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CN107532938B - 超声波麦克风和超声波声学无线电设备 - Google Patents

超声波麦克风和超声波声学无线电设备 Download PDF

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CN107532938B
CN107532938B CN201680027477.6A CN201680027477A CN107532938B CN 107532938 B CN107532938 B CN 107532938B CN 201680027477 A CN201680027477 A CN 201680027477A CN 107532938 B CN107532938 B CN 107532938B
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acoustic wave
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University of California San Diego UCSD
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Abstract

本公开提供涉及超声波麦克风和超声波声学无线电设备的系统、方法和装置。一方面，系统包括发射器和接收器。接收器包括膜。膜包括二维材料的单层或多层。接收器可操作以接收在频率范围内的声波，该频率范围是超声波频率范围。

Description

超声波麦克风和超声波声学无线电设备
相关申请
本申请要求递交于2015年3月16日的美国临时专利申请序列No.62/133,804和递交于2015年4月6日的美国专利申请序列No.62/143,565的优先权，它们通过引用结合于此。本申请涉及递交于2015年6月12日的美国专利申请序列No.14/737,903，其通过引用结合于此。
政府支持声明
本发明由政府支持，符合由美国能源部授予的合同No.DE-AC02-05CH11231、符合由海军研究办公室授予的批准No.N00014-09-1066、并且符合由国家科学基金会授予的批准No.EEC-083819。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本公开通常涉及能够发射和接收声音的设备，尤其涉及能够发射和接收超声波声音的设备。
背景技术
现代无线通信是基于生成和接收电磁(EM)波，该电磁波跨越从Hz到THz的宽频率范围，提供了丰富的频带资源。然而，EM通信存在缺点，包括导电材料的高消光系数和天线尺寸。另一方面，几千年来，动物已经有效地使用声波来进行短距离通信。基于声波的通信可以克服一些EM难点。
例如，声波在导电材料中传播良好，因此已经被开发用于潜艇的水下通信。已知诸如鲸鱼和海豚的海洋哺乳动物通过声波进行有效沟通。在基于陆地的声波通信中，可听频带或声音频带(即，在约20Hz至20kHz的能够被人耳听到的声音)往往由人对话占有，而次声频带可以被移动车辆和建筑施工扰乱。
超声波频带虽然具有宽的频率跨度并且通常没有干扰，但是很少用于高数据速率通信的目的。超声波频带是大于人类听觉范围上限的频率，并且通常被认为是大于约20kHz。很少使用超声波频带的一个重要原因是缺少宽带宽的超声波生成器和接收器。常规的基于压电的换能器仅在一个谐振频率下工作，从而阻碍了在较宽带宽被需要用于嵌入信息流的通信中的使用。
发明内容
本文描述了一种宽带超声波声学无线电设备，包括基于石墨烯的静电声波生成器和接收器。声学换能器在整个人类可听区域(即，大约20Hz-20kHz)以及超声波状态(即，至少0.5MHz)中显示了优异的平坦频率响应。已成功记录了频率扫描超声波蝙蝠叫声。展示了0.3MHz的信息的调幅传输。超声波声学无线电设备还提供了一种使用声学和电磁信号之间的干扰进行测距的新方法。
