TMR（穿隧磁阻，Tunneling Magnetoresistance）傳感器是一種利用量子現象提供優于現有傳感器的性能優勢，可以替代主流霍爾效應傳感器等產品。

什么是量子傳感器？

傳感器用來收集一系列現象的數據，以測量設備的物理特性，是一種可輸出可測電信號的轉換器。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。在大多數情況下，量子現象的利用帶來了比經典替代方案更高的靈敏度優勢。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衡。

量子傳感器的優勢

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（量子力學現象）。

TMR傳感器由鐵磁體薄層和納米厚絕緣體組成，使用量子隧道進行高靈敏度的磁場測量。得益于量子力學，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，使電路表現出易于測量的電壓或電阻變化，并檢測比現有傳感器小數百倍的磁場。

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，輸出響應更快，因此適用于需要高靈敏度和快速響應的應用，如位置檢測、速度檢測等。

TMR的輸出響應與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。優化尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）也至關重要。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鍵。特別是物聯網（IoT）設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鍵特性比較

TMR傳感器結構相對簡單，有助于實現高度優化的SWAP-C，可以在已有的半導體代工廠中用CMOS技術制造。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勢。

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

不過，下一代量子傳感器還存在一些挑戰，包含基于糾纏和疊加的解決方案所需的組件和基礎設施遠比隧道更為傳輸復雜。蒸汽電池、激光器、氮空位中心等仍然是量子技術行業需要解決的高價值技術挑戰。

TMR應用多樣性的優勢

TMR傳感器在喚醒、角度和位置傳感以及遠程電流檢測等多個垂直行業中都有應用。許多可穿戴和醫療設備都依賴喚醒功能，包括用于糖尿病管理的連續血糖監測儀和密封的數字藥丸；遙感和溫度魯棒性也為電動汽車和太陽能系統的監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，而在風力渦輪機功率優化、機器人和工廠優化方面更有明顯價值。

市場規模與復合年增長率的關系

為什么量子傳感器這么誘人？

量子傳感器有望通過顯著提高靈敏度來解鎖新的應用。目前，已有多達十余種量子傳感技術，包括多種類型的原子鐘和磁場傳感器，已在電動汽車、GPS導航、醫學成像和量子計算中應用。

評估這些市場規模得出的關鍵結論是：TMR傳感器在汽車和可穿戴設備中都有大規模的市場應用，長期以來形成了數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，具有較高的復合年增長率和市場規模。

下一個最大的潛在市場可能是陀螺儀和原子鐘，兩者都可以用于導航和計時。重力計和圖像傳感器具有非常特殊的應用，預計將分別主要用于地下測繪和量子計算。當然，這些市場的規模取決于價格和商業準備時間。

為什么導航將成為量子傳感器的大眾市場？

迄今為止，獲取準確定位和當地時間的最常見方法是GNSS（全球導航衛星系統）數據，例如美國軍方的GPS（全球定位系統）。不過，在某些環境下，獲取GPS數據會受到限制，包括高山地形阻擋信號或第三方欺騙，因此，精密導航系統在拒絕GPS的環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，在一些應用中，幾個厘米的導航精度都至關重要，而生命風險是與系統錯誤相關的主要危險。此外，在人口稠密的城市環境中，由于GPS信號丟失，許多智能手機和可穿戴設備用戶難以使用地圖等應用進行導航。

在失去三角測量功能時繼續導航取決于對行駛距離、方向、速度和時間的準確測量。現有的運動傳感器、陀螺儀和本地振蕩器（時鐘）沒有足夠的精度進行精確導航；電子設備也越來越依賴于從衛星接收時間信息。

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航系統的本地訪問。迄今為止，許多量子傳感技術仍然過于龐大或昂貴，無法滿足大眾市場的導航需求。不過，隨著對自動駕駛汽車、智能手機和可穿戴設備需求的增加，該技術有望在未來十年進一步小型化和優化。因此，導航是量子傳感最有可能的大眾市場應用。

在GNSS被拒情況下，精密時鐘在精密導航和計時技術中發揮重要作用

量子傳感技術的未來

目前正在開發的主要量子傳感技術包括原子鐘、磁場傳感器、陀螺儀、重力儀和圖像傳感器。通常，更大的市場規模要求傳感器具有最優化的SWaP-C。

現在，量子傳感行業面臨的主要挑戰是將基于實驗室或臺式量子傳感設備小型化，使其能夠在大眾市場上與現有設備競爭。

從下表可以看到，在利基和大眾市場應用中，2024年與每個市場相關的技術開發的大致技術準備水平。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航，但對于消費電子產品來說，它仍然過于昂貴、龐大且不穩定。

量子傳感技術準備水平

量子傳感器行業市場地圖

不管怎樣，量子傳感器技術都將被廣泛應用。目前，數以百萬計的芯片級TMR傳感器已進入汽車行業，用于遠程電流檢測，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航和計時技術。

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

審核編輯：劉清