科技日报记者 陈曦
“可以交付了。”天津华信泰科技有限公司（以下简称“华信泰”）总经理刘瑞元紧盯着检测屏幕上那条平稳的压强曲线，长舒一口气。
几天后，这批全球体积最小的芯片原子钟将奔赴深海，为海底石油勘探等领域提供精准的“时间心跳”。这枚体积为8立方厘米、功耗仅0.15瓦的“时间魔盒”，能在无卫星信号时自主守时，万年误差不到1秒。
芯片原子钟是高精度时频领域的核心器件，曾长期依赖国外进口。华信泰历经13年潜心攻关，成功研制出高精度、低功耗、实用化、可量产的芯片级原子钟。2023年，国内首条也是唯一一条芯片原子钟产线在天津投产，使中国成为全球第二个掌握该技术的国家。
如今，这一高精度计时装备，正成为导航、航天、通信、电力等战略领域的“心脏”。
炼“芯”：让原子钟“活”起来
“最初我们设想得特别乐观，觉得原理都是现成的，按图索骥就能造出来。”刘瑞元向科技日报记者回忆道。可真正研发才发现，现实远比理论骨感。
作为目前世界上最精准的计时工具，原子钟的精度远超顶尖石英手表。这种精准源于原子内部电子稳定的能级跃迁，使其成为时间测量的天然“节拍器”。
刘瑞元介绍，芯片原子钟用激光锁定原子跃迁频率，并将光学元件集成在微型晶片上，体积小、能耗低，突破了传统原子钟的应用局限。
“原理是公开的，但工艺参数全是‘黑箱’。”华信泰董事长梁小芃坦言，芯片原子钟融合了微系统与量子物理，横跨多个学科，研发难度极大。
团队前期充分调研、查阅大量文献，自认万事俱备。可第一台原理样机问世后，检测结果令人失望：无法观测到锁定频率所需的微弱光学信号。他们造出的只是一台“死钟”。
短暂沮丧后，团队从头复盘、反复实验数十次，最终找到症结：锁定跃迁的光学信号极弱，仅为激光强度的千分之几，极易被环境噪声淹没。温度稍有波动，信号便会彻底消失。
为此，团队联合攻关，自主研发微流控温控芯片，通过精准的流体控温与电路调节，将温控精度从0.1℃提升至0.001℃量级，终于让隐藏在噪声中的光学信号“冒”了出来。
温度问题解决了，信号却时有时无，极不稳定。科研团队于是将突破口转向原子气室这一“心脏”部件——气室内缓冲气体的种类与配比直接决定信号成败。经过大量实验摸索，历经4年、数百次试验，稳定信号终于出现在屏幕上，团队沸腾了：原子钟“活”了。
封“芯”：四年突破真空封装
原理样机的成功只是入场券，工程化才是真正的“炼丹炉”。只有实现工程化，才能将实验室里的可能，打磨成稳定可靠、可交付的产品。
“芯片原子钟设计的工作环境是-40℃到70℃。如果外部温度高达70℃，内部就要消耗大量能量来维持稳定，一旦温度控制不好，守时精度就会大打折扣。”刘瑞元解释。
而攻克这一难题的核心，正是真空封装。
芯片原子钟的所有物理器件，都要集成并真空密封在1立方厘米的陶瓷腔体内，对真空度的要求近乎苛刻，漏率必须优于10-9帕斯卡·立方米/秒（Pa·m3/s）。只有达到这一精度，腔体才能在10年内维持稳定真空，支撑原子钟的设计寿命和性能；若漏率差一个数量级，钟的功耗就会翻倍，严重缩短使用寿命。
最初，团队使用现成的焊接炉整体加热焊接，结果腔体内的气体还未抽净就被封死，真空度始终不达标。
“一台芯片原子钟成本不低，一周只能做出一两台，绝大多数还以报废告终，团队压力可想而知。”刘瑞元指着库房一角堆得像小山高的芯片原子钟“尸体”一脸无奈地说。
“每次开例会，从他们脸上就能看出结果。”梁小芃说，“如果成功了，推门进来的每个人脸上都藏不住笑意；如果失败了，一个个恨不得把头缩到脖子里。”
半年过去，漏率依然不能稳定达标。团队果断放弃现成设备，与厂家联合定制开发带运动机构的真空焊接炉，采用新的封装思路，但新思路也意味着必须攻克高温下精密对准、控温防焊料飞溅、优化加热曲线三大难关。
为此，研发团队一头扎进了公司位于北京大兴的一处空厂房。夏天室内超过40℃，风扇吹出的全是热风；冬天零下十几摄氏度，手冻得拧不动螺丝。一台产品焊接需连续值守20多小时，团队便搭起帐篷轮班守炉，紧盯各项参数曲线反复调试。
2020年7月的一个晚上，梁小芃接到刘瑞元的电话。电话那头传来两个字：“成了。”
那一刻，刘瑞元如释重负：“4年，值了。”
造“芯”：批量替代手工生产
工程化的成功让芯片原子钟具备交付能力，但手工生产效率远远难以满足国家重大工程需求。10名技术人员在显微镜下用镊子手工叠片、焊接、封装，满负荷工作一年也仅能生产两三百台。
“芯片原子钟的一大优势就是可以批量化生产，这是传统原子钟做不到的。”梁小芃说，海洋石油勘探、卫星导航等领域动辄需要数千上万台，靠手工完全不行，必须建生产线。
国内无任何量产线参考经验，设备、工艺、流程全需自主设计。“物理部分最小的器件只有0.2毫米，约两根头发丝粗细，手工镊子力度稍大就会崩飞。”刘瑞元介绍，机器生产需专门的抓取、定位、视觉识别系统，精度要达微米级。
“我们找了好几家做自动化设备的厂家，他们一看工艺要求都摇头。”刘瑞元回忆。
更棘手的是，手工工艺无法适配量产线，材料、流程需推倒重来。“以悬臂梁器件为例，机器自动化生产对薄膜厚度、图形尺寸的控制要求与手工工艺完全不同，参数稍有偏差，悬臂梁的抗震性能就会急剧下降，轻微震动就可能导致器件开裂。”刘瑞元说。
为此，他们与中国科学院物理研究所协同攻关，借助其半导体加工设备与微纳工艺能力，经过反复试验与迭代，锁定了各项工艺参数的最优解。
团队通过不断优化设备、调试参数、适配工艺，最终将产线良品率提升至98%以上。2023年夏，我国首条年产3万台芯片原子钟量产线在天津滨海高新区投产，彻底解决了国内各领域对该器件的迫切需求。
“一个器件带动了一个行业。”梁小芃自豪地说，芯片原子钟让海底勘探转向更精准的节点式，其应用已延伸到商业卫星、智能电网等多个领域。
此次即将交付中国石化的产品，体积缩小到不足一个火柴盒。“把它做小一立方厘米，难度就增加10倍。此次交付，证明我们能研发不同系列产品。”刘瑞元说。
“下一步，我们将扩大产能，建设年产10万台乃至百万台生产线，同时与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、哈尔滨工业大学、天津大学等科研力量合作，紧扣趋势进行科研攻关，推出更先进产品，力争国际领先。”梁小芃说。
这枚小小“芯钟”，标记着中国制造向中国创造的跨越。“嘀嗒”声里，是时间的流转，更是创新的心跳。
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