本公开中描述主题的一个创新方面可以被实现在包括发射器和接收器的系统中。接收器包括膜，并且膜包括二维材料的单层或多层。接收器可操作以接收频率范围内的声波，该频率范围是超声波频率范围。
在一些实施例中，膜包括石墨烯膜。在一些实施例中，接收器还包括邻近膜的第一侧的第一电极和与该第一电极相关联的电路。该电路可操作以测量膜的振动速度，其中，振动是由声波引起的。
本公开中描述主题的另一创新的方面可以通过包括用发射器生成具有频率的声波并且用接收器接收该声波的方式而实现。声波的频率在超声波频率范围内。接收器包括膜，该膜包括二维材料的单层或多层。
在一些实施例中，膜包含石墨烯膜。在一些实施例中，发射器包括第二膜，并且第二膜包括二维材料的单层或多层。在一些实施例中，接收器还包括邻近膜的第一侧的第一电极和与第一电极相关联的电路。该电路可操作以测量膜的振动速度，其中振动是由声波引起的。
在本公开中描述主题的另一创新的方面可以在包括具有二维材料的单层或多层的膜、邻近膜的第一侧的第一电极以及与第一电极相关联的电路的设备中实现。该电路可操作以测量膜的振动速度，该振动是由声波引起的。
在一些实施例中，该设备还包括支撑膜的框架。该框架包括限定了膜的大体上圆形部分的大体上圆形开口区域。在一些实施例中，电路包括电阻器和放大器。膜连接到电压源。第一电极连接到放大器的负输入端。放大器的正输入端接地。电阻器连接到放大器的负输入端和放大器的输出端。
在本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的说明中被列出。根据说明书、附图和权利要求书，其他特征、方面和优点将变得显而易见。应当注意，下图中的相对尺寸可能未按比例绘制。
附图说明
图1A示出石墨烯静电宽带接收器(即，石墨烯麦克风)的横截面示意图的示例；
图1B示出悬置在框架中的石墨烯膜的示例；
图1C示出静电驱动的石墨烯扬声器的横截面示意图的示例；
图1D和1E示出了不同二维材料的层压的示例；
图2A-2I示出了石墨烯麦克风在制造过程的各个阶段的示意图的示例；
图3A和3B示出石墨烯麦克风的操作原理和用于信号提取的相关电路的示例；
图4A-4C示出不同配置的石墨烯麦克风的频率响应；
图5A示出超声波发射和接收设备(即，超声波声学无线电设备)的示意图；
图5B示出说明超声波发射和接收设备的使用方法的流程图的示例；
图6A-6C示出超声波发射和接收设备的性能的示例；
图7A和图7B示出测距设备的示意图的示例，该测距设备可以利用声学和电磁(EM)信号与从该设备获得的信号之间的干扰；
图8示出传统麦克风的操作的示例；
图9示出石墨烯麦克风的操作的示例。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的一些具体示例，包括发明人设想的用于执行该发明的最佳模式。这些具体实施例的示例在附图中示出。虽然结合这些具体实施例描述了发明，但是应该理解的是，这不意在将发明限制到所描述的实施例。相反，其意在覆盖可能被包括在由所附权利要求书限定的发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。
在以下描述中，列出了许多具体细节从而提供对本发明的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实现本发明的特定示例的实施例。在其他情况下，众所周知的处理操作没有被详细描述，以免不必要地模糊本发明。
为了清楚起见，有时将以单数形式描述本发明的各种技术和机制。然而应该注意的是，除非特别指出，否则一些实施例包括技术的多次迭代或机制的多个实例。
介绍
石墨烯的超低质量和高机械强度使它对于声音换能应用具有吸引力。具有在整个人类可听区域(即，大约20Hz-20kHz)均衡的频率响应的静电驱动的石墨烯膜片扬声器先前已经证明。扬声器的最终高频截止频率未被确定，测量被可用检测设备限制在20kHz内；如下所示，然而，石墨烯扬声器至少在0.5MHz处操作。石墨烯允许空气阻尼对膜片自身的质量进行控制，并且在很宽的频率范围内保持弹簧常数。原则上，石墨烯的优异的机械性能和对空气和其他介质的良好的耦合可以使宽带换能器用于声音生成和接收两者，这两者是超声波声学无线电设备的核心要求。本申请中使用的术语“无线电设备”，是包括发射器和接收器的系统。
