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Bosch BNO055 - 9-Achsen-Sensor

BNO055

BNO055

Der BNO055 ist ein von Bosch entwickelter, sogenannter 9-Achsen-Sensor. Er beinhaltet einen Dreiachsen-Beschleunigungssensor, ein Dreiachsen-Gyroskop und einen Dreiachsen-Magnetfeldsensor. Alle diese Funktionen konnten in ein sehr kleines LGA-Gehäuse integriert werden (5,2mm x 3,8mm x 1,1mm).

 

BNO055 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das den Beschleunigungssensor, das Gyroskop und den Magnetfeldsensor als einzelne Funktionsblöcke darstellt, die über einen SPI-Bus mit einem internen 32Bit-Mikrocontroller verbunden sind. Der Mikrocontroller führt die Rohdaten zusammen und übernimmt die Kommunikation nach außen.

 

BNO055 Aufbau

Der BNO055 enthält zwei Silizium-Stapel. Beide Stapel beinhalten jeweils einen MEMS-Block. M1 stellt das Dreiachsen-Gyroskop dar. M2 enthält den Dreiachsen-Beschleunigungssensor. Die Ansteuerung und Auswertung der MEMS-Sensoren erfolgt in den darüber angeordneten Dies A1 und A2. Von diesen Dies führen Bonddrähte zu einer dünnen Platine, die das Package nach unten hin abschließt. Unterhalb des linken MEMS-Blocks befindet sich der Dreiachsen-Magnetfeldsensor B, der ebenfalls mit der Platine verbunden ist.

 

BNO055 Interposer

BNO055 Interposer

Entfernt man die Platine auf der Unterseite des Packages, so sind die Bondverbindungen der einzelnen Dies zu erkennen. Das Die A1 besitzt elf Kontakte auf der Platine (rechts). Das Die A2 ist ebenfalls mit elf Bonddrähten an die Platine angebunden (links unten). Das Die B verbinden zehn Bonddrähte mit der Platine (links oben).

 

BNO055 Aufbau

Entfernt man vorsichtig das Epoxid auf der Oberseite des Packages, so kann man das Die A1 (rechts) und das Die A2 (links) freilegen.

A1/M1

BNO055 Aufbau A1-M1

Der Aufbau von MEMS und Auswertung ähnelt dem Aufbau beim AIS328DQ. Die MEMS-Elemente befinden sich in einem zweiteiligen Quader. Eine Aussparung ermöglicht die Kontaktierung der im Inneren befindlichen Strukturen. Im Fall des Systems M1 sind es 18 Potentiale, die übertragen werden.

 

BNO055 Aufbau A1-M1

Die Stoßstelle der beiden Hälften des MEMS-Elements M1 sind nicht sicher auszumachen. Das Die A1 ist minimal größer als der MEMS-Quader und steht folglich an den Rändern etwas über.

A1

BNO055 Die A1

Die Abmessungen des Dies A1 betragen 2,6mm x 1,6mm. Laut Datenblatt handelt es sich um einen ARM M0+ Cortex. An der linken Kante befinden sich sechs gleiche Strukturen. Vermutlich handelt es sich dabei um sogenannte Switched-Capacitor-Amplifier, die üblicherweise als Frontend für die Auswertung von MEMS-Sensoren zum Einsatz kommen. Man kann mit dieser Art der Auswertung auch relativ einfach einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler aufbauen. Laut Datenblatt werden die Signale der Gyroskope mit einer Auflösung von 16Bit gewandelt. Einen großen Teil der Fläche nimmt ein inhomogener Logikbereich ein. In der rechten unteren Ecke befindet sich eine gleichmäßige Struktur, die wahrscheinlich einen Speicher darstellt.

 

BNO055 Die A1 Detail

Der Mikrocontroller A1 wurde 2012 von Bosch entwickelt. Die interne Bezeichnung lautet anscheinend BAG160CC. Das C am Ende befindet sich in einer anderen Lage. Es ist gut denkbar, dass die letzten beiden Buchstaben Revisionen des Designs markieren.

M1

BNO055 Die M1 Gehäuse

An den Abdrücken um das MEMS-Element M1 ist noch einmal zu erkennen, dass das Die A1 etwas größer ist.

In der oberen rechten Ecke wurden mehrere Rechtecke eingelasert.

 

BNO055 Die M1 Gehäuse

BNO055 Die M1 Gehäuse

Das MEMS-Gehäuse lässt sich nicht thermisch öffnen. Man muss den Quader mit einem Messer spalten, was in Anbetracht der kleinen Abmessungen nicht einfach ist und schnell zur vollständigen Zerstörung führen kann.

 

BNO055 Die M1 Gehäuse

Das obere Element des Bausteins besitzt mehrere Aussparungen, was den notwendigen Bewegungsspielraum für die darunter liegenden MEMS-Strukturen schafft. Verstrebungen sorgen für Stabilität.

