【导读】磁传感技能现已经成为现代电子体系的焦点基础，可以或许于广泛运用中精准检测位置、速率、电流与标的目的。跟着各行业加快迈向电气化、主动化与智能化体系，市场对于传感解决方案的精度、靠得住性及能效也提出了更高要求。
于现有的各种技能中，地道磁阻（TMR）传感器依附高敏捷度、低功耗以和与互补金属氧化物半导体（CMOS）集成的兼容性，已经成为一种领先的解决方案。已往十年间，TMR 器件已经从初期试验室研发，蜕变为广泛运用在工业、汽车电子、消费电子、呆板人和医疗范畴的焦点元器件。
与霍尔（Hall）、各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）传感器比拟，TMR 技能具有更精彩的信噪比与线性度。然而，陪同着这些上风，晶圆级测试与分选流程也更为繁杂。于晶圆测试环节，TMR 器件需要于特定标的目的、幅度与空间匀称性都极其切确的三维磁场下举行测试，这给传感器制造商、晶圆代工场和测试装备供给商带来了巨年夜挑战。
跟着全世界产能连续扩展，特别是于中国市场，受电动汽车、呆板人、智能制造和互联消费电子装备的强劲需求驱动，上述挑战愈发凸起。是以，高效、精准且可范围化的晶圆级测试解决方案，对于在助力基在 TMR 的体系实现财产化至关主要。
磁传感技能概述
半导体集成电路中采用的磁传感技能包罗多种方案，而且于机能上各有衡量及弃取。
霍尔效应传感器的事情道理，是基在电荷载流子于磁场作用下发生的偏转。这种传感器被广泛用在成本敏感型运用，特别合用在中低精度场景中的位置与电流检测，只管其机能易受芯片封装历程中的温度漂移与机械应力影响。
AMR 传感器使用电流流向与磁化标的目的夹角所孕育发生的电阻变化实现事情。其敏捷度高在霍尔传感器，凡是用在汽车与导航范畴，但相较更进步前辈的技能，其线性度与噪声机能仍有不足。
GMR 传感器采用多层薄膜布局，依附自旋输运效应实现磁场下的电阻变化。相较在 AMR 传感器，GMR 传感器的敏捷度更高，已经广泛运用在工业范畴与数据存储范畴，但输出旌旗灯号仍不和 TMR 器件。
基在磁地道结（MTJ）的TMR 传感器是今朝开始进的磁阻类传感器。它包括自由层与参考层两层铁磁层，中距离着一层超薄绝缘势垒（凡是为氧化镁 MgO）。当施加偏置电压时，电子依赖隧穿效应穿过势垒，而电导率则由两层铁磁层磁化标的目的的相对于摆列决议。于平行组态下，电阻最小，夹角发生偏移，则电阻随之升高。这一机理使患上 TMR 的磁阻比可以或许轻松跨越 100%，具备输出旌旗灯号强、低噪声的上风，还有可实现低至几微特斯拉级另外微弱磁场检测。
图 1：TMR 传感器示用意
基在磁地道结（MTJ）的 TMR 传感器布局与事情道理，展示了电阻怎样随自由层与参考层之间的磁化标的目的的摆列而变化。
运用拓展与市场增加
2023 年，全世界磁传感器市场范围约30 亿美元，估计到 2028 年将以超 4% 的年复合增加率（CAGR）连续增加；TMR 传感器依附高敏捷度、精彩的可扩大性与集成能力，将成为增速最快的细分范畴。
TMR传感器正广泛运用在各行各业：
工业体系：工场主动化、能源体系和可再生能源逆变器中的机电节制、周详编码器与电流检测；于这些场景中，装备于温度变化及电磁滋扰下连结不变运行至关主要。
汽车运用：电动助力转向、牵引机电、电池治理体系、轮速检测、换挡监测和高级驾驶辅助体系（ADAS）。
消费电子：智能手机、可穿着装备及平板电脑，以和电子罗盘、标的目的检测、手势辨认和加强实际（AR）等撑持功效。
呆板人：工业与协作呆板人，提供高分辩率编码器和枢纽关头位置反馈。
医疗装备：检测人体心理勾当孕育发生的微弱磁场。
中国于这一成长进程中饰演焦点脚色，不管是电动出行、工业主动化、呆板人，还有是进步前辈电子制造范畴，都揭示出了强劲的成长势头。中国的电动汽车产量、电池体系与智能制造基础举措措施的快速扩张，正连续鞭策对于在高精度传感技能的需求。与此同时，跟着本土半导体实力不停晋升，进步前辈封装测试生态连续成长，行业对于在可以或许适配下一代器件、可范围量产的高机能晶圆级测试解决方案的需求也变患上愈发火急。
晶圆级测试：一项繁杂的技能挑战
只管 TMR 传感器上风显著，但其晶圆级测试环节繁杂度极高。
与凡是于相对于较低磁场下事情的霍尔器件或者各向异性磁阻（AMR）器件差别， TMR 传感器需要微特斯拉至数百毫特斯拉规模内的可控磁场。测试需笼罩两种丈量模式：
小回线（minor loop）：磁场凡是为几十毫特斯拉，用在表征传感器的线性相应
年夜回线（major loop）：需施加高达数百毫特斯拉的磁场，使器件到达磁饱及状况
