面向可穿戴应用的量子磁传感器
2026-06-22 17:42:47   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超导量子干涉器件（SQUID）应用于临床脑磁图（MEG）已有四十年历史，实践证明：仅靠超高灵敏度，无法打造实用的普及型磁传感系统。光泵磁力计（OPM）、金刚石氮-空位（NV）色心、隧道磁阻（TMR）传感器等新型量子传感方案相继问世，再次推动了可穿戴生物磁传感领域的研究热潮。然而，科研热情往往会掩盖现实困难，实验室可行方案与临床、可穿戴应用的磁传感器量产落地之间仍存在巨大鸿沟。

在上述背景下，厘清每种量子磁传感器技术的适用边界与短板，对制定战略投资规划、设定合理落地周期至关重要。据麦姆斯咨询报道，英国格拉斯哥大学和爱丁堡大学的研究团队近期在Nature Reviews Electrical Engineering上发表了一篇题为“Quantum magnetic sensors for wearable reality”的评论文章。

图1 四种量子磁传感器：SQUID、OPM、金刚石NV色心、TMR传感器

各类量子传感器的核心瓶颈

SQUID仍是生物磁探测灵敏度的黄金标准，能够实现飞特斯拉级分辨率，已成熟用于癫痫手术方案规划与术中神经导航，其临床价值巨大且长期稳定。但受基础物理原理限制，SQUID系统永远无法做成可穿戴传感设备。SQUID相关器件需要依靠液氦制冷在4.2 K低温下工作，这并非能够通过工程改良解决的难题。此外，配套50 L以上容积的低温杜瓦瓶，使得传感器与人体组织必须保持20～30 mm间距，使信号强度、空间分辨率大幅衰减。并且，其单套设备成本超10万美元，还需配套专用磁屏蔽室、低温液氦供应链等基础设施，因此SQUID仅能在专业医疗中心应用。

图2 多通道SQUID磁力计用于大脑神经电活动监测

光泵磁力计（OPM）是迈向实用化的重要突破。它无需低温制冷，仅需将碱金属气室加热至150℃即可工作，灵敏度可达皮特斯拉或飞特斯拉量级（10～15 fT Hz⁻¹ᐟ²）；传感器可直接贴合头皮，相比SQUID必须与人体隔开的结构，信号强度可提升3～4倍。已有研究在无屏蔽医院环境下完成OPM脑磁图实测，展现了重大技术突破。

图3 紧凑型OPM演示样机的设计示意图

然而，实现可穿戴设备全天候连续工作，OPM同样存在严峻瓶颈，只是不像SQUID的低温挑战那么直接。最核心的限制是功耗，OPM系统需要持续200～500 mW功率，用于维持气室温度、驱动激光二极管。但腕戴式可穿戴设备最多搭载100～500 mAh电池，总储能仅370～1850 mWh；若要实现24小时不间断工作，平均功耗必须控制在15～75 mW以内，而OPM功耗超出该上限10倍。间歇采样模式无法满足需要不间断监测的场景。

另一方面，规模化量产是OPM第二大难题。目前OPM依靠人工组装，集成加热玻璃气室、恒温外壳与激光模组，单支成本8000～15000美元。第三项更隐蔽的挑战是环境适应性：OPM动态范围仅±5 nT。现实环境中电网、行驶车辆、工业设备产生的外界磁场，经常超出该量程。当外界磁场超过其动态范围，OPM会进入测量盲区，完全无法采集数据。主动磁场补偿系统虽能将磁场控制在线性区间，但这又需要大型硬件，进而又回到了SQUID传感设备笨重的老问题。人体运动会产生振动相位噪声，身体位移会在空间磁场梯度中生成虚假信号；绝大多数OPM验证实验都在可控实验室完成，转到日常真实移动场景下，设备性能会大幅衰减。

图4 基于金刚石中的NV色心，Fraunhofer IAF开发紧凑型集成量子磁力计

NV色心在理论层面极具吸引力：可在室温或人体体温（37℃）下工作，具备其它磁传感器技术无法实现的纳米级空间分辨率。但系统整机集成存在根本性难题：读取NV自旋态需要两套缺一不可的模块：相干光泵浦光源（通常在532 nm）、微波场调控，二者无法缩小至贴合人体的可穿戴尺寸。激光器功耗100～500 mW，与OPM持平甚至更高。现有原型机整套成本2～5万美元，并且尚无集成化可穿戴NV磁力计实测案例。该技术制造成熟度有限，仍停留在概念验证及产业化初期阶段；若集成光子学、微型微波器件没有实现底层技术突破，短期内不可能落地临床可穿戴设备。

TMR传感器的差异化优势

TMR传感器拥有完全差异化的技术特性。顶级TMR器件灵敏度可达皮特斯拉级（1–10 pT Hz⁻¹ᐟ²），功耗仅1～10 mW，体积小于1 mm³；量产规模超十万片时，单片成本低于1美元。其制造成熟度更高，远高于OPM、NV色心、SQUID。TMR传感器的优异性能源于TMR可兼容CMOS工艺和MEMS工艺，依托数十年成熟半导体产线，而非全新实验室创新工艺。这些特性能够带来其他技术无法实现的可穿戴形态，例如：一次性粘贴TMR传感贴片、织物集成传感器阵列、百通道高密度采集系统。同等通道规模下，若采用OPM或SQUID，成本会高到完全没有商业化可行性。