在传统的声学接收器(即，麦克风)中，来自声波的气压变化引起悬置膜片的运动；这种运动又通过法拉第电磁感应(使用磁体和线圈)或电容性地转换为电信号。膜片的面积质量密度设置了麦克风的频率响应的上限。在人类听觉系统中，膜片(耳膜)相对较厚(～100μm)，将平坦FR限制到～2kHz并且将最终检测限制到
Figure BDA0001464539040000051
蝙蝠耳膜更薄，使得它们能够听到高达
Figure BDA0001464539040000052
的反射回声定位叫声。
高端商用麦克风中的膜片可以被设计为提供从可听区域到
Figure BDA0001464539040000053
的平坦频率响应。在麦克风中，更薄和更轻的膜片允许在较高频率处忠实地跟踪声音振动，这通常需要更小的悬置面积来实现结构完整性。小的膜片不可避免地牺牲低频响应，主要由于此膜片增加的有效刚度(这减小了响应振动幅度)和由于耦合效率低下。小膜片还增加了检测(即，电子换能)难度。具有覆盖可听的和超声波体制两者的均衡频率响应的宽带麦克风，在技术上极具挑战性。
本文描述了超声波声学无线电设备的成功的设计、构造和操作。超声波声学无线电设备的一个组件是静电耦合的基于机械振动石墨烯膜片的接收器(即，石墨烯麦克风)，其可以与基于石墨烯的声学发射器进行配对。石墨烯麦克风具有出色的均衡频率响应(在完美平坦频带响应的10dB变化范围内)，覆盖至少20Hz至0.5MHz(受限于特性测量仪表)，并具有足够的灵敏度以记录在野外蝙蝠的回声定位。高效的石墨烯超声波发射器/接收器无线电设备系统成功编码、传播和解码无线电信号。同样的超声波声学无线电设备可被用于利用超声波和电磁波之间的干扰来准确地测量距离。
设备、系统和方法
图1A示出石墨烯麦克风150的横截面示意图的示例。石墨烯麦克风150包含石墨烯膜155，该石墨烯膜155悬置在框架157中大约在电极160和165之间的中间(参见图1B的俯视图)。两个间隔物170和175分别将石墨烯膜155与电极160和165分开。在一些实施例中，石墨烯膜155与电极160和165中的每一个之间的间隔为约50微米(micron)至1毫米(mm)或约150微米。
在一些实施例中，石墨烯膜155是单层石墨烯膜(即，单层石墨烯)。在一些实施例中，石墨烯膜155是多层石墨烯膜。例如，在一些实施例中，石墨烯膜155包括一层或更多层石墨烯。在一些实施例中，石墨烯膜155约0.34纳米(nm)(即，单层石墨烯的厚度)至1微米厚，或约20nm厚。具有更薄的石墨烯膜的石墨烯麦克风允许麦克风响应于较高频率的声波。
框架157可以允许在石墨烯麦克风150的制造过程期间处理石墨烯膜。框架157还可以允许石墨烯膜155的部分被悬置或不与其他材料接触。以这种方式将石墨烯膜155悬置在框架157中可以形成石墨烯膜片；膜片是半柔性材料在其外围被锚定的片。在一些实施例中，框架157是限定大体上圆形的开口区域的材料盘，开口区域通常在盘的中心部分。也就是说，在一些实施例中，框架157类似于硬件垫圈；垫圈是具有孔的薄材料板(通常是盘形)，孔通常是圆形并在中间。在一些实施例中，框架157被安装到石墨烯膜155的一侧。在一些实施例中，框架为约20微米至200微米厚或约50微米厚。在一些实施例中，框架具有约500微米至6厘米(cm)或约10mm的外径。由框架限定的开口区域可具有约100微米至5厘米或约8毫米的直径。
在一些实施例中，框架包括其他配置。例如，框架可以限定具有矩形、正方形、或椭圆形形状的开口区域，框架的材料被设计为将石墨烯膜悬置在此开口区域中。
在一些实施例中，框架157是非导电材料。例如，在一些实施例中，框架157包括聚合物或陶瓷。例如，在一些实施例中，框架157是聚酰亚胺。许多不同的材料可以被用于该框架，只要该材料具有足够的机械强度来支撑石墨烯膜155并允许框架157并入石墨烯麦克风150中。
