科技日報記者 陳 曦

　　“可以交付了。”天津華信泰科技有限公司（以下簡稱“華信泰”）總經(jīng)理劉瑞元緊盯著檢測屏幕上那條平穩(wěn)的壓強曲線，長舒一口氣。

　　幾天后，這批全球體積最小的芯片原子鐘將奔赴深海，為海底石油勘探等領域提供精準的“時間心跳”。這枚體積為8立方厘米、功耗僅0.15瓦的“時間魔盒”，能在無衛(wèi)星信號時自主守時，萬年誤差不到1秒。

　　芯片原子鐘是高精度時頻領域的核心器件，曾長期依賴國外進口。華信泰歷經(jīng)13年潛心攻關，成功研制出高精度、低功耗、實用化、可量產的芯片級原子鐘。2023年，國內首條也是唯一一條芯片原子鐘產線在天津投產，使中國成為全球第二個掌握該技術的國家。

　　如今，這一高精度計時裝備，正成為導航、航天、通信、電力等戰(zhàn)略領域的“心臟”。

煉“芯”：讓原子鐘“活”起來

　　“最初我們設想得特別樂觀，覺得原理都是現(xiàn)成的，按圖索驥就能造出來。”劉瑞元向科技日報記者回憶道。可真正研發(fā)才發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實遠比理論骨感。

　　作為目前世界上最精準的計時工具，原子鐘的精度遠超頂尖石英手表。這種精準源于原子內部電子穩(wěn)定的能級躍遷，使其成為時間測量的天然“節(jié)拍器”。

　　劉瑞元介紹，芯片原子鐘用激光鎖定原子躍遷頻率，并將光學元件集成在微型晶片上，體積小、能耗低，突破了傳統(tǒng)原子鐘的應用局限。

　　“原理是公開的，但工藝參數(shù)全是‘黑箱’。”華信泰董事長梁小芃坦言，芯片原子鐘融合了微系統(tǒng)與量子物理，橫跨多個學科，研發(fā)難度極大。

　　團隊前期充分調研、查閱大量文獻，自認萬事俱備。可第一臺原理樣機問世后，檢測結果令人失望：無法觀測到鎖定頻率所需的微弱光學信號。他們造出的只是一臺“死鐘”。

　　短暫沮喪后，團隊從頭復盤、反復實驗數(shù)十次，最終找到癥結：鎖定躍遷的光學信號極弱，僅為激光強度的千分之幾，極易被環(huán)境噪聲淹沒。溫度稍有波動，信號便會徹底消失。

　　為此，團隊聯(lián)合攻關，自主研發(fā)微流控溫控芯片，通過精準的流體控溫與電路調節(jié)，將溫控精度從0.1℃提升至0.001℃量級，終于讓隱藏在噪聲中的光學信號“冒”了出來。

　　溫度問題解決了，信號卻時有時無，極不穩(wěn)定。科研團隊于是將突破口轉向原子氣室這一“心臟”部件——氣室內緩沖氣體的種類與配比直接決定信號成敗。經(jīng)過大量實驗摸索，歷經(jīng)4年、數(shù)百次試驗，穩(wěn)定信號終于出現(xiàn)在屏幕上，團隊沸騰了：原子鐘“活”了。

封“芯”：四年突破真空封裝

　　原理樣機的成功只是入場券，工程化才是真正的“煉丹爐”。只有實現(xiàn)工程化，才能將實驗室里的可能，打磨成穩(wěn)定可靠、可交付的產品。

　　“芯片原子鐘設計的工作環(huán)境是-40℃到70℃。如果外部溫度高達70℃，內部就要消耗大量能量來維持穩(wěn)定，一旦溫度控制不好，守時精度就會大打折扣。”劉瑞元解釋。

　　而攻克這一難題的核心，正是真空封裝。

　　芯片原子鐘的所有物理器件，都要集成并真空密封在1立方厘米的陶瓷腔體內，對真空度的要求近乎苛刻，漏率必須優(yōu)于10-9帕斯卡·立方米/秒（Pa·m3/s）。只有達到這一精度，腔體才能在10年內維持穩(wěn)定真空，支撐原子鐘的設計壽命和性能；若漏率差一個數(shù)量級，鐘的功耗就會翻倍，嚴重縮短使用壽命。