 

BNO055 Die M1 MEMS

Das MEMS-Element M1 nimmt eine Fläche von 2,5mm x 2,0mm ein und ist damit wie bereits festgestellt etwas schmaler als das darüber liegende Die A1. Gleichzeitig ist M1 auf der Kontaktseite etwas länger, so dass die Bonddrähte zwischen A1 und M1 ohne größere Umstände geführt werden können.

 

BNO055 Die M1 MEMS

Im MEMS-Element M1 befinden sich drei Elemente, die drei Gyroskope darstellen und Drehraten in den drei Raumachsen messbar machen. Dazu wird die Corioliskraft genutzt. Das Die A1 versetzt die mechanischen Systeme in Schwingung. Eine Drehung des Systems führt dann zu einer Auslenkung, die sich über damit einhergehende Kapazitätsänderungen bestimmen lässt.

Die folgenden Bilder der drei Elemente sind im Vergleich zum obigen Bild um 90° im Uhrzeigersinn gedreht.

 

BNO055 Die M1 MEMS links

BNO055 Die M1 MEMS rechts

Die inneren Elemente der äußeren Gyroskope sind um 90° zueinander gedreht. Sie dienen entsprechend der Bestimmung der Drehraten um die X- und um die Y-Achse. Die kammförmigen Strukturen an den Rändern sind der Antrieb, der die Sensormassen in Schwingung versetzt. Die Sensormasse schwingt horizontal. Bei einer Drehung um die vertikale Achse, hebt oder senkt sich die Struktur dann auf Grund der Corioliskraft. Die unterschiedlichen Abstände zum Substrat stellen unterschiedliche Kapazitäten dar, die sich vermessen lassen.

Für jede Achse sind zwei Strukturen vorhanden. Die Verkopplung der zwei Systeme verbessert die Störfestigkeit des Gyroskops.

 

BNO055 Die M1 MEMS Mitte

Die Funktionsweise des Z-Gyroskops lässt sich nicht mit letzter Sicherheit bestimmen. Innerhalb der Blöcke sind horizontale Kammstrukturen zu erkennen. Höchstwahrscheinlich schwingt die innere Struktur horizontal und eine Drehrate um die Z-Achse verursacht eine vertikale Auslenkung. Diese vertikale Auslenkung lässt sich mit den inneren Kammstrukturen bestimmen.

Rechts und links der inneren Kammstrukturen sind die Quadraturelektroden zu erkennen, die aus kleinen, feststehenden Blöcken und gewinkelten, beweglichen Elektroden bestehen. Während der horizontalen Auslenkung kommt es auf Grund des nicht idealen Aufbaus auch zu einer vertikalen Auslenkungen. Die Quadraturelektroden wirken dieser unerwünschten Bewegung entgegen.

A2

BNO055 Die A2

Das Die A2 wertet den Beschleunigungssensor M2 aus. Es ist mit den Abmessungen 1,5mm x 1,0mm etwas kleiner als das Die A1. Den Großteil der Fläche nimmt ein Logikbereich ein. An der unteren Kante befinden sich sechs gleiche, relativ große Strukturen, die wahrscheinlich wie beim Die A1 Switched-Capacitor-Amplifier enthalten. Laut Datenblatt erfolgt die Digitalwandlung der Beschleunigungssensoren mit einer Auflösung von 14Bit. Von der unteren Kante des Dies führen acht Bonddrähte zur MEMS-Struktur M2.

 

BNO055 Die A2 Detail

Die Bezeichnung des Dies lässt sich nicht ganz identifizieren. Das Die wurde aber auf jeden Fall von Bosch entwickelt.

M2

BNO055 Die M2 MEMS

Gyroskop und Beschleunigungssensor wurden in zwei verschiedenen Gehäusen untergebracht. Gyroskope arbeiten üblicherweise im Vakuum, damit die Schwingungen der Strukturen möglichst wenig gedämpft werden. Im Gegensatz dazu befindet sich in Beschleunigungsensoren oftmals ein Gas, dessen dämpfende Wirkung auf die Sensormassen in diesem Fall durchaus gewünscht ist. Dieser Unterschied könnte ein Grund für die zwei Gehäuse gewesen sein.

Das Öffnen des Würfels M2 ist ebenso problematisch wie das Öffnen des Würfels M1. Auch hier befinden sich im oberen Element Aussparungen und Verstrebungen.

 

BNO055 Die M2 MEMS

Der Bezeichnung nach ist der Beschleunigungssensor ebenfalls eine Bosch-Entwicklung. Die interne Bezeichnung schein CMA232T zu lauten.

