中北大学：基于金刚石NV色心阵列的温度场超快探测与识别量子传感器

温度场的超快探测与识别技术在诸多应用中至关重要，涉及环境传感、生物医学监测以及先进能源系统的热管理等领域。传统的温度传感系统通常采用冯·诺依曼架构，由离散传感阵列、存储模块和处理器组成，这类系统普遍存在延迟高、能耗大、硬件成本高的缺陷。随着传感技术与人工智能（AI）的最新进展，业界正积极开发新的传感器架构，旨在消除传感阵列、存储器与处理器间数据接口，以提升器件性能。尽管基于传感器内计算（ISC）的超快光学传感器已借助响应度可调控的二维材料得以实现，但受限于传统的温度传感器（例如热敏电阻、热电偶、热红外传感器）响应缓慢且响应度固定的特性，温度场ISC传感器尚未实现落地。

据麦姆斯咨询报道，近期，中北大学刘俊教授、唐军教授、郭浩教授团队与中国科学院半导体研究所王丽丽研究员团队联合提出一种基于金刚石阵列的温度场超快探测与识别量子传感器（TDI-DQS），该传感器在统一的传感器内计算（ISC）架构中集成了温度传感与实时处理功能，利用温度与金刚石中氮空位（NV）色心零场分裂之间的强线性相关性，结合多参数微波调制，成功实现了兼具超快响应速度与可调谐响应度的固定频率温度传感，其单次探测与识别延迟仅为196.8 μs。这项研究构建了一种基于ISC的可扩展量子传感范式，为高速、低功耗智能温度场探测技术的发展提供了极具潜力的新方向。相关研究成果以“Temperature field ultrafast detection and identification quantum sensor based on diamond array”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

在这项工作中，研究人员提出一种温度场探测与识别金刚石量子传感器（TDI-DQS），该传感器在传感器内计算（ISC）架构中采用金刚石氮空位（NV）色心阵列。这种设计在物理层面集成了传感、存储与处理功能，能够在传感器内部直接实现实时、低延迟的计算。TDI-DQS由空间结构化的金刚石阵列和并行补偿电阻阵列组成。具体而言，金刚石阵列对温度强度与响应度进行实时矩阵-向量乘法运算，并利用基尔霍夫电流求和定律，直接对模拟传感器输出执行全连接人工神经网络（ANN）运算。由此形成的TDI-DQS融合了量子传感的超快特性与ISC架构的计算效率，无需额外配置离散存储和处理器模块，有效避免了大量冗余数据传输带来的性能损耗。

图1 温度场超快探测与识别金刚石量子传感器（TDI-DQS）

为了评估温度场探测与识别金刚石量子传感器（TDI-DQS）的响应时间，研究人员将温度探测与识别过程分解为两个连续步骤：热响应与光响应。通过热传导动力学模拟与脉冲激光系统实验验证，将测得的热响应时间与光响应时间相结合，估算出总探测与识别延迟约为196.7 μs  + 113.6 ns ≈ 196.8 μs，这一数据凸显了TDI-DQS相较于传统热传感系统的显著速度优势。研究人员表示，未来通过优化运算放大器的带宽和光电探测器性能，有望进一步提升响应速度，为超高速温度场探测与识别应用的落地奠定基础。

图2 TDI-DQS的超快响应速度与可调响应性特性测试

为全面验证温度场探测与识别金刚石量子传感器（TDI-DQS）的温度场探测及识别能力，研究人员搭建了专用测试平台。实验结果表明，TDI-DQS探测不同故障类型温度场时的三通道输出电流，与模型的理想输出值高度吻合，证明其具备出色的抗环境干扰能力。针对金刚石传感器固有的磁敏感性问题，研究人员通过在子像素中额外增加一个金刚石传感器，设计了三单元差分结构，成功实现了温度探测过程中的抗磁场干扰。这些结果证实了TDI-DQS能够实时准确地探测并区分空间温度场分布，彰显了其在智能热诊断领域的实际应用潜力。

图3 基于TDI-DQS进行超快温度场探测与识别

综上所述，这项研究工作创新性地提出了基于金刚石氮空位（NV）色心阵列与传感器内计算（ISC）架构融合的温度场探测与识别金刚石量子传感器（TDI-DQS）设计方案，通过将高速量子传感与嵌入式类神经网络计算深度集成，形成了紧凑、低功耗、硬件成本可控的技术解决方案。在实际热环境测试中，TDI-DQS展现出高效且准确的多目标分类能力，为先进应用中的高速智能温度传感提供了极具吸引力的技术路径，未来有望在能源系统诊断、生物医学监测和先进工业应用等领域进行部署。