“可以交付了。”天津華信泰科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華信泰”）總經(jīng)理劉瑞元緊盯著檢測(cè)屏幕上那條平穩(wěn)的壓強(qiáng)曲線，長(zhǎng)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(lǐng)域提供精準(zhǔn)的“時(shí)間心跳”。這枚體積為8立方厘米、功耗僅0.15瓦的“時(shí)間魔盒”，能在無(wú)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)自主守時(shí)，萬(wàn)年誤差不到1秒。

芯片原子鐘是高精度時(shí)頻領(lǐng)域的核心器件，曾長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口。華信泰歷經(jīng)13年潛心攻關(guān)，成功研制出高精度、低功耗、實(shí)用化、可量產(chǎn)的芯片級(jí)原子鐘。2023年，國(guó)內(nèi)首條也是唯一一條芯片原子鐘產(chǎn)線在天津投產(chǎn)，使中國(guó)成為全球第二個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家。

如今，這一高精度計(jì)時(shí)裝備，正成為導(dǎo)航、航天、通信、電力等戰(zhàn)略領(lǐng)域的“心臟”。

煉“芯”：讓原子鐘“活”起來(lái)

“最初我們?cè)O(shè)想得特別樂(lè)觀，覺(jué)得原理都是現(xiàn)成的，按圖索驥就能造出來(lái)。”劉瑞元向科技日?qǐng)?bào)記者回憶道。可真正研發(fā)才發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比理論骨感。

作為目前世界上最精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)工具，原子鐘的精度遠(yuǎn)超頂尖石英手表。這種精準(zhǔn)源于原子內(nèi)部電子穩(wěn)定的能級(jí)躍遷，使其成為時(shí)間測(cè)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(xué)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(yīng)用局限。

“原理是公開(kāi)的，但工藝參數(shù)全是‘黑箱’。”華信泰董事長(zhǎng)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(gè)學(xué)科，研發(fā)難度極大。

團(tuán)隊(duì)前期充分調(diào)研、查閱大量文獻(xiàn)，自認(rèn)萬(wàn)事俱備。可第一臺(tái)原理樣機(jī)問(wèn)世后，檢測(cè)結(jié)果令人失望：無(wú)法觀測(cè)到鎖定頻率所需的微弱光學(xué)信號(hào)。他們?cè)斐龅闹皇且慌_(tái)“死鐘”。

短暫沮喪后，團(tuán)隊(duì)從頭復(fù)盤、反復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)十次，最終找到癥結(jié)：鎖定躍遷的光學(xué)信號(hào)極弱，僅為激光強(qiáng)度的千分之幾，極易被環(huán)境噪聲淹沒(méi)。溫度稍有波動(dòng)，信號(hào)便會(huì)徹底消失。

為此，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，自主研發(fā)微流控溫控芯片，通過(guò)精準(zhǔn)的流體控溫與電路調(diào)節(jié)，將溫控精度從0.1℃提升至0.001℃量級(jí)，終于讓隱藏在噪聲中的光學(xué)信號(hào)“冒”了出來(lái)。

溫度問(wèn)題解決了，信號(hào)卻時(shí)有時(shí)無(wú)，極不穩(wěn)定。科研團(tuán)隊(duì)于是將突破口轉(zhuǎn)向原子氣室這一“心臟”部件——?dú)馐覂?nèi)緩沖氣體的種類與配比直接決定信號(hào)成敗。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)摸索，歷經(jīng)4年、數(shù)百次試驗(yàn)，穩(wěn)定信號(hào)終于出現(xiàn)在屏幕上，團(tuán)隊(duì)沸騰了：原子鐘“活”了。

封“芯”：四年突破真空封裝

原理樣機(jī)的成功只是入場(chǎng)券，工程化才是真正的“煉丹爐”。只有實(shí)現(xiàn)工程化，才能將實(shí)驗(yàn)室里的可能，打磨成穩(wěn)定可靠、可交付的產(chǎn)品。

“芯片原子鐘設(shè)計(jì)的工作環(huán)境是-40℃到70℃。如果外部溫度高達(dá)70℃，內(nèi)部就要消耗大量能量來(lái)維持穩(wěn)定，一旦溫度控制不好，守時(shí)精度就會(huì)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(nèi)，對(duì)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(dá)到這一精度，腔體才能在10年內(nèi)維持穩(wěn)定真空，支撐原子鐘的設(shè)計(jì)壽命和性能；若漏率差一個(gè)數(shù)量級(jí)，鐘的功耗就會(huì)翻倍，嚴(yán)重縮短使用壽命。

最初，團(tuán)隊(duì)使用現(xiàn)成的焊接爐整體加熱焊接，結(jié)果腔體內(nèi)的氣體還未抽凈就被封死，真空度始終不達(dá)標(biāo)。

