可顛覆汽車(chē)和可穿戴設(shè)備的傳感技術(shù)

TMR（穿隧磁阻，Tunneling Magnetoresistance）傳感器是一種微小的傳感器，它正在迅速顛覆汽車(chē)和可穿戴設(shè)備行業(yè)。它利用量子現(xiàn)象提供優(yōu)于現(xiàn)有傳感器的性能優(yōu)勢(shì)，可以替代主流霍爾效應(yīng)傳感器等產(chǎn)品。盡管不依賴(lài)于量子疊加（superposition）和糾纏（entanglement）等更令人興奮的效應(yīng)，但TMR傳感器還是在新興量子傳感器市場(chǎng)獲得了成功。

什么是量子傳感器？

傳感器用來(lái)收集一系列現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，以測(cè)量設(shè)備的物理特性，是一種可輸出可測(cè)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。使用傳感器可以測(cè)量的特性很多，而與量子傳感器市場(chǎng)最相關(guān)的是時(shí)間、運(yùn)動(dòng)和重力、磁場(chǎng)、電流和光子。

量子傳感器的工作依賴(lài)于量子現(xiàn)象，與其替代的傳感器相比，它的靈敏度顯著提高，從而增加價(jià)值，或者能夠測(cè)量其他無(wú)法獲得的特性。在大多數(shù)情況下，量子現(xiàn)象的利用帶來(lái)了比經(jīng)典替代方案更高的靈敏度優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，在某些情況下，性能的提高源于功耗、尺寸或遙感功能的權(quán)衡。

量子傳感器的優(yōu)勢(shì)

什么是TMR傳感器？

盡管IDTechEx將TMR傳感器歸類(lèi)為量子傳感器，但嚴(yán)格來(lái)講，TMR傳感器并不是量子傳感器，但它利用了量子隧穿效應(yīng)（量子力學(xué)現(xiàn)象）。

TMR傳感器由鐵磁體薄層和納米厚絕緣體組成，使用量子隧道進(jìn)行高靈敏度的磁場(chǎng)測(cè)量。得益于量子力學(xué)，電子隧穿這些層的概率強(qiáng)烈依賴(lài)于磁場(chǎng)和電場(chǎng)。TMR傳感器可以集成在電路中，使電路表現(xiàn)出易于測(cè)量的電壓或電阻變化，并檢測(cè)比現(xiàn)有傳感器小數(shù)百倍的磁場(chǎng)。

TMR傳感器的工作原理

與GMR（巨磁電阻）傳感器和AMR（磁性）傳感器比較，TMR傳感器對(duì)外部磁場(chǎng)的方向更為敏感，輸出響應(yīng)更快，因此適用于需要高靈敏度和快速響應(yīng)的應(yīng)用，如位置檢測(cè)、速度檢測(cè)等。

TMR的輸出響應(yīng)與GMR和AMR的比較

事實(shí)上，靈敏度并不是傳感器市場(chǎng)唯一重要的參數(shù)。優(yōu)化尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）也至關(guān)重要。與霍爾傳感器相比，TMR傳感器能夠降低功耗，這是吸引用戶(hù)采用的關(guān)鍵。特別是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備需要能夠運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)低功耗有著不懈的追求。

小型化磁場(chǎng)傳感器的關(guān)鍵特性比較

TMR傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，有助于實(shí)現(xiàn)高度優(yōu)化的SWAP-C，可以在已有的半導(dǎo)體代工廠(chǎng)中用CMOS技術(shù)制造。其小型化不僅可與更成熟的解決方案競(jìng)爭(zhēng)，而且在許多情況下更具優(yōu)勢(shì)。

另外，許多其他量子傳感技術(shù)也正在開(kāi)發(fā)中，包括磁場(chǎng)傳感器以及時(shí)鐘、重力儀、陀螺儀和光電探測(cè)器。這些技術(shù)有可能在靈敏度上提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)而顛覆現(xiàn)有的傳感器市場(chǎng)。