　　最初，團隊使用現(xiàn)成的焊接爐整體加熱焊接，結果腔體內的氣體還未抽凈就被封死，真空度始終不達標。

　　“一臺芯片原子鐘成本不低，一周只能做出一兩臺，絕大多數(shù)還以報廢告終，團隊壓力可想而知。”劉瑞元指著庫房一角堆得像小山高的芯片原子鐘“尸體”一臉無奈地說。

　　“每次開例會，從他們臉上就能看出結果。”梁小芃說，“如果成功了，推門進來的每個人臉上都藏不住笑意；如果失敗了，一個個恨不得把頭縮到脖子里。”

　　半年過去，漏率依然不能穩(wěn)定達標。團隊果斷放棄現(xiàn)成設備，與廠家聯(lián)合定制開發(fā)帶運動機構的真空焊接爐，采用新的封裝思路，但新思路也意味著必須攻克高溫下精密對準、控溫防焊料飛濺、優(yōu)化加熱曲線三大難關。

　　為此，研發(fā)團隊一頭扎進了公司位于北京大興的一處空廠房。夏天室內超過40℃，風扇吹出的全是熱風；冬天零下十幾攝氏度，手凍得擰不動螺絲。一臺產品焊接需連續(xù)值守20多小時，團隊便搭起帳篷輪班守爐，緊盯各項參數(shù)曲線反復調試。

　　2020年7月的一個晚上，梁小芃接到劉瑞元的電話。電話那頭傳來兩個字：“成了。”

　　那一刻，劉瑞元如釋重負：“4年，值了。”

造“芯”：批量替代手工生產

　　工程化的成功讓芯片原子鐘具備交付能力，但手工生產效率遠遠難以滿足國家重大工程需求。10名技術人員在顯微鏡下用鑷子手工疊片、焊接、封裝，滿負荷工作一年也僅能生產兩三百臺。

　　“芯片原子鐘的一大優(yōu)勢就是可以批量化生產，這是傳統(tǒng)原子鐘做不到的。”梁小芃說，海洋石油勘探、衛(wèi)星導航等領域動輒需要數(shù)千上萬臺，靠手工完全不行，必須建生產線。

　　國內無任何量產線參考經(jīng)驗，設備、工藝、流程全需自主設計。“物理部分最小的器件只有0.2毫米，約兩根頭發(fā)絲粗細，手工鑷子力度稍大就會崩飛。”劉瑞元介紹，機器生產需專門的抓取、定位、視覺識別系統(tǒng)，精度要達微米級。

　　“我們找了好幾家做自動化設備的廠家，他們一看工藝要求都搖頭。”劉瑞元回憶。

　　更棘手的是，手工工藝無法適配量產線，材料、流程需推倒重來。“以懸臂梁器件為例，機器自動化生產對薄膜厚度、圖形尺寸的控制要求與手工工藝完全不同，參數(shù)稍有偏差，懸臂梁的抗震性能就會急劇下降，輕微震動就可能導致器件開裂。”劉瑞元說。

　　為此，他們與中國科學院物理研究所協(xié)同攻關，借助其半導體加工設備與微納工藝能力，經(jīng)過反復試驗與迭代，鎖定了各項工藝參數(shù)的最優(yōu)解。

　　團隊通過不斷優(yōu)化設備、調試參數(shù)、適配工藝，最終將產線良品率提升至98%以上。2023年夏，我國首條年產3萬臺芯片原子鐘量產線在天津濱海高新區(qū)投產，徹底解決了國內各領域對該器件的迫切需求。

　　“一個器件帶動了一個行業(yè)。”梁小芃自豪地說，芯片原子鐘讓海底勘探轉向更精準的節(jié)點式，其應用已延伸到商業(yè)衛(wèi)星、智能電網(wǎng)等多個領域。

　　此次即將交付中國石化的產品，體積縮小到不足一個火柴盒。“把它做小一立方厘米，難度就增加10倍。此次交付，證明我們能研發(fā)不同系列產品。”劉瑞元說。

　　“下一步，我們將擴大產能，建設年產10萬臺乃至百萬臺生產線，同時與中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學等科研力量合作，緊扣趨勢進行科研攻關，推出更先進產品，力爭國際領先。”梁小芃說。

　　這枚小小“芯鐘”，標記著中國制造向中國創(chuàng)造的跨越。“嘀嗒”聲里，是時間的流轉，更是創(chuàng)新的心跳。