Bosch正在開發(fā)靈敏度比當前MEMS傳感器高1000倍的磁場量子傳感器

想象一下，未來我們將生活在一個所有智能設備及機器人都可以由人類思想控制的世界里。據(jù)Bosch Quantum Sensing預計，20年后，量子傳感器將能夠測量大腦信號并將其轉(zhuǎn)化為機械動作。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Bosch Quantum Sensing是一家隸屬于博世（Bosch）的初創(chuàng)公司，正在開發(fā)靈敏度比當前MEMS傳感器高1000倍的磁場量子傳感器。該公司的目標是為下一代腦機接口（BCI）制造量子傳感器，據(jù)Bosch Quantum Sensing估計，從長遠來看，下一代腦機接口的市場規(guī)模每年將超過50億美元。EE Times Europe近期采訪了Bosch Quantum Sensing首席執(zhí)行官Katrin Kobe博士，雙方探討了基于金剛石的量子傳感器在導航、電動交通以及醫(yī)療領域的應用前景。

處理單個量子態(tài)

量子傳感器可以分為兩代。第一代考慮的是量子態(tài)的統(tǒng)計系統(tǒng)，而第二代考慮的是經(jīng)專門處理的單個量子態(tài)。從第一代量子傳感器過渡到第二代量子傳感器，并實現(xiàn)對單個量子態(tài)的操縱，用了20年的時間。Kobe以電子自旋為例說：“把電子放在一個定義明確的自旋中。一旦與環(huán)境發(fā)生關聯(lián)，自旋就會翻轉(zhuǎn)。我們可以測量自旋翻轉(zhuǎn)，這意味著可以測量環(huán)境中極小的信號或變化?！?/p>

量子傳感器能以極高的靈敏度測量各種物理特性，包括溫度、磁場和旋轉(zhuǎn)。Bosch一直在開發(fā)兩種類型的量子傳感器，一種是量子磁強計，用于高精度測量極小的磁場，還有一種是量子陀螺儀，用于跟蹤微小的旋轉(zhuǎn)運動。目前，Bosch Quantum Sensing正專注于研究基于金剛石氮空位（NV）中心的量子磁強計。

超靈敏、微型化

目前有多種方案可以制造量子磁強計。例如，超導量子干涉器件（SQUID）是一種高靈敏度的磁強計，可測量極其細微的磁場變化?！暗枰愣ǖ蜏?，并且體積龐大?！盞obe說。

其它選擇還有利用激光捕獲及操縱單個原子的光學阱，以及利用極化自旋系統(tǒng)的進動來測量磁場的氣室磁強計?！暗鈱W阱通常使用笨重的光學元件制造。而使用氣室時，需要特定的溫度，因此必須對其加熱，而且會受到尺寸的限制?！盞obe指出。

為了獲得不受SQUID、光學阱或氣室磁強計限制的高靈敏度量子磁強計，需要探索一種替代方案（例如金剛石中的原子缺陷）。

完美無瑕的金剛石僅由碳元素組成。一個氮原子及相鄰碳原子的缺失造成了缺陷。而正是這些“氮空位中心”，對磁場的細微變化高度敏感。

“Bosch Quantum Sensing研究人員既在研究氣室，也在研究金剛石中的氮空位中心?！盞obe說，“然而，作為一家初創(chuàng)公司，我們專注于研究氮空位中心金剛石。因為它們具有獨特的賣點，它們的靈敏度極高，體積更小，堅固耐用，并且可在室溫下使用。此外，還具有很高的空間分辨率和極寬的測量范圍?！?/p>

由于需要許多組件，因此構建一個具有氮空位中心的量子傳感器并非易事，如下圖所示。但這項技術有望通過提高靈敏度和微型化來解鎖新應用。

圖1 利用金剛石中氮空位中心制造量子磁強計需要很多組件

非侵入性腦機接口

傳感器越小，帶來的好處越多。2022年初，Bosch Quantum Sensing展示了一款實驗室規(guī)模的量子磁強計裝置。“9個月后，我們將磁強計縮小到鞋盒大小。去年年初，我們又將其縮小到牛奶盒大小。如今，它已縮小到手機大小?！盞obe介紹說。

Kobe稱：“我們的目標是縮小到火柴盒大小，但目前還沒有確定的時間表。我們現(xiàn)在已經(jīng)開始與客戶進行試點，可能會有比尺寸更重要的其它要求?？梢钥隙ǖ氖?，火柴盒大小是下一步的目標，從長遠來看，我們希望將其微型化到可以集成到芯片上?！?/p>

Bosch Quantum Sensing聲稱其量子傳感器原型現(xiàn)在只有手機大小

磁強計的商業(yè)化將經(jīng)歷一個循序漸進的過程。Bosch Quantum Sensing將在未來幾年內(nèi)確立醫(yī)療和移動領域的試點客戶并與之合作。隨后再進行批量生產(chǎn)。磁強計的市場化還將取決于應用。

Kobe說：“我們的長期目標是腦機接口，讓人們只用意念就能控制事物。但我們預計這些應用在2035年之前應該還不會落地。還有其它一些應用，我們認為可以在這十年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化?！?/p>