在一些实施例中，石墨烯膜155与端子(未示出)电接触。在一些实施例中，端子是金属线。例如，在一些实施例中，端子是大约10微米至30微米厚或大约20微米厚的金线。在一些实施例中，其他材料和其他尺寸的端子被使用。在一些实施例中，石墨烯膜155的一部分设置在间隔物170和175之间。在一些实施例中，端子和石墨烯膜155之间的电接触位于石墨烯膜155和间隔物170或间隔物175之间的区域。在一些实施例中，端子不与在由间隔物170和175限定的开口区域中的石墨烯膜155接触，这可以允许石墨烯膜155响应于声波而振动，而不会使端子干扰该振动。
在一些实施例中，间隔物170和175每个都是限定大体上圆形的开口区域的材料盘，开口区域通常在盘的中心部分。也就是说，在一些实施例中，间隔件170和175各自类似于硬件垫圈。在一些实施例中，间隔物170和175包括非导电材料。在一些实施例中，间隔物170和175包含聚合物或陶瓷。在一些实施例中，间隔物170和175各自约50微米至1mm厚，或约150微米厚。具有较厚的间隔物170和175，石墨烯膜将离电极160和165更远，并且麦克风响应于声音将产生较弱的信号(例如，较低的信噪比)。在一些实施例中，间隔物170和175每个都足够厚以防止石墨烯膜与电极160和165接触。
在一些实施例中，电极160和165包括穿孔或开口167，使得声音可以引起石墨烯麦克风150中的石墨烯膜155振动。穿孔167是电极160和165中的通孔。穿孔167可以具有任何横截面。例如，在一些实施例中，穿孔167具有正方形横截面。在一些实施例中，穿孔167具有圆形横截面。在一些实施例中，穿孔167具有约10微米至500微米或约150微米的尺寸。例如，当穿孔167具有正方形横截面时，穿孔的边可以是大约10微米至500微米；当穿孔167具有圆形横截面时，穿孔的直径可以是大约10微米至500微米。在一些实施例中，电极为约50微米至1000微米厚或约300微米厚。
电极160和165可以是能够导电的材料。在一些实施例中，电极160和165是掺杂硅电极。在一些实施例中，氧化物层180或其他绝缘层被沉积或形成在电极160和165上以防止石墨烯膜155短路到电极160和165。在一些实施例中，氧化物层180是大约400nm到600nm厚，或约500nm厚。在一些实施例中，氧化物层是SiO2层。
在一些实施例中，当电极160和165不导电时，层180是导电材料。例如，在一些实施例中，电极160和165包括涂覆有导电材料层180的聚合物、陶瓷或半导体。在一些实施例中，导电材料层180包括金属，诸如铜、铝、银或金。例如，在一些实施例中，电极160和165包括硅，并且导电材料层180包括金。在一些实施例中，导电材料层180为约10nm至30nm厚或约20nm厚。
在一些实施例中，石墨烯麦克风150包括声腔185。在没有声腔185的情况下，石墨烯膜片155的前和后侧处的声学压力可能倾向于在低频下消除，导致石墨烯麦克风150的减少的响应。声腔185可以允许石墨烯麦克风150感测低于约200Hz的频率。在一些实施例中，声腔185用于将石墨烯膜155的邻近第二电极165的一侧与声波隔离或部分隔离。
例如，声腔185可以是大约1cm宽(例如，足够宽以与第二电极165的侧面或背面接合，并限定从石墨烯膜155到声腔185背壁约为5cm的距离)。声腔185应该足够大以使得在石墨烯麦克风150的操作期间，石墨烯膜155和声腔185之间的空气不被过度压缩(过度压缩将降低石墨烯麦克风150的性能)。
在一些实施例中，石墨烯麦克风150可以不包括电极160和间隔物170。在一些实施例中，当石墨烯麦克风150包括电极160和扬声器170时，石墨烯麦克风150可以更好地执行(例如，更好的频率响应)。例如，电极160可以用于减小石墨烯膜155中的张力，使得石墨烯麦克风150对较低频率声音更加可响应。
在一些实施例中，石墨烯麦克风的频率响应处于超声波频率范围内。在一些实施例中，石墨烯麦克风的频率响应包括可听频率范围(例如，大约20Hz至20kHz)和超声波频率范围。在一些实施例中，石墨烯麦克风的频率响应为约20kHz至10GHz、约200kHz至10GHz、约20kHz至10MHz、或约200kHz至10MHz。