“一臺(tái)芯片原子鐘成本不低，一周只能做出一兩臺(tái)，絕大多數(shù)還以報(bào)廢告終，團(tuán)隊(duì)壓力可想而知。”劉瑞元指著庫(kù)房一角堆得像小山高的芯片原子鐘“尸體”一臉無(wú)奈地說(shuō)。

“每次開(kāi)例會(huì)，從他們臉上就能看出結(jié)果。”梁小芃說(shuō)，“如果成功了，推門進(jìn)來(lái)的每個(gè)人臉上都藏不住笑意；如果失敗了，一個(gè)個(gè)恨不得把頭縮到脖子里。”

半年過(guò)去，漏率依然不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。團(tuán)隊(duì)果斷放棄現(xiàn)成設(shè)備，與廠家聯(lián)合定制開(kāi)發(fā)帶運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(duì)準(zhǔn)、控溫防焊料飛濺、優(yōu)化加熱曲線三大難關(guān)。

為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)了公司位于北京大興的一處空廠房。夏天室內(nèi)超過(guò)40℃，風(fēng)扇吹出的全是熱風(fēng)；冬天零下十幾攝氏度，手凍得擰不動(dòng)螺絲。一臺(tái)產(chǎn)品焊接需連續(xù)值守20多小時(shí)，團(tuán)隊(duì)便搭起帳篷輪班守爐，緊盯各項(xiàng)參數(shù)曲線反復(fù)調(diào)試。

2020年7月的一個(gè)晚上，梁小芃接到劉瑞元的電話。電話那頭傳來(lái)兩個(gè)字：“成了。”

那一刻，劉瑞元如釋重負(fù)：“4年，值了。”

造“芯”：批量替代手工生產(chǎn)

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

“芯片原子鐘的一大優(yōu)勢(shì)就是可以批量化生產(chǎn)，這是傳統(tǒng)原子鐘做不到的。”梁小芃說(shuō)，海洋石油勘探、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域動(dòng)輒需要數(shù)千上萬(wàn)臺(tái)，靠手工完全不行，必須建生產(chǎn)線。

國(guó)內(nèi)無(wú)任何量產(chǎn)線參考經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備、工藝、流程全需自主設(shè)計(jì)。“物理部分最小的器件只有0.2毫米，約兩根頭發(fā)絲粗細(xì)，手工鑷子力度稍大就會(huì)崩飛。”劉瑞元介紹，機(jī)器生產(chǎn)需專門的抓取、定位、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，精度要達(dá)微米級(jí)。

“我們找了好幾家做自動(dòng)化設(shè)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(wú)法適配量產(chǎn)線，材料、流程需推倒重來(lái)。“以懸臂梁器件為例，機(jī)器自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)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(huì)急劇下降，輕微震動(dòng)就可能導(dǎo)致器件開(kāi)裂。”劉瑞元說(shuō)。

為此，他們與中國(guó)科學(xué)院物理研究所協(xié)同攻關(guān)，借助其半導(dǎo)體加工設(shè)備與微納工藝能力，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與迭代，鎖定了各項(xiàng)工藝參數(shù)的最優(yōu)解。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)備、調(diào)試參數(shù)、適配工藝，最終將產(chǎn)線良品率提升至98%以上。2023年夏，我國(guó)首條年產(chǎn)3萬(wàn)臺(tái)芯片原子鐘量產(chǎn)線在天津?yàn)I海高新區(qū)投產(chǎn)，徹底解決了國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域?qū)υ撈骷钠惹行枨蟆?/p>

“一個(gè)器件帶動(dòng)了一個(gè)行業(yè)。”梁小芃自豪地說(shuō)，芯片原子鐘讓海底勘探轉(zhuǎn)向更精準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)式，其應(yīng)用已延伸到商業(yè)衛(wèi)星、智能電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。

此次即將交付中國(guó)石化的產(chǎn)品，體積縮小到不足一個(gè)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(chǎn)品。”劉瑞元說(shuō)。

“下一步，我們將擴(kuò)大產(chǎn)能，建設(shè)年產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)乃至百萬(wàn)臺(tái)生產(chǎn)線，同時(shí)與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等科研力量合作，緊扣趨勢(shì)進(jìn)行科研攻關(guān)，推出更先進(jìn)產(chǎn)品，力爭(zhēng)國(guó)際領(lǐng)先。”梁小芃說(shuō)。

這枚小小“芯鐘”，標(biāo)記著中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造的跨越。“嘀嗒”聲里，是時(shí)間的流轉(zhuǎn)，更是創(chuàng)新的心跳。

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