可顛覆汽車和可穿戴設(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，可以替代主流霍爾效應(yīng)傳感器等產(chǎn)品。盡管不依賴于量子疊加（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獲得了成功。

什么是量子傳感器？

傳感器用來收集一系列現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，以測量設(shè)備的物理特性，是一種可輸出可測電信號的轉(zhuǎn)換器。使用傳感器可以測量的特性很多，而與量子傳感器市場最相關(guān)的是時間、運動和重力、磁場、電流和光子。

量子傳感器的工作依賴于量子現(xiàn)象，與其替代的傳感器相比，它的靈敏度顯著提高，從而增加價值，或者能夠測量其他無法獲得的特性。在大多數(shù)情況下，量子現(xiàn)象的利用帶來了比經(jīng)典替代方案更高的靈敏度優(yōu)勢。不過，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

什么是TMR傳感器？

盡管IDTechEx將TMR傳感器歸類為量子傳感器，但嚴(yán)格來講，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)行高靈敏度的磁場測量。得益于量子力學(xué)，電子隧穿這些層的概率強烈依賴于磁場和電場。TMR傳感器可以集成在電路中，使電路表現(xiàn)出易于測量的電壓或電阻變化，并檢測比現(xiàn)有傳感器小數(shù)百倍的磁場。

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傳感器對外部磁場的方向更為敏感，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、速度檢測等。

TMR的輸出響應(yīng)與GMR和AMR的比較

事實上，靈敏度并不是傳感器市場唯一重要的參數(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，這是吸引用戶采用的關(guān)鍵。特別是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備需要能夠運行更長的時間，對低功耗有著不懈的追求。

小型化磁場傳感器的關(guān)鍵特性比較

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

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

不過，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)需要解決的高價值技術(shù)挑戰(zhàn)。

TMR應(yīng)用多樣性的優(yōu)勢

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

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

作為一個細(xì)分領(lǐng)域，電動汽車市場將成為TMR傳感器進(jìn)入消費電子產(chǎn)品的跳板，一些領(lǐng)先的傳感器企業(yè)最近的一些活動證明了這種方法的成功，例如TDK的產(chǎn)能翻了一番，Crocus的銷量超過了1億顆。IDTechEx預(yù)計，2024-2034年量子傳感器將在一些新興的設(shè)備中獲得更高的銷量，其中TMR傳感器的市場規(guī)模最大。

市場規(guī)模與復(fù)合年增長率的關(guān)系

為什么量子傳感器這么誘人？

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

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

評估這些市場規(guī)模得出的關(guān)鍵結(jié)論是：TMR傳感器在汽車和可穿戴設(shè)備中都有大規(guī)模的市場應(yīng)用，長期以來形成了數(shù)百億個的最大累計潛在市場。它代表了一個低價值、高容量的市場，具有較高的復(fù)合年增長率和市場規(guī)模。

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

為什么導(dǎo)航將成為量子傳感器的大眾市場？

迄今為止，獲取準(zhǔn)確定位和當(dāng)?shù)貢r間的最常見方法是GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，例如美國軍方的GPS（全球定位系統(tǒng)）。不過，在某些環(huán)境下，獲取GPS數(shù)據(jù)會受到限制，包括高山地形阻擋信號或第三方欺騙，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越大。

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

在失去三角測量功能時繼續(xù)導(dǎo)航取決于對行駛距離、方向、速度和時間的準(zhǔn)確測量?，F(xiàn)有的運動傳感器、陀螺儀和本地振蕩器（時鐘）沒有足夠的精度進(jìn)行精確導(dǎo)航；電子設(shè)備也越來越依賴于從衛(wèi)星接收時間信息。

用于位置和運動的量子傳感器（如陀螺儀和加速度計）和時間（原子鐘）可以在不依賴GNSS的情況下提供對精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的本地訪問。迄今為止，許多量子傳感技術(shù)仍然過于龐大或昂貴，無法滿足大眾市場的導(dǎo)航需求。不過，隨著對自動駕駛汽車、智能手機和可穿戴設(shè)備需求的增加，該技術(shù)有望在未來十年進(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應(yīng)用。

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

量子傳感技術(shù)的未來

目前正在開發(fā)的主要量子傳感技術(shù)包括原子鐘、磁場傳感器、陀螺儀、重力儀和圖像傳感器。通常，更大的市場規(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)是將基于實驗室或臺式量子傳感設(shè)備小型化，使其能夠在大眾市場上與現(xiàn)有設(shè)備競爭。

從下表可以看到，在利基和大眾市場應(yīng)用中，2024年與每個市場相關(guān)的技術(shù)開發(fā)的大致技術(shù)準(zhǔn)備水平。例如，一些芯片級原子鐘可以用于航空航天中的最后一英里導(dǎo)航，但對于消費電子產(chǎn)品來說，它仍然過于昂貴、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)以百萬計的芯片級TMR傳感器已進(jìn)入汽車行業(yè)，用于遠(yuǎn)程電流檢測，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航空航天、汽車、金融甚至消費電子市場采用的精確導(dǎo)航和計時技術(shù)。

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