BMA145三軸模擬加速度傳感器深度解析

一、引言

在如今的電子設(shè)備中，加速度傳感器的應(yīng)用日益廣泛，從智能手機(jī)到游戲手柄，從可穿戴設(shè)備到工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，都離不開(kāi)它的身影。博世傳感器技術(shù)公司（Bosch Sensortec）推出的 BMA145 三軸模擬加速度傳感器，憑借其卓越的性能和廣泛的適用性，成為了眾多工程師的首選。本文將對(duì) BMA145 進(jìn)行詳細(xì)的剖析，幫助大家更好地了解這款傳感器的特性和應(yīng)用。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 基本信息

BMA145 是一款面向消費(fèi)市場(chǎng)應(yīng)用的三軸低 g 加速度傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 引腳 LGA 封裝，尺寸為 4mm x 4mm，高度僅 0.9mm，非常適合小型化設(shè)備的設(shè)計(jì)。該數(shù)據(jù)手冊(cè)版本為 1.3，發(fā)布于 2010 年 2 月 11 日，文檔編號(hào)為 BST - BMA145 - DS000 - 03。

2.2 關(guān)鍵特性

• 三軸測(cè)量：能夠測(cè)量三個(gè)維度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度，提供絕對(duì)的重力場(chǎng)方向信息，并支持自由落體檢測(cè)。
• 雙模式操作：具備待機(jī)和正常兩種工作模式，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下的功耗需求。
• 超低功耗：正常模式下電流消耗僅 200μA，待機(jī)模式下更是低至 0.7μA，極大地延長(zhǎng)了設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 快速啟動(dòng)：從待機(jī)模式切換到正常模式僅需 1ms 的啟動(dòng)時(shí)間，響應(yīng)迅速。
• 模擬輸出：提供 3 路并行模擬輸出信號(hào)（X、Y、Z）以及 1 路串行（多路復(fù)用的 X、Y、Z）輸出信號(hào)。
• 內(nèi)部濾波：內(nèi)置 1.5kHz 的一階低通模擬濾波器，且拐角頻率可定制。
• 自測(cè)試功能：支持 MEMS 傳感器元件和 ASIC 的可觸發(fā)自測(cè)試，確保傳感器的可靠性。
• 環(huán)保合規(guī)：符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)鹵環(huán)保。

2.3 典型應(yīng)用

BMA145 的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，涵蓋了游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)與生活方式穿戴設(shè)備、手機(jī)、手持設(shè)備、醫(yī)療保健、導(dǎo)航、電子羅盤(pán)補(bǔ)償、計(jì)算機(jī)外設(shè)以及人機(jī)接口等領(lǐng)域。

三、技術(shù)規(guī)格

3.1 工作范圍

3.2 輸出信號(hào)

3.3 傳感器性能和操作條件

3.4 機(jī)械特性

四、絕對(duì)最大額定值

五、BMA145 特性

5.1 總體描述

BMA145 是一款完全校準(zhǔn)的三軸低 g 模擬加速度傳感器，由三通道電容差分 MEMS 加速度傳感元件和專(zhuān)用集成電路（ASIC）組成，采用標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝 LGA 封裝。傳感器具有低通特性，帶寬限制為 1.5kHz（標(biāo)稱(chēng)值），可通過(guò)外部電容進(jìn)一步降低帶寬以改善或定制噪聲水平。

5.2 MEMS 元件

MEMS 元件的生產(chǎn)基于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體和 MEMS 工藝，包括層沉積、層掩膜和層結(jié)構(gòu)等步驟。通過(guò)在犧牲氧化物上沉積厚外延層，設(shè)計(jì)出高達(dá) 1pF 的工作電容。采用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE - ICP）工藝進(jìn)行圖案化，通過(guò)周期性側(cè)壁鈍化實(shí)現(xiàn)高縱橫比和高各向異性。最后去除犧牲層，并使用體微加工帽進(jìn)行密封，防止結(jié)構(gòu)損壞。

5.3 ASIC

ASIC 采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝生產(chǎn)，用于評(píng)估、校正和放大 MEMS 加速度傳感元件的輸出信號(hào)。主要由 3 個(gè)電容電壓轉(zhuǎn)換器、3 個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)器、一個(gè)通道多路復(fù)用器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè) EEPROM 存儲(chǔ)器和一個(gè)內(nèi)部 RC 振蕩器組成。通過(guò)對(duì)傳感器電極施加靜電力并與標(biāo)稱(chēng)條件進(jìn)行比較，可以隨時(shí)對(duì)傳感器模塊的功能能力進(jìn)行評(píng)估。

5.4 通道多路復(fù)用器

除了 Ax、Ay 和 Az 輸出引腳提供的連續(xù)模擬輸出信號(hào)外，還可以通過(guò)內(nèi)部通道多路復(fù)用器將任意一個(gè)軸的信號(hào)多路復(fù)用到一個(gè)單獨(dú)的 AMUX 輸出引腳，方便用戶(hù)連接到單通道 AD 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)不丟失軸信息。通道選擇通過(guò) SEL.0 和 SEL.1 引腳進(jìn)行設(shè)置。

六、操作說(shuō)明

6.1 上電復(fù)位和上電序列

內(nèi)部上電復(fù)位（POR）確保在上電時(shí)正確復(fù)位，POR 激活時(shí)間為 100μs（典型值）。上電時(shí)，通常先連接 GND，再連接 VDD，并在 VDD 和 GND 之間連接耦合電容，解耦電容與傳感器焊盤(pán)之間的連接電阻應(yīng)小于 100Ω。