此外，TMR 传感器可于平面模式下事情，也可作为三维角度传感器，这就要求对于 X、Y、Z 三轴标的目的的磁场矢量举行精准节制。
晶圆级测试凡是利用主动探针台完成，晶圆被放置在金属吸盘上。该布局将磁场天生体系限定于上半空间，并对于怎样施加磁刺激（Magnetic Stimuli）孕育发生了制约，是以必需采用投影式磁场（Projected Magnetic Field）方案。
因为探针测试情况中存于各类寄生效应，想要实现高精度测试极具挑战性。探针卡或者探针腔室的金属部件，会经由过程屏蔽效应与涡流效应造成磁场畸变。为抵消这些影响，不仅需配备搭载原位磁场传感器的闭环校准体系，还有需要周详的机械定位体系。
为了晋升产能（Throughput），测试历程必需举行快速且可反复的磁场扫描。然而，扫描速率晋升会加重涡流效应，致使测试精度降落。与此同时，为晋升测试效率所采用的并行测试方案，也带来了更多技能难题。
整体而言，TMR 传感器的晶圆级测试需要于多项彼此制约的要害参数间追求均衡：包括磁场强度、精度、匀称性、扫场速率与并行测试能力。然而，单一参数的晋升，往往以捐躯其他参数为价钱，这使患上体系的总体优化难度变患上异样繁杂。
专用磁测试解决方案
为应答上述挑战，Hprobe 开发的专用磁测试仪器已经面市，专门用在 TMR 和相干磁传感器的晶圆级测试。
Hprobe用在磁传感器测试的测试仪器
这种仪器集成为了专有的三维磁场发生器，可投射 X、Y、Z 三轴份量自力可控的矢量磁场。它们可作为磁场肆意波形发生器利用，实现矫捷、可编程的磁激励波形。
针对于差别的详细需求，差别的体系配置也举行了优化，包括：
最年夜化面内场强（X Y标的目的）或者面外场强（Z标的目的）
实现年夜面积的磁场匀称性
实现超快速扫场（高 dB/dt）
为 2D 和 3D 丈量提供切确的角度节制
典型的运行参数规模包括：
低场事情模式：可低至约 1 mT
全三维矢量节制：肆意标的目的高达 ~200 mT
单轴模式：垂直标的目的上最高可到达~650mT，于面内标的目的上可到达~500mT
为了确保测试的精度及可反复性，每一个体系均集成一个主动磁场校准单位（FCU），并于被测装备（DUT）的位置放置了一个颠末校准的 3D 传感器，如许一来，体系就能对于磁矢量举行及时校准，并赔偿包括地磁场等情况因素于内的残磁场，终极，其测试精度可优在 10 μT。
作为晶圆级探测的一站式解决方案，该体系（三维磁场测试仪器）可与商用主动测试装备（ATE）或者定制化测试体系毗连；撑持基在 TCP/IP 和谈的 SCPI 指令节制，可以或许实现磁激励与电学测试的同步联动。
该体系兼容尺度探针卡，撑持多探针配置，可笼罩 40 ℃ 到 200 ℃ 的温度规模，既能满意研发需求，也合用在年夜范围量产场景。
图 2：Hprobe 的3D磁场发生器配置
展示了晶圆级测试所用 3D 磁场发生器的配置，别离出现出头具名内、面外和完备 3D矢量磁场节制的各种优化模式。
小结
TMR 技能已经成为下一代磁传感技能的基石，可于各种运用场景中实现高精度、高线性度与低功耗机能。但这种机能上风，也对于其晶圆级测试环节提出了严苛要求。
需要于年夜面积晶圆上实现精准、不变及全矢量磁场节制，同时具有高吞吐量，并适配主动化测试体系。传统测试方案已经没法满意上述要求。
Hprobe 开发的专用磁场测试仪器，集成高精度三维磁场发生器技能、主动校准和进步前辈节制功效，为解决上述难题提供了高效解决方案。该类仪器既可完成邃密的器件机能表征，也能适配范围化量产测试，周全保障测试的精度、可反复性与测试效率。
跟着高机能磁传感器的市场需求连续爬升（中国和亚洲地域的需求尤为凸起），此类技能成为跟尾试验室立异与工业量产的要害纽带，助力下一代磁性 IC 不变落地、顺遂推向市场。
于此配景下，出产效率与良率优化成为制胜要害。进步前辈的晶圆级磁场测试方案，不仅可以或许保障器件机能，还有可直接助力年夜范围量产场景下的工艺管控、良率晋升与成本优化。
作者简介
Siamak Salimy ｜Hprobe（Mycronic 旗下公司）的首席技能官兼结合开创人
Siamak Salimy重要卖力带领公司面向半导体运用的进步前辈磁性测试解决方案的研发事情，特别是专注在磁传感器的晶圆级测试。
Siamak Salimy于半导体技能范畴拥有极为富厚的经验，涵盖 CMOS、MEMS、射频（RF）以和自旋电子学（spintronics）等标的目的，此前曾经于 Atmel 及 Teledyne Semiconductor 担当主要职务。他拥有法国南特年夜学（University of Nantes）的博士学位以和南特综合理工学院（Polytech Nantes）的工程师学位。
