BMA145三轴模拟加速度传感器深度解析

一、引言

在如今的电子设备中，加速度传感器的应用日益广泛，从智能手机到游戏手柄，从可穿戴设备到工业监测系统，都离不开它的身影。博世传感器技术公司（Bosch Sensortec）推出的 BMA145 三轴模拟加速度传感器，凭借其卓越的性能和广泛的适用性，成为了众多工程师的首选。本文将对 BMA145 进行详细的剖析，帮助大家更好地了解这款传感器的特性和应用。

文件下载：BMA145-SHUTL.pdf

二、产品概述

2.1 基本信息

BMA145 是一款面向消费市场应用的三轴低 g 加速度传感器，采用标准的 16 引脚 LGA 封装，尺寸为 4mm x 4mm，高度仅 0.9mm，非常适合小型化设备的设计。该数据手册版本为 1.3，发布于 2010 年 2 月 11 日，文档编号为 BST - BMA145 - DS000 - 03。

2.2 关键特性

• 三轴测量：能够测量三个维度的静态和动态加速度，提供绝对的重力场方向信息，并支持自由落体检测。
• 双模式操作：具备待机和正常两种工作模式，满足不同场景下的功耗需求。
• 超低功耗：正常模式下电流消耗仅 200μA，待机模式下更是低至 0.7μA，极大地延长了设备的续航时间。
• 快速启动：从待机模式切换到正常模式仅需 1ms 的启动时间，响应迅速。
• 模拟输出：提供 3 路并行模拟输出信号（X、Y、Z）以及 1 路串行（多路复用的 X、Y、Z）输出信号。
• 内部滤波：内置 1.5kHz 的一阶低通模拟滤波器，且拐角频率可定制。
• 自测试功能：支持 MEMS 传感器元件和 ASIC 的可触发自测试，确保传感器的可靠性。
• 环保合规：符合 RoHS 标准，无卤环保。

2.3 典型应用

BMA145 的应用场景非常广泛，涵盖了游戏、虚拟现实、运动与生活方式穿戴设备、手机、手持设备、医疗保健、导航、电子罗盘补偿、计算机外设以及人机接口等领域。

三、技术规格

3.1 工作范围

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
加速度范围	g FS4g	±4g		± 4		g
电源电压	V DD		1.8	3.0	3.5	V
数字输入低电平	VIL	用于 TEST、ST、SEL.0 和 SEL.1			0.2 * V DD	V
数字输入高电平	VIH	用于 TEST、ST、SEL.0 和 SEL.1	0.8 * V DD			V
正常模式供电电流	I DD	模拟和数字		200	290	μA
待机模式供电电流	I DDsbm	模拟和数字		0.7		μA
工作温度	T A	全性能	-40		+85	°C

3.2 输出信号

在 ±4g 范围、 (V_{D D}=3.0 ~V) 和 (T = 25^{circ} C) 的条件下，输出信号参数如下：	参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
零 g 电压	Off	V DD = 3.0V	1.455	1.500	1.545	V
	1.8V ≤ V DD ≤ 3.5V		V DD / 2		V
零 g 电压温度漂移	TCO	-40°C ≤ T A ≤ +85°C		± 1		mg/K
灵敏度	S	V DD = 3.0V	0.288	0.300	0.312	V/g
	1.8V ≤ V DD ≤ 3.5V	-4%	V DD / 10	+4%
一阶滤波器带宽	f -3dB	连接 1nF 到 Ax、Ay、Az		1.500		kHz
非线性度	NL	最佳拟合直线		±0.5		%FS
自测试响应	TST	可通过 ST 引脚触发		0.25 (x,y) 0.5 (z)		g
输出噪声	n rms	rms		175		μg / √Hz

3.3 传感器性能和操作条件

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
启动时间	T st_up	连接 1nF 到 Ax、Ay、Az		3		ms
唤醒时间	T w_up	连接 1nF 到 Ax、Ay、Az		1		ms
输出电阻	R x, R y, R z	片上		33		kΩ
下拉电阻	R pulldown	在 ST 和 TEST 焊盘上		20		kΩ
AMUX 最大负载	C L				25	pF

3.4 机械特性

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
交叉轴灵敏度	S	3 轴之间的相对贡献		0.2		FS%
对准误差	δ a	相对于封装轮廓		±0.5		°

