科技日報記者 陳曦

“可以交付了?！碧旖蛉A信泰科技有限公司（以下簡稱“華信泰”）總經理劉瑞元緊盯著檢測屏幕上那條平穩的壓強曲線，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，覺得原理都是現成的，按圖索驥就能造出來?！眲⑷鹪蚩萍既請笥浾呋貞浀??？烧嬲邪l才發現，現實遠比理論骨感。

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定的能級躍遷，使其成為時間測量的天然“節拍器”。

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，突破了傳統原子鐘的應用局限。

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

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，極易被環境噪聲淹沒。溫度稍有波動，信號便會徹底消失。

為此，團隊聯合攻關，自主研發微流控溫控芯片，通過精準的流體控溫與電路調節，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。經過大量實驗摸索，歷經4年、數百次試驗，穩定信號終于出現在屏幕上，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”。只有實現工程化，才能將實驗室里的可能，打磨成穩定可靠、可交付的產品。

“芯片原子鐘設計的工作環境是-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定，一旦溫度控制不好，守時精度就會大打折扣?！眲⑷鹪忉尅?/p>

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年內維持穩定真空，支撐原子鐘的設計壽命和性能；若漏率差一個數量級，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，絕大多數還以報廢告終，團隊壓力可想而知?！眲⑷鹪钢鴰旆恳唤嵌训孟裥∩礁叩男酒隅姟笆w”一臉無奈地說。

“每次開例會，從他們臉上就能看出結果?！绷盒∑M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，漏率依然不能穩定達標。團隊果斷放棄現成設備，與廠家聯合定制開發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、優化加熱曲線三大難關。

為此，研發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值守20多小時，團隊便搭起帳篷輪班守爐，緊盯各項參數曲線反復調試。

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?！?/p>

那一刻，劉瑞元如釋重負：“4年，值了?！?/p>

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勢就是可以批量化生產，這是傳統原子鐘做不到的?！绷盒∑M說，海洋石油勘探、衛星導航等領域動輒需要數千上萬臺，靠手工完全不行，必須建生產線。

國內無任何量產線參考經驗，設備、工藝、流程全需自主設計?！拔锢聿糠肿钚〉钠骷挥?.2毫米，約兩根頭發絲粗細，手工鑷子力度稍大就會崩飛?！眲⑷鹪榻B，機器生產需專門的抓取、定位、視覺識別系統，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?！眲⑷鹪貞洝?/p>

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?！眲⑷鹪f。

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

團隊通過不斷優化設備、調試參數、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。”梁小芃自豪地說，芯片原子鐘讓海底勘探轉向更精準的節點式，其應用已延伸到商業衛星、智能電網等多個領域。

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?！鞍阉鲂∫涣⒎嚼迕?，難度就增加10倍。此次交付，證明我們能研發不同系列產品?！眲⑷鹪f。

“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?！绷盒∑M說。

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