6.2 操作模式選擇

6.3 通道多路復(fù)用器輸出選擇

6.4 模擬輸出

在正常模式下，Ax、Ay 和 Az 引腳根據(jù)以下公式提供加速度測(cè)量信號(hào)： [A{X}=left(frac{V{D D}}{2}+S cdot a{X}right) A{Y}=left(frac{V{D D}}{2}+S cdot a{Y}right) A{Z}=left(frac{V{D D}}{2}+S cdot a_{Z}right)] 其中，Ax、Ay 和 Az 是作用加速度的矢量分量，在 ±4g 范圍內(nèi)，靈敏度對(duì)應(yīng) VDD/10（V/g）。

6.5 自測(cè)試

傳感器具有片上自測(cè)試功能，通過(guò)設(shè)置自測(cè)試激活輸入引腳為邏輯 1 來(lái)激活。自測(cè)試通過(guò)靜電力使地震質(zhì)量產(chǎn)生物理偏轉(zhuǎn)，對(duì)包括 MEMS 加速度傳感元件和評(píng)估 ASIC 在內(nèi)的整個(gè)信號(hào)評(píng)估路徑進(jìn)行接觸和功能測(cè)試。激活自測(cè)試時(shí)，X 和 Y 軸的典型輸出變化為約 +0.25g，Z 軸為 +0.5g，相應(yīng)的輸出信號(hào)增量為 (Delta Uout {nom }[v]=(V{D D}[v] / 10) ×0.25)（X 和 Y 軸）和 (Delta Uout {nom }[v]=(V{D D}[v] / 10) ×0.5)（Z 軸），該增量作為靜態(tài)電壓偏移添加到當(dāng)前輸出信號(hào)中。

6.6 加速度輸出極性

當(dāng)傳感器沿指定方向加速時(shí)，相應(yīng)通道將輸出正加速度信號(hào)（動(dòng)態(tài)加速度）。例如，在重力場(chǎng)中靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，X 通道和 Y 通道輸出 ±0g，Z 通道輸出 +1g。

6.7 引腳配置

注：如果不使用待機(jī)模式和多路復(fù)用輸出，SEL.0 和 SEL.1 應(yīng)連接到 GND。

6.8 連接圖

• 全功能操作：推薦使用 (c{1}=100 nF) 和 (c{2}=10 nF) 進(jìn)行電源解耦，連接以啟用 BMA145 的全功能操作，包括待機(jī)、AMUX 和自測(cè)試功能。DNC 引腳（標(biāo)記為 “X”）不得連接（浮空）。
• 簡(jiǎn)單 3 通道操作：同樣使用 (c{1}=100 nF) 和 (c{2}=10 nF) 進(jìn)行電源解耦，連接以實(shí)現(xiàn) BMA145 的簡(jiǎn)單 3 通道操作，禁用待機(jī)、AMUX 和自測(cè)試功能。DNC 引腳不得連接（浮空）。

6.9 帶寬和噪聲定制

通過(guò)選擇合適的 (C{x}(C{y}, C{z})) 可以實(shí)現(xiàn)定制的截止頻率，創(chuàng)建 RC 低通濾波器。公式為： [f{c{-} x}=frac{1}{2 pi cdot 33 k Omega cdot c{x}}] 為了在帶寬和信號(hào)調(diào)理之間取得良好的平衡，建議將帶寬設(shè)置在 ~300...~150Hz 之間。若要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部限制的最大帶寬 1.5kHz，建議 (C{x})、 (C{y}) 和 (C_{z}) 至少使用 1nF。

6.10 處理說(shuō)明

微機(jī)械傳感器對(duì)低振幅加速度具有高精度的感應(yīng)能力，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常敏感。雖然 MEMS 傳感器能夠承受數(shù)千 g 的機(jī)械沖擊，但在運(yùn)輸、處理和安裝過(guò)程中，應(yīng)避免超過(guò)規(guī)定的 g 力限制。同時(shí)，該設(shè)備具有內(nèi)置的靜電放電和電場(chǎng)保護(hù)，但仍需采取防靜電措施，未使用的輸入引腳必須連接到定義的邏輯電壓電平。詳細(xì)的處理、焊接和安裝說(shuō)明請(qǐng)參考單獨(dú)提供的文檔。

七、封裝信息

7.1 外形尺寸

傳感器采用標(biāo)準(zhǔn) LGA 封裝，符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) MO - 229 Type VGGD - 3。

7.2 印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)

為了減少焊料空洞和作用在傳感元件上的應(yīng)力，推薦采用特定的 PCB 設(shè)計(jì)，具體尺寸以毫米為單位給出。

7.3 標(biāo)記

• 批量生產(chǎn)樣品：標(biāo)記包括產(chǎn)品編號(hào)、子承包商 ID、日期代碼 1、日期代碼 2、批次計(jì)數(shù)器和引腳 1 標(biāo)識(shí)符。
• 工程樣品：標(biāo)記包括產(chǎn)品名稱(chēng)、工程樣品 ID、子承包商 ID、日期代碼、版本計(jì)數(shù)器和引腳 1 標(biāo)識(shí)符。

7.4 濕度敏感度等級(jí)和焊接

BMA145 傳感器的濕度敏感度等級(jí)符合 JEDEC Level 1，滿(mǎn)足 IPC