四、绝对最大额定值

为了确保传感器的安全可靠运行，需要了解其绝对最大额定值：	参数	条件 / 符号	最小值	最大值	单位
扩展电源电压	V DD_ext 0°C 到 85°C	1.72	3.55	V
电源电压限制	V DD_Limit	-0.3	3.60	V
焊盘电压	V pad	V ss -0.3	V dd +0.3	V
存储温度	T store	-50	+150	°C
机械冲击	持续时间 ≤ 100μs		10,000	g
	持续时间 ≤ 500μs		5,000	g
	持续时间 ≤ 1.0ms		3,000	g
自由落体到硬表面		1.5	m
ESD	HBM		2.0	kV
	CDM		500	V

五、BMA145 特性

5.1 总体描述

BMA145 是一款完全校准的三轴低 g 模拟加速度传感器，由三通道电容差分 MEMS 加速度传感元件和专用集成电路（ASIC）组成，采用标准的表面贴装 LGA 封装。传感器具有低通特性，带宽限制为 1.5kHz（标称值），可通过外部电容进一步降低带宽以改善或定制噪声水平。

5.2 MEMS 元件

MEMS 元件的生产基于标准半导体和 MEMS 工艺，包括层沉积、层掩膜和层结构等步骤。通过在牺牲氧化物上沉积厚外延层，设计出高达 1pF 的工作电容。采用深反应离子刻蚀（DRIE - ICP）工艺进行图案化，通过周期性侧壁钝化实现高纵横比和高各向异性。最后去除牺牲层，并使用体微加工帽进行密封，防止结构损坏。

5.3 ASIC

ASIC 采用标准 CMOS 工艺生产，用于评估、校正和放大 MEMS 加速度传感元件的输出信号。主要由 3 个电容电压转换器、3 个信号调节器、一个通道多路复用器、一个数模转换器、一个 EEPROM 存储器和一个内部 RC 振荡器组成。通过对传感器电极施加静电力并与标称条件进行比较，可以随时对传感器模块的功能能力进行评估。

5.4 通道多路复用器

除了 Ax、Ay 和 Az 输出引脚提供的连续模拟输出信号外，还可以通过内部通道多路复用器将任意一个轴的信号多路复用到一个单独的 AMUX 输出引脚，方便用户连接到单通道 AD 转换器，同时不丢失轴信息。通道选择通过 SEL.0 和 SEL.1 引脚进行设置。

六、操作说明

6.1 上电复位和上电序列

内部上电复位（POR）确保在上电时正确复位，POR 激活时间为 100μs（典型值）。上电时，通常先连接 GND，再连接 VDD，并在 VDD 和 GND 之间连接耦合电容，解耦电容与传感器焊盘之间的连接电阻应小于 100Ω。

6.2 操作模式选择

BMA145 支持两种操作模式：正常模式和待机模式。通过设置 SEL1 和 SEL0 引脚来选择操作模式：	SEL.1	SEL.0	操作模式	操作特性	电流消耗	描述
0	0	正常	全性能	200 μA（典型）	进行所有轴（Ax、Ay、Az 加 AMUX）的加速度测量，启用所有传感器功能。
1	1	待机	节能	0.7 μA（典型）	停止加速度测量，Ax、Ay、Az 和 AMUX 信号通过 110kΩ 电阻接地。

6.3 通道多路复用器输出选择

通过设置 SEL.0 和 SEL.1 引脚，可以选择 AMUX 引脚的特定轴输出信号，实现与单通道 AD 转换器的连接。设置 SEL.0 和 SEL.1 为 1 时，传感器模块进入待机模式。	SEL.1	SEL.0	操作模式	通道多路复用器串行输出引脚（AMUX）的输出信号
0	0	正常	Ax、Ay、Az 加 AMUX = Ax
0	1	正常	Ax、Ay、Az 加 AMUX = Ay
1	0	正常	Ax、Ay、Az 加 AMUX = Az
1	1	待机	传感器模块进入待机模式，X、Y、Z 和 AMUX 无信号

6.4 模拟输出

在正常模式下，Ax、Ay 和 Az 引脚根据以下公式提供加速度测量信号： [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 范围内，灵敏度对应 VDD/10（V/g）。

