可颠覆汽车和可穿戴设备的传感技术

TMR（穿隧磁阻，Tunneling Magnetoresistance）传感器是一种微小的传感器，它正在迅速颠覆汽车和可穿戴设备行业。它利用量子现象提供优于现有传感器的性能优势，可以替代主流霍尔效应传感器等产品。尽管不依赖于量子叠加（superposition）和纠缠（entanglement）等更令人兴奋的效应，但TMR传感器还是在新兴量子传感器市场获得了成功。

什么是量子传感器？

传感器用来收集一系列现象的数据，以测量设备的物理特性，是一种可输出可测电信号的转换器。使用传感器可以测量的特性很多，而与量子传感器市场最相关的是时间、运动和重力、磁场、电流和光子。

量子传感器的工作依赖于量子现象，与其替代的传感器相比，它的灵敏度显著提高，从而增加价值，或者能够测量其他无法获得的特性。在大多数情况下，量子现象的利用带来了比经典替代方案更高的灵敏度优势。不过，在某些情况下，性能的提高源于功耗、尺寸或遥感功能的权衡。

量子传感器的优势

什么是TMR传感器？

尽管IDTechEx将TMR传感器归类为量子传感器，但严格来讲，TMR传感器并不是量子传感器，但它利用了量子隧穿效应（量子力学现象）。

TMR传感器由铁磁体薄层和纳米厚绝缘体组成，使用量子隧道进行高灵敏度的磁场测量。得益于量子力学，电子隧穿这些层的概率强烈依赖于磁场和电场。TMR传感器可以集成在电路中，使电路表现出易于测量的电压或电阻变化，并检测比现有传感器小数百倍的磁场。

TMR传感器的工作原理

与GMR（巨磁电阻）传感器和AMR（磁性）传感器比较，TMR传感器对外部磁场的方向更为敏感，输出响应更快，因此适用于需要高灵敏度和快速响应的应用，如位置检测、速度检测等。

TMR的输出响应与GMR和AMR的比较

事实上，灵敏度并不是传感器市场唯一重要的参数。优化尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）也至关重要。与霍尔传感器相比，TMR传感器能够降低功耗，这是吸引用户采用的关键。特别是物联网（IoT）设备需要能够运行更长的时间，对低功耗有着不懈的追求。

小型化磁场传感器的关键特性比较

TMR传感器结构相对简单，有助于实现高度优化的SWAP-C，可以在已有的半导体代工厂中用CMOS技术制造。其小型化不仅可与更成熟的解决方案竞争，而且在许多情况下更具优势。

另外，许多其他量子传感技术也正在开发中，包括磁场传感器以及时钟、重力仪、陀螺仪和光电探测器。这些技术有可能在灵敏度上提高几个数量级，进而颠覆现有的传感器市场。

不过，下一代量子传感器还存在一些挑战，包含基于纠缠和叠加的解决方案所需的组件和基础设施远比隧道更为传输复杂。蒸汽电池、激光器、氮空位中心等仍然是量子技术行业需要解决的高价值技术挑战。

TMR应用多样性的优势

TMR传感器在唤醒、角度和位置传感以及远程电流检测等多个垂直行业中都有应用。许多可穿戴和医疗设备都依赖唤醒功能，包括用于糖尿病管理的连续血糖监测仪和密封的数字药丸；遥感和温度鲁棒性也为电动汽车和太阳能系统的监测提供了增强的安全性。至于其位置和角度检测，几乎有无限的用途，而在风力涡轮机功率优化、机器人和工厂优化方面更有明显价值。

TMR用例的多样性及潜在的行业应用为扩大生产提供了优势。虽然新的传感器可能在灵敏度、尺寸和功率方面具有竞争优势，但商业化后的规模经济几乎总会导致成本上的初步妥协。只有在高价值行业找到早期采用者，才能在进入更大批量市场之前提高生产能力。