這些應用包括：

- 利用地球不變的磁場在空中、道路、水上及水下導航；

- 在電動交通工具中，精確測量電流磁場以及電池準確的充電水平；

- 磁心電圖儀等醫(yī)療應用，可以長時間測量心臟的自然磁場，提供比現(xiàn)在的心電圖儀更多的數(shù)據(jù)。當前的心電圖通過電極直接作用于皮膚，如果電極滑落，測量結(jié)果就會不準確。相比之下，量子傳感器可以整合到衣服或床墊中，從而在家中進行長期監(jiān)測。

構建生態(tài)系統(tǒng)

Kobe非常關心量子傳感器行業(yè)的現(xiàn)狀。她說：“在各種會議上，人們都在談論量子計算和密碼學，只有一小部分在討論量子傳感?！?/p>

不過，Kobe并不認為量子傳感的相對熱度反映了市場機會的缺乏。每個人都在談論量子計算，這在業(yè)界是一個非常重要的主題。但是，如果進一步關注風險投資，就會發(fā)現(xiàn)量子傳感領域的投資正在增長。這是一項更加成熟的技術，量子傳感公司比量子計算公司更接近市場。

政府和風險投資是量子技術能否迅速進入市場的良好指標。根據(jù)英國知名研究公司IDTechEx的數(shù)據(jù)，在量子計算、傳感和通信領域的政府支出幾乎是平分秋色的，而私人投資則更多地集中在量子計算領域。這可能會減緩量子傳感技術的商業(yè)化進程，因為許多與器件制造和微型化相關的挑戰(zhàn)，取決于投資巨大的專用制造設施。

量子傳感生態(tài)系統(tǒng)仍處于起步階段，建立一個完整的生態(tài)系統(tǒng)至關重要。在Bosch Quantum Sensing的案例中，拼圖的起點是金剛石，然后是圍繞金剛石的光學元件、靜態(tài)磁場、可調(diào)微波發(fā)生器以及信號處理。Kobe表示：“我們需要了解客戶的需求，需要產(chǎn)品設計、應用know-how以及生產(chǎn)工藝、能力和設施。”

她呼吁相關方立即采取行動，因為現(xiàn)在還沒有穩(wěn)定的高品質(zhì)金剛石生產(chǎn)，還沒有可以直接采購的靜態(tài)磁場。通過各種會議，我們可以看到這個行業(yè)確實在向商業(yè)化邁進，但還有很長的路要走。

Kobe說，建立強大的生態(tài)系統(tǒng)對于歐洲在未來幾年保持競爭力至關重要。歐洲和美國都投入了巨資，但我們不應忽視中國，因為中國的投資有些是非公開的。目前，我們與美國一起處于領先地位，但我們不能在量子生態(tài)系統(tǒng)建設方面掉以輕心。

盡管量子計算硬件的市場規(guī)模仍將占據(jù)主導地位，但IDTechEx認為，量子傳感器的市場化將在未來10年內(nèi)帶來規(guī)模優(yōu)勢。IDTechEx預測，隨著量子傳感器在電動汽車、GPS導航、醫(yī)學成像和量子計算等領域的應用，預計到2044年，全球量子傳感器市場規(guī)模將增長至71億美元。

背后的Bosch

“我們的目標很明確。”Kobe說，“未來幾年，我們將與客戶一起進行試點，并進入市場。我們希望在量子傳感市場中扮演重要角色。我們可以依靠博世的堅實背景，Bosch在微型化、大批量、高質(zhì)量生產(chǎn)方面經(jīng)驗豐富?！?/p>

Bosch Quantum Sensing于2022年初從博世分離出來成為一家獨資公司。因此，該公司可以像初創(chuàng)公司一樣靈活運作，同時擁有母公司的資源。“我們不是開發(fā)全新的傳感器、想法或概念?！盞obe說，“所有的基礎研究都是在Bosch的研究部門完成的，他們成功完成概念驗證，然后交給我們，我們再把它做成產(chǎn)品。我們的重點是確定一種能讓客戶受益的應用?！?/p>

Bosch Quantum Sensing是繼Bosch Sensortec之后的又一家獨立子公司，后者成立于2005年，致力于開拓消費級MEMS市場?，F(xiàn)在，博世每天為移動解決方案和消費電子產(chǎn)品生產(chǎn)超過400萬顆MEMS傳感器。

在兩年的時間里，Bosch Quantum Sensing已經(jīng)建立了一支由30人組成的團隊，其中包括物理學家、醫(yī)生、生物學家、工程師、業(yè)務開發(fā)經(jīng)理和具有商業(yè)背景的產(chǎn)品經(jīng)理。Kobe說：“吸引人才是業(yè)務發(fā)展的關鍵。人才是一個現(xiàn)實問題，我們一直在爭取最好的人才。受限于現(xiàn)有的人才資源，我們的發(fā)展并不容易。不過，與其它分支相比，量子傳感器非常有吸引力?！?/p>

本文源自EE Times Europe，麥姆斯咨詢編譯。