6.5 自测试

传感器具有片上自测试功能，通过设置自测试激活输入引脚为逻辑 1 来激活。自测试通过静电力使地震质量产生物理偏转，对包括 MEMS 加速度传感元件和评估 ASIC 在内的整个信号评估路径进行接触和功能测试。激活自测试时，X 和 Y 轴的典型输出变化为约 +0.25g，Z 轴为 +0.5g，相应的输出信号增量为 (Delta Uout {nom }[v]=(V{D D}[v] / 10) ×0.25)（X 和 Y 轴）和 (Delta Uout {nom }[v]=(V{D D}[v] / 10) ×0.5)（Z 轴），该增量作为静态电压偏移添加到当前输出信号中。

6.6 加速度输出极性

当传感器沿指定方向加速时，相应通道将输出正加速度信号（动态加速度）。例如，在重力场中静止或匀速运动时，X 通道和 Y 通道输出 ±0g，Z 通道输出 +1g。

6.7 引脚配置

引脚	名称	数字 - 模拟	描述
01	DNC	D in/out	请勿连接！预留用于工厂微调！
02	ST	D in	自测试激活引脚
03	GND	A	接地连接
04	DNC	-	请勿连接！
05	SEL.0 1)	D in	通道多路复用器选择引脚 0
06	GND	A	接地连接
07	SEL.1 1)	D in	通道多路复用器选择引脚 1
08	Z.out	A out	Z 加速度并行输出
09	AMUX	A out	通道多路复用器串行输出引脚
10	Y.out	A out	Y 加速度并行输出
11	DNC	-	请勿连接！
12	X.out	A out	X 加速度并行输出
13	DNC	-	请勿连接！
14	VDD2	A in	电源电压连接
15	VDD1	A in	电源电压连接
16	DNC	-	请勿连接！

注：如果不使用待机模式和多路复用输出，SEL.0 和 SEL.1 应连接到 GND。

6.8 连接图

• 全功能操作：推荐使用 (c{1}=100 nF) 和 (c{2}=10 nF) 进行电源解耦，连接以启用 BMA145 的全功能操作，包括待机、AMUX 和自测试功能。DNC 引脚（标记为 “X”）不得连接（浮空）。
• 简单 3 通道操作：同样使用 (c{1}=100 nF) 和 (c{2}=10 nF) 进行电源解耦，连接以实现 BMA145 的简单 3 通道操作，禁用待机、AMUX 和自测试功能。DNC 引脚不得连接（浮空）。

6.9 带宽和噪声定制

通过选择合适的 (C{x}(C{y}, C{z})) 可以实现定制的截止频率，创建 RC 低通滤波器。公式为： [f{c{-} x}=frac{1}{2 pi cdot 33 k Omega cdot c{x}}] 为了在带宽和信号调理之间取得良好的平衡，建议将带宽设置在 ~300...~150Hz 之间。若要实现内部限制的最大带宽 1.5kHz，建议 (C{x})、 (C{y}) 和 (C_{z}) 至少使用 1nF。

6.10 处理说明

微机械传感器对低振幅加速度具有高精度的感应能力，但内部结构非常敏感。虽然 MEMS 传感器能够承受数千 g 的机械冲击，但在运输、处理和安装过程中，应避免超过规定的 g 力限制。同时，该设备具有内置的静电放电和电场保护，但仍需采取防静电措施，未使用的输入引脚必须连接到定义的逻辑电压电平。详细的处理、焊接和安装说明请参考单独提供的文档。

七、封装信息

7.1 外形尺寸

传感器采用标准 LGA 封装，符合 JEDEC 标准 MO - 229 Type VGGD - 3。

7.2 印刷电路板（PCB）设计

为了减少焊料空洞和作用在传感元件上的应力，推荐采用特定的 PCB 设计，具体尺寸以毫米为单位给出。

7.3 标记

• 批量生产样品：标记包括产品编号、子承包商 ID、日期代码 1、日期代码 2、批次计数器和引脚 1 标识符。
• 工程样品：标记包括产品名称、工程样品 ID、子承包商 ID、日期代码、版本计数器和引脚 1 标识符。

7.4 湿度敏感度等级和焊接

BMA145 传感器的湿度敏感度等级符合 JEDEC Level 1，满足 IPC