Микроэлектромеханические датчики (МЭМС) давно столкнулись с проблемой: чем точнее они измеряют несколько сигналов одновременно, тем сильнее эти сигналы мешают друг другу. Китайские ученые из Северо-Западного политехнического университета в Сиане нашли способ обойти это ограничение. Они предложили метод постоянного возбуждения для слабосвязанных резонаторов — и теперь датчики могут различать несколько сигналов без потери точности.

Слабая связь резонаторов — это когда несколько колебательных элементов (например, микроскопических балок) взаимодействуют так, что энергия между ними передается медленно. Это позволяет анализировать каждый сигнал отдельно, как если бы резонаторы работали независимо, но при этом сохраняется их общая чувствительность.

Результаты опубликованы в издании Microsystems & Nanoengineering.

Обычные МЭМС-сенсоры с режимной локализацией хорошо улавливают изменения, но если на датчик действуют, например, и вибрация, и сила нажатия одновременно, их показания смешиваются. Новый подход фиксирует частоту возбуждения, и сигналы перестают влиять друг на друга. Тесты показали, что перекрестная чувствительность упала с 26% до 1,1%, при этом точность не пострадала.

Как это работает

• Вместо отслеживания сдвигов резонансной частоты система анализирует, как быстро затухают колебания.
• Три связанных резонатора реагируют на изменения жесткости, но теперь их работа не зависит от взаимных помех.

Это другой принцип обработки сигналов, — говорит профессор Хунлун Чанг. — Теперь можно измерять комбинированные воздействия: скажем, давление и температуру или электрическое и магнитное поле без ошибок.

Метод пригодится в робототехнике, медицинских имплантах и авиации, где датчики сталкиваются с комплексными нагрузками. Его можно адаптировать для любых резонансных сенсоров — от акселерометров до детекторов заряда.

Исследование решает ключевую проблему МЭМС: невозможность разделять сигналы в реальных условиях. Например:

• Медицина — импланты смогут одновременно отслеживать давление, температуру и механические нагрузки, не требуя сложной калибровки.
• Автопилоты — датчики перестанут путать вибрацию дороги с углом наклона кузова.
• Промышленность — упростится мониторинг состояния станков, где сейчас используют несколько сенсоров для компенсации помех.

Экономия энергии и упрощение конструкции ускорят внедрение в носимую электронику.

Метод тестировался только на лабораторной установке с контролируемыми параметрами. В реальных условиях, где действуют случайные вибрации, перепады температур и электромагнитные шумы, результаты могут быть хуже. Неясно, как система поведет себя при длительной эксплуатации без калибровки.

Ранее ученые совершили прорыв в расшифровке сигналов мозга благодаря МЭМС.