图1C示出了静电驱动石墨烯扬声器(EDGS)100的横截面示意图的示例。石墨烯扬声器的实施例先前被描述在美国专利申请序列No.14/737,903中。
扬声器100包括悬置在框架107中大约在两个电极110和115之间中间的石墨烯膜105。在一些实施例中，悬置在框架107中的石墨烯膜105可以类似于图1B中示出的悬置在框架157中的石墨烯膜155。在一些实施例中，石墨烯膜105与电极110和115中每一个之间的间隔为约50微米至1mm，或约150微米。
在一些实施例中，石墨烯膜105是单层石墨烯膜(即，单层石墨烯)。在一些实施例中，石墨烯膜105是多层石墨烯膜。例如，石墨烯膜105可以包括约1至100层的石墨烯。在一些实施例中，石墨烯膜105为约20nm至40nm厚，或约30nm厚。
框架107允许石墨烯膜105的一部分被悬置或不与其他材料接触。以这种方式将石墨烯膜105悬置在框架107中，可以形成石墨烯膜片；膜片是半柔性材料在其外围被锚定的片。在一些实施例中，框架107是限定大体上圆形的开口区域的材料盘，开口区域通常在盘的中心部分。也就是说，在一些实施例中，框架类似于硬件垫圈；垫圈是具有孔的薄的材料板(通常是圆盘形)，孔通常是圆形的并在中间。在一些实施例中，框架为约120微米至360微米厚，或约240微米厚。在一些实施例中，框架具有约7mm至21mm或约14mm的外径。由框架限定的开口区域可以具有约3mm至11mm或约7mm的直径。
在一些实施例中，框架可以包括其他配置。例如，框架可以限定开口区域具有矩形、正方形或椭圆形形状，框架的材料被设计为在该开口区域中悬置石墨烯膜。
在一些实施例中，石墨烯膜105被安装在沿框架107的厚度大约中间。例如，当框架107的厚度约为240微米时，石墨烯膜105可以被安装到框架107，使得框架从石墨烯膜的每一侧延伸约120微米。在一些实施例中，石墨烯膜从中点沿框架的厚度偏移。
在一些实施例中，框架107是聚合物、金属或半导体材料。许多不同的材料可以被用于该框架，只要该材料具有足够的机械强度来支撑石墨烯膜105并允许框架107并入扬声器100中。
在一些实施例中，框架107包括两个部分，使得石墨烯膜105附接到框架的一部分，然后框架的另一部分堆叠在石墨烯膜的顶部，将石墨烯膜夹在该结构的两个部分之间。例如，可以通过将两个硬件垫圈形部件对准并附接到石墨烯膜的任意侧，将石墨烯膜悬置在框架中。
在一些实施例中，石墨烯膜105与端子(未示出)电接触。在一些实施例中，端子是金属线。例如，在一些实施例中，端子是大约10微米至30微米厚或大约20微米厚的金线。在一些实施例中，可以使用其他材料和其他尺寸的端子。
电极110和115可操作以驱动石墨烯膜105。在一些实施例中，电极110和115包括穿孔117，使得声音可以从扬声器100被发射。穿孔117是电极110和115中的通孔。穿孔117具有任何横截面。例如，在一些实施例中，穿孔117具有正方形横截面。在一些实施例中，穿孔117具有大约200微米至300微米，或大约250微米的尺寸。例如，当穿孔117具有正方形横截面时，穿孔的侧边可以是约200微米至300微米；当穿孔117具有圆形横截面时，穿孔的直径可以是大约200微米至300微米。在一些实施例中，电极为约425微米至625微米厚，或约525微米厚。
在一些实施例中，电极110或115中的一个包括穿孔，使得声音可以从扬声器100被发射。在一些实施例中，另一电极限定开口区域，并且不一定包括穿孔。开口区域可以允许石墨烯膜移动；即开口区域可以允许空气/气体在电极和膜之间进入和离开，这可能阻碍膜的运动。
电极110和115可以是能够导电的材料。在一些实施例中，电极110和115是掺杂硅电极。在一些实施例中，氧化物层120或其他绝缘层被沉积或形成在电极110和115上，以防止当扬声器操作中时，石墨烯膜105在大的驱动振幅下短路到电极110和115。在一些实施例中，氧化物层120是约400nm至600nm厚，或约500nm厚。在一些实施例中，氧化物层是SiO2层。