图5 基于TMR传感器同步采集心电信号与磁信号示意图

当然，TMR相较SQUID仍存在灵敏度短板，这是物理原理决定的固有缺陷，无法通过工程优化彻底解决。TMR效应本身探测极限就在皮特斯拉区间；若强行提升灵敏度，需要长时间信号平均，不仅无法实现，而且会直接抵消TMR传感器的低成本、易规模化核心优势。这种灵敏度-量产规模的取舍关系，限制了TMR技术适用的生物磁传感场景。人体胸腔处心脏磁场约50 pT，处于TMR可探测区间。已有心磁图（MCG）系统在无屏蔽医院环境中成功识别心电R波、筛查房颤，证实TMR传感器可用于移动场景下的连续心脏监测。

肌磁图（MMG）是TMR传感器小型化优势的另一核心应用场景。肌肉动作电位会产生1～50 pT磁场。传统针式肌电图仅单点采集，测量结果受操作人员放置位置影响。表面肌电图覆盖范围更大，但因容积传导效应会损失空间分辨率。基于TMR的可穿戴肌磁图阵列可依托器件微型化优势搭建高密度传感系统，在皮肤表面捕捉运动单位信号，其空间分辨率优于传统方案。已有腕带式TMR肌磁图原型设备用于肌肉监测，验证了该技术可无创区分不同运动单位。

图6 基于TMR传感器的手势识别腕带

此外，还有超越单一器件参数的核心瓶颈亟待重视：绝大多数磁传感方案都未完成无屏蔽真实环境下的完整验证。现有临床生物磁监测系统全部放置在多层坡莫合金搭建的磁屏蔽室内，单套屏蔽室造价50万～200万美元，占地20～50 m³，无法用于床旁快速检测或居家场景。电网、车辆、工业设备会产生1～10 µT外界磁场，再加上人体运动伪影，传感器在磁场梯度中发生位移就会生成虚假信号，这些问题是上述四类传感器共同面临的挑战。

OPM动态范围极窄，受外界环境干扰影响最严重。TMR传感器可耐受±1 mT宽磁场，但50～60 Hz工频噪声（幅值50～500 nT），其频段与生理信号完全重叠。交流调制、梯度差分算法仅能降低20～40 dB干扰。医院病房实测的TMR腕带设备信噪比仅15～25 dB，虽足以识别心电R波、区分常见心律失常，但难以捕捉微弱的心室复极异常。尽管如此，能够在无屏蔽病房识别R波、筛查普通心律失常已是重大临床突破，但技术短板依旧存在。

四类量子磁传感器量产成本差异巨大

另一方面，四类量子磁传感器量产成本差异巨大。SQUID需要定制化工程设计，天然重资产投入，不存在可行的降价路径；OPM若不等待十年量级的底层技术突破，单支传感器成本无法降至5000美元以下；NV色心系统成本高企的核心原因是整机集成难度大，而非原材料昂贵，整套设备成本稳定在2万美元以上。TMR传感器依托成熟的CMOS和MEMS晶圆代工厂量产，商业化规模下单片成本低于1美元。这种成本优势源于制造工艺底层差异，并非短期市场红利。其成本结构让一次性贴片、高密度传感阵列成为可能，其它技术路线完全无法实现同等经济性。

结合应用场景选择适合的量子磁传感技术路径

结合应用场景评估，可以理清可穿戴人机交互设备的真实落地路径。SQUID脑磁图将持续用于专业实验室神经科学研究；OPM脑磁图适用于可控环境下、需要超高灵敏度的专项科研；可穿戴全天候神经生理监测、实时人机交互设备将以TMR传感器方案为主流，现有腕带产品已验证其心率监测、心律失常筛查、肌肉活动评估能力。用于假肢控制、手势识别的TMR肌磁阵列是新兴赛道，依托可穿戴高密度传感提供直观实时反馈，这是传统表面肌电图无法实现的。

综上，量子磁传感器行业下一步发展，应当放弃寻找“万能且最优产品”的想法，而是根据场景匹配对应的磁传感器技术路线。三大核心工作方向：1、建立可穿戴量子磁传感器标准化验证体系，在完全无屏蔽的真实环境开展前瞻性实测；2、研发抗干扰、运动伪影抑制算法，保障磁传感设备连续稳定工作；3、严格区分两类问题：一类是物理原理带来的固有局限，另一类是可通过工程改良解决的技术难题。因此，客观、清醒评估上述约束条件，是可穿戴量子磁传感技术成功落地的关键。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44287-026-00304-8

延伸阅读：

《磁传感器产业现状-2026版》

《传感器技术及市场-2026版》

《电流传感器产品对比分析》

《TMR磁传感器技术与成本对比分析》

《TMR电流传感器对比分析-2026版》

《电流传感器技术及市场-2023版》

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