《博世气压传感器BMP581产品分析》

原创 MEMS 2022-11-23 00:00

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Product Analysis of Bosch Sensortec’s Barometric Pressure Sensor BMP581

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BMP581是博世传感技术有限公司（Bosch Sensortec）于2022年推出的新一代电容式MEMS气压传感器。小尺寸、低功耗和高性能使这款气压传感器有较为广泛的应用，例如健身追踪、跌倒检测、室内定位和导航等应用。在1Hz输出数据速率下，该传感器典型电流消耗仅为1.3μA，能够显著延长电池续航时间；而在深度待机模式下，电流消耗更是低至0.5μA。该传感器具有可编程低通滤波功能、可编程中断功能，集成片上温度补偿、片上FIFO缓冲器（最多32个压力采样）。

博世气压传感器BMP581及其功能框图

博世气压传感器BMP581 vs. 英飞凌气压传感器DPS310

电容式MEMS气压传感器具有低温漂、高灵敏度、低噪声和较大的动态范围等显著优点而被广泛应用。电容式MEMS气压传感器通常采用平行板电容器敏感单元，该电容器的基本结构由间隔对置的两个极板，以及中间的电介质组成。气压传感器BMP581的电容器敏感单元主要由可动极板（上极板）、固定极板（下极板）组成，通过电容器两极板之间的距离变化实现气压敏感，即可动极板受到外界气压影响而发生形变，使得两个极板之间的距离发生改变，从而造成电容值的变化，最后再经过数据解算得到气压值。

电容式MEMS气压传感器工作原理示意图

博世MEMS气压传感器BMP581内部包括气压敏感的可变电容器和固定的参考电容器，其中参考电容器用于获得可变电容器的静态电容和寄生电容，以便从电容式MEMS气压传感器测得的总电容中去除静态电容和寄生电容，获得能够准确地反映所施加的压力的净电容。静态电容指的是可变电容在整个测量范围内均不改变的分量，而寄生电容指的是原本没有设计成可变电容器的分量但却总是无法避免的电容分量。寄生电容的示例包括结电容、金属化布局和衬底之间的电容等。由于这些分量对信号没有贡献，因此在测量中包括这些信号将会导致不期望的信号处理电路的动态范围降低。

本报告对博世气压传感器BMP581进行物理分析，涉及器件拆解、芯片剖析及材料分析等，并推测出MEMS芯片制造工艺和器件封装工艺。此外，本报告还根据推测的MEMS芯片制造工艺，绘制了相应的版图。最后，我们检索并分析了产品专利情况。具体如下：

1. 对BMP581进行开盖并取出其中的MEMS芯片和ASIC芯片，这两颗芯片通过硅胶粘接实现上下堆叠，ASIC芯片再通过有机胶与基板粘接，金属盖通过银胶与基板粘接。MEMS芯片与ASIC芯片之间有6条引线，ASIC芯片与基板之间有9条引线。

博世气压传感器BMP581封装尺寸

博世气压传感器BMP581整体视图（X-Ray扫描图）

2. 分别对ASIC芯片和MEMS芯片进行结构剖析和材料分析，包括ASIC芯片的膜层结构和成分，以及MEMS芯片的膜层结构和成分、电容器、释放孔及牺牲层等。同时，通过电学测量和结构分析，推测出BMP581工作原理：通过2个气压敏感的可变电容器和2个固定的参考电容器的差动运算，输出外界气压引起的净电容变化。

博世气压传感器BMP581电路（ASIC）芯片

博世气压传感器BMP581传感（MEMS）芯片

博世气压传感器BMP581传感（MEMS）芯片气压敏感区域剖面局部SEM照片

3. 根据上述结构剖析和材料分析，推测出MEMS芯片制造工艺：采用表面硅MEMS技术，利用两层牺牲层工艺实现可变电容器和参考电容器结构；推测出器件封装工艺：采用系统级封装技术（PCB基板+开孔金属盖）。

博世气压传感器BMP581传感（MEMS）芯片工艺流程部分示例

4. 根据MEMS芯片制造工艺及物理分析的结果，对MEMS芯片进行版图提取，并对每张光刻掩模版进行说明。

博世气压传感器BMP581传感（MEMS）芯片版图

5. 对BMP581产品专利进行检索与分析，并提供专利到产品的映射关系，有助于其他厂商理解技术要点及专利保护范围，并进行侵权关联性分析，从而可以有效避免侵权纠纷的发生。

博世气压传感器BMP581专利到产品的映射示例

报告目录：

1. 报告综述
- 报告摘要
- 分析流程及方法

2. 公司介绍
- 博世传感技术（Bosch Sensortec）
- 分析产品介绍
- 其他同类产品

3. 物理分析
- 物理分析概述
- 物理分析方法及设备
- 器件工作原理
- 器件封装
* 整体视图
* 剖面分析
* 剖面成分
* 开盖视图
* 芯片集成
- 电路（ASIC）芯片
* 芯片尺寸及材料
* 芯片电路层
- 传感（MEMS）芯片
* 芯片尺寸
* 框架区域
* 气压敏感区域
* 悬膜层
* 膜层结构（电容器上极板层和下极板层）
* 膜层成分
* 释放孔
* 气压敏感电容器
* 参考电容器
* 气压敏感等效电路原理图
* 电学测试
* 金属引线
* 焊盘
* 整体结构图