在一些实施例中，当电极110和115不导电时，层120是导电材料。例如，在一些实施例中，电极110和115包括涂覆有导电材料层120的聚合物、陶瓷或半导体。在一些实施例中，导电材料层120包括金属，诸如铜、铝、银、或金。例如，在一些实施例中，电极110和115包括硅，并且导电材料层120包括金。在一些实施例中，导电材料层120为约10nm至30nm厚，或约20nm厚。
在一些实施例中，石墨烯扬声器100包括声腔130。声腔130可以改善石墨烯扬声器100的低频性能。在一些实施例中，石墨烯扬声器100的声腔130类似于石墨烯麦克风150的声腔185。
在一些实施例中，石墨烯麦克风具有类似于石墨烯扬声器100的配置。在一些实施例中，石墨烯扬声器具有类似于石墨烯麦克风150的配置。
在一些实施例中，石墨烯麦克风和石墨烯扬声器可以包括除石墨烯以外的二维材料。二维材料是包含单层分子的原子或由单层分子的原子组成的材料。例如，在一些实施例中，麦克风和/或扬声器包括二维材料的单层(即，单层)或二维材料的多层(即，多个单层)。在一些实施例中，二维材料包括导电材料。例如，在一些实施例中，麦克风和/或扬声器包括单层或多层六方氮化硼(hBN)或二硫化钼(MoS2)，其中hBN或MoS2上设有薄碳层或薄金属层以使hBN层或MoS2层导电。
在一些实施例中，麦克风和/或扬声器包括不同二维材料的层压或堆叠。例如，如图1D所示，麦克风和/或扬声器可以包括层压或设置在一个或多个石墨烯单层192上的一个或多个单层hBN 191。如另一示例，麦克风和/或扬声器可以包括一个或多个石墨烯单层193，并且在一个或多个石墨烯单层的每一侧上层压或设置有一层或多层hBN 194和195，如图1E所示。包括一个或多个石墨烯单层193和在一个或多个石墨烯单层的每一侧上层压或设置有一层或多层hBN 194和195的结构将防止石墨烯193短路到电极，而无需在电极上设置绝缘层。
在一些实施例中，石墨烯麦克风由在两个穿孔电极之间中间悬置的多层石墨烯膜制成。于是外部声波可以穿过电极以移动石墨烯膜，从而改变石墨烯膜与电极之间的电容，并且引起电荷重新分布和电流。
图2A-2I示出了石墨烯麦克风在制造过程中各个阶段的示意图的示例。例如，使用这种方法来制造以下所描述实验中使用的石墨烯麦克风。石墨烯麦克风中使用的石墨烯膜是约20nm厚且直径约7mm的多层石墨烯膜。首先，电化学抛光1cm2的25μm厚的镍箔片，用DI水清洗，然后装入25mm直径的石英管炉中(图2A)。在氢气退火之后，石墨烯层通过化学气相沉积工艺在1050℃用50sccm甲烷和50sccm氢气共流下生长。生长室压力控制在1托(Torr)。生长持续了15分钟，并且甲烷流速最后2分钟内增加到200sccm以改善石墨烯颗粒之间的压合。然后快速冷却箔以淬灭石墨烯生长(图2B)。卸载后，将一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在镍箔的顶部(图2C)，并且使用氧等离子体(PLASMA)(1分钟，100W)蚀刻箔的另一侧上的石墨烯膜(图2D)。用一个圆盘切割器在一个用作支撑框架的粘性聚酰亚胺胶带(Kapton)上形成直径为8mm的圆形孔径。然后将支撑框架附接到镍箔上的PMMA层上(图2E)。随后在0.1g/mL过硫酸钠溶液中蚀刻镍箔(图2F)。与氯化铁溶液相比，蚀刻速率要低得多(通常去除25μm厚的镍需要过夜蚀刻)，并且所得到的石墨烯膜是干净的并且没有无定形碳。然后，将PMMA层暴露的(未被支撑框架覆盖的)区域溶解在丙酮中，并将由框架支撑的石墨烯膜用异丙醇清洗两次并在空气中干燥(图2G)。支撑框架和石墨烯之间的PMMA用作缓冲材料，并将产率提高到～100％(无PMMA工艺的典型产率为～30％)。在一些情况下，石墨烯膜由光透射被测量为约20nm厚，或60个单层石墨烯。将25μm直径的金线附接到石墨烯膜的边缘用于电接触(图2H)。最后，将大约150μm厚的间隔物附着到框架的两侧，接着使用深反应离子蚀刻(DRIE)由硅晶片制成穿孔电极。刚性电极还用由银浆粘接的金线连接(图2I)。面向石墨烯膜的电极表面涂覆有导电金属层(20nm溅射的金)以允许金线与电极之间的欧姆接触。这种金涂层是用来消除由于在石墨烯膜上的电压变化很小而可能会阻止麦克风操作中的电流的任何接触障碍。需要注意，对于扬声器的应用，由于施加了大电压，因此不需要此金属涂层。
