【導讀】磁傳感技術現已成為現代電子系統的核心基礎，能夠在廣泛應用中精準檢測位置、速度、電流與方向。隨著各行業加速邁向電氣化、自動化與智能化系統，市場對傳感解決方案的精度、可靠性和能效也提出了更高要求。
在現有的各類技術中，隧道磁阻（TMR）傳感器憑借高靈敏度、低功耗以及與互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成的兼容性，已成為一種領先的解決方案。過去十年間，TMR 器件已從早期實驗室研發，演變為廣泛應用于工業、汽車電子、消費電子、機器人及醫療領域的核心元器件。
與霍爾（Hall）、各向異性磁電阻（AMR）及巨磁電阻（GMR）傳感器相比，TMR 技術具備更出色的信噪比與線性度。然而，伴隨著這些優勢，晶圓級測試與分選流程也更為復雜。在晶圓測試環節，TMR 器件需要在特定方向、幅度與空間均勻性都極為精確的三維磁場下進行測試，這給傳感器制造商、晶圓代工廠及測試設備供應商帶來了巨大挑戰。
隨著全球產能持續擴大，尤其是在中國市場，受電動汽車、機器人、智能制造及互聯消費電子設備的強勁需求驅動，上述挑戰愈發突出。因此，高效、精準且可規模化的晶圓級測試解決方案，對于助力基于 TMR 的系統實現產業化至關重要。
磁傳感技術概述
半導體集成電路中采用的磁傳感技術包含多種方案，并且在性能上各有權衡和取舍。
霍爾效應傳感器的工作原理，是基于電荷載流子在磁場作用下發生的偏轉。這類傳感器被廣泛用于成本敏感型應用，尤其適用于中低精度場景中的位置與電流檢測，盡管其性能易受芯片封裝過程中的溫度漂移與機械應力影響。
AMR 傳感器利用電流流向與磁化方向夾角所產生的電阻變化實現工作。其靈敏度高于霍爾傳感器，通常用于汽車與導航領域，但相較更先進的技術，其線性度與噪聲性能仍有不足。
GMR 傳感器采用多層薄膜結構，憑借自旋輸運效應實現磁場下的電阻變化。相較于 AMR 傳感器，GMR 傳感器的靈敏度更高，已廣泛應用于工業領域與數據存儲領域，但輸出信號仍不及 TMR 器件。
基于磁隧道結（MTJ）的TMR 傳感器是目前最先進的磁阻類傳感器。它包括自由層與參考層兩層鐵磁層，中間隔著一層超薄絕緣勢壘（通常為氧化鎂 MgO）。當施加偏置電壓時，電子依靠隧穿效應穿過勢壘，而電導率則由兩層鐵磁層磁化方向的相對排列決定。在平行組態下，電阻最小，夾角發生偏移，則電阻隨之升高。這一機理使得 TMR 的磁阻比能夠輕松超過 100%，具有輸出信號強、低噪聲的優勢，還可實現低至幾微特斯拉級別的微弱磁場檢測。
圖 1：TMR 傳感器示意圖
基于磁隧道結（MTJ）的 TMR 傳感器結構與工作原理，展示了電阻如何隨自由層與參考層之間的磁化方向的排列而變化。
應用拓展與市場增長
2023 年，全球磁傳感器市場規模約30 億美元，預計到 2028 年將以超 4% 的年復合增長率（CAGR）持續增長；TMR 傳感器憑借高靈敏度、出色的可擴展性與集成能力，將成為增速最快的細分領域。
TMR傳感器正廣泛應用于各行各業：
工業系統：工廠自動化、能源系統及可再生能源逆變器中的電機控制、精密編碼器與電流檢測；在這些場景中，設備在溫度變化和電磁干擾下保持穩定運行至關重要。
汽車應用：電動助力轉向、牽引電機、電池管理系統、輪速檢測、換擋監測及高級駕駛輔助系統（ADAS）。
消費電子：智能手機、可穿戴設備和平板電腦，以及電子羅盤、方向檢測、手勢識別及增強現實（AR）等支持功能。
機器人：工業與協作機器人，提供高分辨率編碼器及關節位置反饋。
醫療設備：檢測人體生理活動產生的微弱磁場。
中國在這一發展進程中扮演核心角色，無論是電動出行、工業自動化、機器人，還是先進電子制造領域，都展現出了強勁的發展勢頭。中國的電動汽車產量、電池系統與智能制造基礎設施的快速擴張，正持續推動對于高精度傳感技術的需求。與此同時，隨著本土半導體實力不斷提升，先進封裝測試生態持續發展，行業對于能夠適配下一代器件、可規模量產的高性能晶圓級測試解決方案的需求也變得愈發迫切。
晶圓級測試：一項復雜的技術挑戰
盡管 TMR 傳感器優勢顯著，但其晶圓級測試環節復雜度極高。
與通常在相對較低磁場下工作的霍爾器件或各向異性磁阻（AMR）器件不同， TMR 傳感器需要微特斯拉至數百毫特斯拉范圍內的可控磁場。測試需覆蓋兩種測量模式：
小回線（minor loop）：磁場通常為幾十毫特斯拉，用于表征傳感器的線性響應
大回線（major loop）：需施加高達數百毫特斯拉的磁場，使器件達到磁飽和狀態