不過(guò)，下一代量子傳感器還存在一些挑戰(zhàn)，包含基于糾纏和疊加的解決方案所需的組件和基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)比隧道更為傳輸復(fù)雜。蒸汽電池、激光器、氮空位中心等仍然是量子技術(shù)行業(yè)需要解決的高價(jià)值技術(shù)挑戰(zhàn)。

TMR應(yīng)用多樣性的優(yōu)勢(shì)

TMR傳感器在喚醒、角度和位置傳感以及遠(yuǎn)程電流檢測(cè)等多個(gè)垂直行業(yè)中都有應(yīng)用。許多可穿戴和醫(yī)療設(shè)備都依賴(lài)喚醒功能，包括用于糖尿病管理的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀和密封的數(shù)字藥丸；遙感和溫度魯棒性也為電動(dòng)汽車(chē)和太陽(yáng)能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)提供了增強(qiáng)的安全性。至于其位置和角度檢測(cè)，幾乎有無(wú)限的用途，而在風(fēng)力渦輪機(jī)功率優(yōu)化、機(jī)器人和工廠(chǎng)優(yōu)化方面更有明顯價(jià)值。

TMR用例的多樣性及潛在的行業(yè)應(yīng)用為擴(kuò)大生產(chǎn)提供了優(yōu)勢(shì)。雖然新的傳感器可能在靈敏度、尺寸和功率方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但商業(yè)化后的規(guī)模經(jīng)濟(jì)幾乎總會(huì)導(dǎo)致成本上的初步妥協(xié)。只有在高價(jià)值行業(yè)找到早期采用者，才能在進(jìn)入更大批量市場(chǎng)之前提高生產(chǎn)能力。

作為一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將成為T(mén)MR傳感器進(jìn)入消費(fèi)電子產(chǎn)品的跳板，一些領(lǐng)先的傳感器企業(yè)最近的一些活動(dòng)證明了這種方法的成功，例如TDK的產(chǎn)能翻了一番，Crocus的銷(xiāo)量超過(guò)了1億顆。IDTechEx預(yù)計(jì)，2024-2034年量子傳感器將在一些新興的設(shè)備中獲得更高的銷(xiāo)量，其中TMR傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大。

市場(chǎng)規(guī)模與復(fù)合年增長(zhǎng)率的關(guān)系

為什么量子傳感器這么誘人？

IDTechEx認(rèn)為，預(yù)計(jì)到2044年，包括TMR傳感器，量子傳感器市場(chǎng)將達(dá)到71億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為18%，涵蓋原子鐘、量子陀螺儀、量子磁場(chǎng)傳感器、量子重力儀和量子圖像傳感器。

量子傳感器有望通過(guò)顯著提高靈敏度來(lái)解鎖新的應(yīng)用。目前，已有多達(dá)十余種量子傳感技術(shù)，包括多種類(lèi)型的原子鐘和磁場(chǎng)傳感器，已在電動(dòng)汽車(chē)、GPS導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像和量子計(jì)算中應(yīng)用。

評(píng)估這些市場(chǎng)規(guī)模得出的關(guān)鍵結(jié)論是：TMR傳感器在汽車(chē)和可穿戴設(shè)備中都有大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用，長(zhǎng)期以來(lái)形成了數(shù)百億個(gè)的最大累計(jì)潛在市場(chǎng)。它代表了一個(gè)低價(jià)值、高容量的市場(chǎng)，具有較高的復(fù)合年增長(zhǎng)率和市場(chǎng)規(guī)模。

下一個(gè)最大的潛在市場(chǎng)可能是陀螺儀和原子鐘，兩者都可以用于導(dǎo)航和計(jì)時(shí)。重力計(jì)和圖像傳感器具有非常特殊的應(yīng)用，預(yù)計(jì)將分別主要用于地下測(cè)繪和量子計(jì)算。當(dāng)然，這些市場(chǎng)的規(guī)模取決于價(jià)格和商業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間。