作为一个细分领域，电动汽车市场将成为TMR传感器进入消费电子产品的跳板，一些领先的传感器企业最近的一些活动证明了这种方法的成功，例如TDK的产能翻了一番，Crocus的销量超过了1亿颗。IDTechEx预计，2024-2034年量子传感器将在一些新兴的设备中获得更高的销量，其中TMR传感器的市场规模最大。

市场规模与复合年增长率的关系

为什么量子传感器这么诱人？

IDTechEx认为，预计到2044年，包括TMR传感器，量子传感器市场将达到71亿美元，复合年增长率为18%，涵盖原子钟、量子陀螺仪、量子磁场传感器、量子重力仪和量子图像传感器。

量子传感器有望通过显著提高灵敏度来解锁新的应用。目前，已有多达十余种量子传感技术，包括多种类型的原子钟和磁场传感器，已在电动汽车、GPS导航、医学成像和量子计算中应用。

评估这些市场规模得出的关键结论是：TMR传感器在汽车和可穿戴设备中都有大规模的市场应用，长期以来形成了数百亿个的最大累计潜在市场。它代表了一个低价值、高容量的市场，具有较高的复合年增长率和市场规模。

下一个最大的潜在市场可能是陀螺仪和原子钟，两者都可以用于导航和计时。重力计和图像传感器具有非常特殊的应用，预计将分别主要用于地下测绘和量子计算。当然，这些市场的规模取决于价格和商业准备时间。

为什么导航将成为量子传感器的大众市场？

迄今为止，获取准确定位和当地时间的最常见方法是GNSS（全球导航卫星系统）数据，例如美国军方的GPS（全球定位系统）。不过，在某些环境下，获取GPS数据会受到限制，包括高山地形阻挡信号或第三方欺骗，因此，精密导航系统在拒绝GPS的环境中保持可靠性的压力越来越大。

自动驾驶汽车就是一个重要的例子，在一些应用中，几个厘米的导航精度都至关重要，而生命风险是与系统错误相关的主要危险。此外，在人口稠密的城市环境中，由于GPS信号丢失，许多智能手机和可穿戴设备用户难以使用地图等应用进行导航。

在失去三角测量功能时继续导航取决于对行驶距离、方向、速度和时间的准确测量。现有的运动传感器、陀螺仪和本地振荡器（时钟）没有足够的精度进行精确导航；电子设备也越来越依赖于从卫星接收时间信息。

用于位置和运动的量子传感器（如陀螺仪和加速度计）和时间（原子钟）可以在不依赖GNSS的情况下提供对精确惯性导航系统的本地访问。迄今为止，许多量子传感技术仍然过于庞大或昂贵，无法满足大众市场的导航需求。不过，随着对自动驾驶汽车、智能手机和可穿戴设备需求的增加，该技术有望在未来十年进一步小型化和优化。因此，导航是量子传感最有可能的大众市场应用。

在GNSS被拒情况下，精密时钟在精密导航和计时技术中发挥重要作用

量子传感技术的未来

目前正在开发的主要量子传感技术包括原子钟、磁场传感器、陀螺仪、重力仪和图像传感器。通常，更大的市场规模要求传感器具有最优化的SWaP-C。

现在，量子传感行业面临的主要挑战是将基于实验室或台式量子传感设备小型化，使其能够在大众市场上与现有设备竞争。

从下表可以看到，在利基和大众市场应用中，2024年与每个市场相关的技术开发的大致技术准备水平。例如，一些芯片级原子钟可以用于航空航天中的最后一英里导航，但对于消费电子产品来说，它仍然过于昂贵、庞大且不稳定。

量子传感技术准备水平

量子传感器行业市场地图

不管怎样，量子传感器技术都将被广泛应用。目前，数以百万计的芯片级TMR传感器已进入汽车行业，用于远程电流检测，而使用光泵磁力仪的生物磁成像仍处于早期阶段。

已有迹象表明，原子钟和量子陀螺仪将成为未来航空航天、汽车、金融甚至消费电子市场采用的精确导航和计时技术。

而TMR传感器通过高灵敏度和优化的尺寸、重量和功耗，将为多个行业增加商业价值。这项技术已成为利用量子效应颠覆经典传感器市场的一个范例。