在一些实施例中，上述用于制造石墨烯麦克风的方法的操作可用于制造石墨烯扬声器。其他方法可以用于制造石墨烯麦克风或石墨烯扬声器。
在一些实施例中，波导或亥姆霍兹(Helmholtz)声腔被附接到石墨烯麦克风。波导或亥姆霍兹声腔可以通过改变阻尼或产生/消除干扰，来修改石墨烯麦克风在低频区域的频率响应。
图3A和3B示出石墨烯麦克风和用于信号提取的相关电路的操作原理的示例。在图3A所示的实施例中，使用大电阻器R(例如，10兆欧姆)以将电流转换成电压。大电阻器R限制电流，并且使石墨烯膜以恒定电荷模式操作，其将膜的位移转换成电压信号。这是传统麦克风工作的方式。然而，因为传输线中的寄生电容，该电路在较高的频率上可能会出现困难。
从图3A中的等效电路模型可以看出，在较高的频率下，寄生电容表现出较小的阻抗，并且降低了R两端的电压降。例如，甚至1pF的寄生电容(例如，等于约～1cm长度的RG-58同轴电缆)将电路的响应限制在1/2πRC＝16kHz。这对于声学麦克风电路可能是可接受的，但是排除了对于20kHz到MHz范围内的超声波信号的检测。
为了避开图3A的传统电路的限制，在一些实施例中，使用类似于在快速光电二极管信号检测中使用的电流感测电路。图3B中示出了这种电路的实施例。如图3B所示，石墨烯麦克风包括石墨烯膜305、电极310和电极315。在一些实施例中，用于将石墨烯膜305的响应转换成声音再转换成电信号的电路包括放大器325和电阻器320。石墨烯膜(例如，使用导线或端子)被连接到电压源(未示出)。放大器325的正输入端接地。电阻器320被连接到放大器的负输入端和放大器325的输出端。
在一些实施例中，电极310被连接到地。如上文关于图1A所述，在一些实施例中，石墨烯麦克风不包括电极310。然而，在一些实施例中，当石墨烯麦克风包括电极310时，石墨烯麦克风执行地更好(例如，更好的频率响应)。
在一些实施例中，放大器325是低噪声运算放大器。在一些实施例中，放大器325具有约3MHz至9MHz或约6.5MHz的带宽。较高带宽的放大器可以允许石墨烯麦克风感测较高频率的声音。然而，较高带宽的放大器可能具有较低的信噪比。在一些实施例中，放大器325具有低输入电流噪声。例如，可以使用高速精密差分运算放大器OPA602(Texas Instruments，Dallas，Texas)用作放大器325。
在一些实施例中，电阻器320具有约1兆欧至10000兆欧、约1兆欧至100兆欧、或约10兆欧的电阻。具有较大电阻的电阻器320将从放大器325生成具有较高的信噪比的信号。然而，具有较大电阻的电阻器320将降低石墨烯麦克风的带宽；可以减小石墨烯麦克风的高频响应。具有大电阻的电阻器320也可能导致电路变得不稳定。
在一些实施例中，电压源可操作以向石墨烯膜305施加约20V至1000V或约30V至100V的正或负偏压。施加到石墨烯膜305的电压越高，从放大器325生成的信号的信噪比就越高。
图3B中所示的电流感测电路可以允许从零到～0.5MHz的平坦频带电路响应。电流感测电路测量振动膜的速度(即，由声波引起的膜中的振动)，允许在过阻尼区域中石墨烯膜张力的减小和石墨烯麦克风的操作，以获得更宽的频率响应。运算放大器被配置为使得麦克风电极直接连接到虚拟地。因此，等效电路中的寄生电容被有效地短路，产生iout＝imic，以及vout＝R·iout＝R·imic。输出电压与麦克风振动成正比，并且不受寄生电容的影响。图3B所示的电流感测电路在高频时也保持一致的增益。图3B中所示的电路用于以下所描述的石墨烯麦克风的实验中。