 

BNO055 Die M2 MEMS

BNO055 Die M2 MEMS

Im Vergleich zum AIS328DQ ist der dreiachsige Beschleunigungssensor in einer relativ kleinen Struktur abgebildet. Es war außerdem eine Sensormasse ausreichend, wo beim AIS328DQ noch zwei Sensormassen notwendig waren.

Der untere Bereich der Sensormasse ist etwas breiter, aber vor allem dichter als der obere Teil. Die deutliche Asymmetrie ermöglicht den hohen Integrationsgrad. Eine Beschleunigung in Y-Richtung löst eine Bewegung in Y-Richtung aus. Eine Beschleunigung in X-Richtung führt durch die Asymmetrie zu einer Torsion um die Z-Achse. Eine Beschleunigung in Z-Richtung kippt das Sensorelement auf Grund der unsymmetrischen Massenverteilung um die X-Achse. So lassen sich mit dem relativ kleinen Element Beschleunigungen in allen drei Raumachsen bestimmen.

B

BNO055 Die B

Das Die B, das die Magnetfeldsensorik enthält, besitzt eine Kantenlänge von 1,56mm. Auf der Oberfläche ist der Abdruck des MEMS-Blocks M2 zu sehen. Zehn Bondpads an der rechten Kante schaffen die Schnittstelle zur Trägerplatine.

 

BNO055 Die B

Das Die besitzt 12 ungenutzte Bondpads, von denen die meisten wahrscheinlich nur als Testpads dienen.

Auf der rechten Seite befinden sich große Logikbereiche, die sicherlich unter anderem der Signalaufbereitung dienen.

 

BNO055 Die B Detail

Auch dieses Die wurde von Bosch entwickelt. Die interne Bezeichnung lautet anscheinend BAM150AB. Das M könnte für "magnetic" oder etwas ähnliches stehen. Das wäre soweit stimmig, da das Die für die Auswertung der Gyroskope an der dritten Stelle seiner Bezeichnung ein G führt.

 

BNO055 Die B Detail

In der Mitte des Dies befindet sich der Magnetfeldsensor für die Z-Achse. Es handelt sich um einen klassischen Hallsensor. Die kleinen CMOS-Strukturen, die mit geringen Spannungen betrieben werden, liefern nur sehr geringe Hallspannungen. Minimale Produktionsschwächen können das Messsignal bereits signifikant stören. Gleichzeitig treten nicht unerhebliche Offsetfehler auf. Um diese Fehler zu kompensieren, ist der Magnetfeldsensor auf vier Elemente aufgeteilt. Mit der richtigen Verschaltung lassen sich darüber viele Fehlerbeiträge kompensieren.

Um die vier Hall-Elemente sind zwei Rahmenstrukturen platziert. Innerhalb dieser Rahmen werden die Signale der Hall-Elemente geführt. Bei der Leitungsführung wurde allgemein sehr viel Wert auf maximale Symmetrie gelegt.
Der innere Rahmen besitzt in der oberen rechten Ecke zwei Zuleitungen und erinnert an eine Spule. Der Zweck dieser Struktur erschließt sich nicht mit letzter Sicherheit. Es könnte sich um die Zuleitung des Arbeitsstroms handeln. Es wäre aber auch denkbar, dass es sich um eine Spule handelt, mit der sich ein Magnetfeld zum Abgleich der Sensorelemente erzeugen lässt. Es könnte sich außerdem um eine lokale Heizung handeln, da die Hallspannung auch temperaturabhängig ist.

 

BNO055 Die B Detail

BNO055 Die B Detail

An der linken und an der unteren Kante des Dies befinden sich zwei große Strukturen. Es handelt sich dabei um sogenannte Fluxgate-Sensoren. Über die komplette Länge der Sensoren erstreckt sich ein ferromagnetischer Streifen, der von einer Spule umgeben ist. Legt man an die Spule eine Rechteckspannung an, so stellt sich ein charakteristischer Strom ein, der sich abhängig vom umgebenden Magnetfeld ändert. Über die Änderung des Stroms kann man auf das Magnetfeld zurückschließen. Anscheinend könnte man über eine Änderung der Metalllage die Länge des Fluxgate-Sensors noch variieren.

Die Farben lassen vermuten, dass die Fluxgate-Sensoren aus einem anderen Material bestehen als die Metalllagen des restlichen Dies. Der gleiche Farbton zeigt sich allerdings auch bei den Testpads, wo erkennbar ist, dass die Flächen von einer Passivierungsschicht ausgespart wurden. Vielleicht ergibt sich auch die farbliche Erscheinung der Fluxgate-Sensoren nur durch eine Aussparung in der Passivierungsschicht.

Die unterschiedliche Sensierung der X- und Y-Komponenten des Magnetfelds erklärt warum dieser Anteil nur bis +/-1,3mT vermessen werden kann, während der Z-Anteil bis +/-2,5mT bestimmt werden kann.

 

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