為什么導(dǎo)航將成為量子傳感器的大眾市場(chǎng)？

迄今為止，獲取準(zhǔn)確定位和當(dāng)?shù)貢r(shí)間的最常見(jiàn)方法是GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，例如美國(guó)軍方的GPS（全球定位系統(tǒng)）。不過(guò)，在某些環(huán)境下，獲取GPS數(shù)據(jù)會(huì)受到限制，包括高山地形阻擋信號(hào)或第三方欺騙，因此，精密導(dǎo)航系統(tǒng)在拒絕GPS的環(huán)境中保持可靠性的壓力越來(lái)越大。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)就是一個(gè)重要的例子，在一些應(yīng)用中，幾個(gè)厘米的導(dǎo)航精度都至關(guān)重要，而生命風(fēng)險(xiǎn)是與系統(tǒng)錯(cuò)誤相關(guān)的主要危險(xiǎn)。此外，在人口稠密的城市環(huán)境中，由于GPS信號(hào)丟失，許多智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備用戶(hù)難以使用地圖等應(yīng)用進(jìn)行導(dǎo)航。

在失去三角測(cè)量功能時(shí)繼續(xù)導(dǎo)航取決于對(duì)行駛距離、方向、速度和時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)傳感器、陀螺儀和本地振蕩器（時(shí)鐘）沒(méi)有足夠的精度進(jìn)行精確導(dǎo)航；電子設(shè)備也越來(lái)越依賴(lài)于從衛(wèi)星接收時(shí)間信息。

用于位置和運(yùn)動(dòng)的量子傳感器（如陀螺儀和加速度計(jì)）和時(shí)間（原子鐘）可以在不依賴(lài)GNSS的情況下提供對(duì)精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的本地訪(fǎng)問(wèn)。迄今為止，許多量子傳感技術(shù)仍然過(guò)于龐大或昂貴，無(wú)法滿(mǎn)足大眾市場(chǎng)的導(dǎo)航需求。不過(guò)，隨著對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備需求的增加，該技術(shù)有望在未來(lái)十年進(jìn)一步小型化和優(yōu)化。因此，導(dǎo)航是量子傳感最有可能的大眾市場(chǎng)應(yīng)用。

在GNSS被拒情況下，精密時(shí)鐘在精密導(dǎo)航和計(jì)時(shí)技術(shù)中發(fā)揮重要作用

量子傳感技術(shù)的未來(lái)

目前正在開(kāi)發(fā)的主要量子傳感技術(shù)包括原子鐘、磁場(chǎng)傳感器、陀螺儀、重力儀和圖像傳感器。通常，更大的市場(chǎng)規(guī)模要求傳感器具有最優(yōu)化的SWaP-C。

現(xiàn)在，量子傳感行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是將基于實(shí)驗(yàn)室或臺(tái)式量子傳感設(shè)備小型化，使其能夠在大眾市場(chǎng)上與現(xiàn)有設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)。

從下表可以看到，在利基和大眾市場(chǎng)應(yīng)用中，2024年與每個(gè)市場(chǎng)相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)的大致技術(shù)準(zhǔn)備水平。例如，一些芯片級(jí)原子鐘可以用于航空航天中的最后一英里導(dǎo)航，但對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它仍然過(guò)于昂貴、龐大且不穩(wěn)定。

量子傳感技術(shù)準(zhǔn)備水平

量子傳感器行業(yè)市場(chǎng)地圖

不管怎樣，量子傳感器技術(shù)都將被廣泛應(yīng)用。目前，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的芯片級(jí)TMR傳感器已進(jìn)入汽車(chē)行業(yè)，用于遠(yuǎn)程電流檢測(cè)，而使用光泵磁力儀的生物磁成像仍處于早期階段。

已有跡象表明，原子鐘和量子陀螺儀將成為未來(lái)航空航天、汽車(chē)、金融甚至消費(fèi)電子市場(chǎng)采用的精確導(dǎo)航和計(jì)時(shí)技術(shù)。

而TMR傳感器通過(guò)高靈敏度和優(yōu)化的尺寸、重量和功耗，將為多個(gè)行業(yè)增加商業(yè)價(jià)值。這項(xiàng)技術(shù)已成為利用量子效應(yīng)顛覆經(jīng)典傳感器市場(chǎng)的一個(gè)范例。