве обратной связи в схеме автоподстройки частоты, чтобы поддерживать правильную частоту генератора.
Разработка
[ редактировать ]
Обычные атомные часы с паровой ячейкой размером примерно с колоду карт, потребляют около 10 Вт электроэнергии и стоят около 3000 долларов. Уменьшение их до размеров полупроводникового чипа потребовало обширных разработок и нескольких прорывов. [6] Важной частью разработки было проектирование устройства таким образом, чтобы его можно было производить с использованием стандартных технологий изготовления полупроводников, где это возможно, чтобы сохранить его стоимость достаточно низкой, чтобы оно могло стать устройством массового рынка. В обычных цезиевых часах используется стеклянная трубка, содержащая цезий, размер которой сложно изготовить менее 1 см. В CSAC методами MEMS была создана цезиевая капсула размером всего 2 кубических миллиметра. Источником света в обычных атомных часах является рубидиевая газоразрядная лампа , которая была громоздкой и потребляла большое количество энергии. В CSAC он был заменен инфракрасным лазером поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), изготовленным на чипе, луч которого направлялся вверх в цезиевую капсулу над ним. Еще одним достижением стало исключение микроволнового резонатора, используемого в обычных часах, размер которого, равный длине волны микроволновой частоты, около 3 см, составлял фундаментальный нижний предел размера часов. [6] Полость стала ненужной благодаря использованию квантовой техники — когерентного улавливания населенности .
Коммерциализация
[ редактировать ]Программа CSAC позволила уменьшить размер в сто раз, используя при этом в 50 раз меньше энергии, чем традиционные атомные часы, что привело к широкому использованию CSAC в военных и коммерческих приложениях. [7] [8] Согласно отчету за октябрь 2023 года, ожидается, что рынок CSAC будет расти «замечательными» среднегодовыми темпами роста (CAGR) с 2023 по 2030 год. [9] Основными коммерческими игроками являются Microsemi ( Microchip Technology ), Teledyne , Chengdu Spaceon Electronics и AccuBeat . [9] [10]
Внешние ссылки
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кнаппе, Свенья; Шах, Вишал; Швиндт, Питер Д.Д.; Хольберг, Лео; Китчинг, Джон; Лью, Ли-Энн; Морленд, Джон (30 августа 2004 г.). «Микрофабрикатные атомные часы». Письма по прикладной физике . 85 (9): 1460–1462. Бибкод : 2004АпФЛ..85.1460К . дои : 10.1063/1.1787942 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119968560 .
- ^ Лео Холлберг и Джон Китчинг, Миниатюрный стандарт частоты, основанный на полностью оптическом возбуждении и микромеханическом защитном сосуде, патент США 6 806 784 B2. , получено 10 октября 2018 г.
- ^ «Миниатюрные атомные часы для поддержки солдат при отсутствии GPS» . Defense-Aerospace.com . Архивировано из оригинала 11 октября 2018 г. Проверено 19 апреля 2020 г.
- ^ Джонс, Уилли Д. (16 марта 2011 г.). «Атомные часы в масштабе чипа» . IEEE-спектр . Инст. инженеров по электротехнике и электронике . Проверено 2 февраля 2017 г.
- ^ «Команда NIST демонстрирует сердце атомных часов следующего поколения в масштабе микросхемы» .
- ^ Jump up to: а б Китчинг, Джон (2018). «Атомные устройства масштаба микросхемы» . Обзоры прикладной физики . 5 (3): 031302. Бибкод : 2018ApPRv...5c1302K . дои : 10.1063/1.5026238 . ISSN 1931-9401 .
- ^ «История успеха: атомные часы в масштабе чипа» . НИСТ . 2020-12-02.
- ^ «Оценка четырех отделов лаборатории физических измерений Национального института стандартов и технологий» . Национальный исследовательский совет . 2018 . Проверено 7 июня 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «Глобальный рынок атомных часов в масштабе микросхемы (CSAC) по типу (размер: ниже 4,2 см, размер: 4,2–4,5 см), по применению (военный, коммерческий), по географическому охвату и прогнозу» . проверенныйmarketreports.com . Октябрь 2023 года . Проверено 5 июня 2024 г.
- ^ «Атомные часы с микросхемой (CSAC) | Microsemi» . www.microsemi.com . Проверено 8 октября 2018 г.