此外，TMR 傳感器可在平面模式下工作，也可作為三維角度傳感器，這就要求對 X、Y、Z 三軸方向的磁場矢量進行精準控制。
晶圓級測試通常使用自動探針臺完成，晶圓被放置于金屬吸盤上。該結構將磁場生成系統限制在上半空間，并對如何施加磁刺激（Magnetic Stimuli）產生了制約，因此必須采用投影式磁場（Projected Magnetic Field）方案。
由于探針測試環境中存在各種寄生效應，想要實現高精度測試極具挑戰性。探針卡或探針腔室的金屬部件，會通過屏蔽效應與渦流效應造成磁場畸變。為抵消這些影響，不僅需配備搭載原位磁場傳感器的閉環校準系統，還需要精密的機械定位系統。
為了提升產能（Throughput），測試過程必須進行快速且可重復的磁場掃描。然而，掃描速度提升會加劇渦流效應，導致測試精度下降。與此同時，為提升測試效率所采用的并行測試方案，也帶來了更多技術難題。
總體而言，TMR 傳感器的晶圓級測試需要在多項相互制約的關鍵參數間尋求平衡：包括磁場強度、精度、均勻性、掃場速度與并行測試能力。然而，單一參數的提升，往往以犧牲其他參數為代價，這使得系統的整體優化難度變得異常復雜。
專用磁測試解決方案
為應對上述挑戰，Hprobe 開發的專用磁測試儀器已面市，專門用于 TMR 及相關磁傳感器的晶圓級測試。
Hprobe用于磁傳感器測試的測試儀器
這類儀器集成了專有的三維磁場發生器，可投射 X、Y、Z 三軸分量獨立可控的矢量磁場。它們可作為磁場任意波形發生器使用，實現靈活、可編程的磁激勵波形。
針對不同的具體需求，不同的系統配置也進行了優化，包括：
最大化面內場強（X Y方向）或面外場強（Z方向）
實現大面積的磁場均勻性
實現超快速掃場（高?dB/dt）
為 2D 及 3D 測量提供精確的角度控制
典型的運行參數范圍包括：
低場工作模式：可低至約 1?mT
全三維矢量控制：任意方向高達 ~200?mT
單軸模式：垂直方向上最高可達到~650mT，在面內方向上可達到~500mT
為了確保測試的精度和可重復性，每個系統均集成一個自動磁場校準單元（FCU），并在被測設備（DUT）的位置放置了一個經過校準的 3D 傳感器，這樣一來，系統就能對磁矢量進行實時校準，并補償包括地磁場等環境因素在內的殘磁場，最終，其測試精度可優于 10 μT。
作為晶圓級探測的一站式解決方案，該系統（三維磁場測試儀器）可與商用自動測試設備（ATE）或定制化測試系統連接；支持基于 TCP/IP 協議的 SCPI 指令控制，能夠實現磁激勵與電學測試的同步聯動。
該系統兼容標準探針卡，支持多探針配置，可覆蓋 40?℃ 到 200?℃ 的溫度范圍，既能滿足研發需求，也適用于大規模量產場景。
圖 2：Hprobe 的3D磁場發生器配置
展示了晶圓級測試所用 3D 磁場發生器的配置，分別呈現出面內、面外及完整 3D矢量磁場控制的各類優化模式。
小結
TMR 技術已成為下一代磁傳感技術的基石，可在各類應用場景中實現高精度、高線性度與低功耗性能。但這類性能優勢，也對其晶圓級測試環節提出了嚴苛要求。
需要在大面積晶圓上實現精準、穩定和全矢量磁場控制，同時具備高吞吐量，并適配自動化測試系統。傳統測試方案已無法滿足上述要求。
Hprobe 開發的專用磁場測試儀器，集成高精度三維磁場發生器技術、自動校準及先進控制功能，為解決上述難題提供了高效解決方案。該類儀器既可完成精細的器件性能表征，也能適配規模化量產測試，全面保障測試的精度、可重復性與測試效率。
隨著高性能磁傳感器的市場需求持續攀升（中國及亞洲地區的需求尤為突出），此類技術成為銜接實驗室創新與工業量產的關鍵紐帶，助力下一代磁性 IC 穩定落地、順利推向市場。
在此背景下，生產效率與良率優化成為制勝關鍵。先進的晶圓級磁場測試方案，不僅能夠保障器件性能，還可直接助力大規模量產場景下的工藝管控、良率提升與成本優化。
作者簡介
Siamak Salimy ｜Hprobe（Mycronic 旗下公司）的首席技術官兼聯合創始人
Siamak Salimy主要負責領導公司面向半導體應用的先進磁性測試解決方案的研發工作，尤其是專注于磁傳感器的晶圓級測試。
Siamak Salimy在半導體技術領域擁有極其豐富的經驗，涵蓋 CMOS、MEMS、射頻（RF）以及自旋電子學（spintronics）等方向，此前曾在 Atmel 和 Teledyne Semiconductor 擔任重要職務。他擁有法國南特大學（University of Nantes）的博士學位以及南特綜合理工學院（Polytech Nantes）的工程師學位。