为了确定石墨烯麦克风的频率响应，使用自由场方法来测量麦克风。简言之，将扫描商用扬声器上的频率，并测量商用麦克风的响应以获得频率响应FR1(f)。然后将商用麦克风替换成石墨烯麦克风，重复测量以得到FR2(f)。石墨烯麦克风的频率响应是通过取两次测量之间的差值来获得的。这种差分测量方法消除了扬声器、耦合、和驱动/放大电路的响应。商用麦克风通常在其工作范围内具有相对平坦的频率响应，因此这种测量提供了石墨烯麦克风性能的合理表示。
图4A-4C示出了不同配置的石墨烯麦克风的频率响应。图4A示出了参考商用电容式麦克风的，可听区域(20Hz-20kHz)中石墨烯麦克风的频率响应。这里0dB对应于由石墨烯膜生成的3.3nA/Pa的响应。具有软件的基于计算机声卡的系统被用于收集数据。石墨烯麦克风被包含在由铜网制成的法拉第笼(Faraday cage)中。尽管在图4A中，数据在500Hz以上相对平坦，但在较低频率(接近～60dB/十倍频程)处响应有强烈下降。这种下降来源于先前提到的石墨烯膜的后到前(back-to-front)消除，并且当增加的波长允许声音在麦克风周围衍射时变得突出。重要的是，这种衰减并不是石墨烯膜本身固有的，并且响应可以通过适当的声学设计被改善。
通过将声腔附接到石墨烯麦克风电极的一侧，可以易于实现改善的低频响应。如图4B所示，通过将声腔附接到麦克风电极的一侧，消除了低频干扰，并且石墨烯麦克风在整个可听区域内表现出固有的平坦频率响应(<10dB变化)。
由于石墨烯膜的小的面积质量密度，预计石墨烯麦克风对频率的响应远远超出人类听觉极限。然而，测量超声波区域的频率响应是困难的，主要是由于该区域内缺少宽带参考麦克风或扬声器。如上所述，压电超声波换能器易于在兆赫区域内操作，但仅仅是在其共振频率处。采用宽带静电石墨烯扬声器作为声波发射器，并且静电石墨烯麦克风作为接收器。通过测量它们之间不同耦合的总响应，可以隔离单个发射器/接收器的响应。
图4C显示石墨烯麦克风的测量频率响应。由于频率超过了传统计算机声卡的极限，因此网络分析器被用于测量。(在10dB内)响应看上去相对平坦，直到～0.5MHz。应当注意，所测量的平坦频率响应的最大频率仅受电子放大电路限制，并且可以使用较高带宽的运算放大器或用不同的检测方法(诸如，光学检测)进行扩展。将这一结果与低频测量(如图4B所示)相结合，石墨烯发射器/接收器具有从20Hz到至少0.5MHz的固有均衡频率响应(具有小于10dB的变化)，这对于超声波声学无线电操作是理想的。
作为石墨烯麦克风的初始超声波现场测试，记录了超声波蝙蝠叫声。蝙蝠通常使用回声定位在完全黑暗中进行导航和搜索。蝙蝠叫声频率范围从低至11kHz到高达212kHz，取决于种类。在现场使用石墨烯麦克风在加利福尼亚州利弗莫尔的德尔瓦勒地区公园(DelValle Regional Park,Livermore,California)获得蝙蝠声音信号(蝙蝠叫声)，蝙蝠种类Western Pipistrelle(parastrellus hesperus)在那里很普遍。谱图显示了蝙蝠叫声由周期性啁啾组成，在啁啾期间发射频率从～100kHz到～50kHz的频率持续下降。每个啁啾的持续时间约为4ms，重复周期约为50ms。相信蝙蝠利用频率扫描技术来区分多个目标、提高测量精度、避免彼此干扰。蝙蝠频率扫描或啁啾表示超声波FM无线电传输的形式，并且其成功的记录证明了石墨烯麦克风作为超声波无线电接收器的有效性。
图5A示出超声波发射和接收设备(即，超声波声学无线电设备)的示意图。如图5所示，超声波设备500包括发射器505和接收器510。发射器505可以是本文所描述的任何扬声器。例如，发射器505可以是图1C所示的石墨烯扬声器100。接收器510可以是本文所描述的任何麦克风。例如，接收器510可以是图1A和1B中所示的石墨烯麦克风150。
图5B示出了说明超声波发射和接收设备的使用的方法的流程图的示例。在方法550的块555处，用发射器生成声波。在一些实施例中，发射器包括石墨烯膜。在一些实施例中，声波具有约20kHz至10GHz、约200kHz至10GHz、或约20kHz至10MHz的频率。例如，声波可以被图5A中的发射器505生成。
在块560处，用接收器接收声波。在一些实施例中，接收器包括石墨烯膜。例如，声波可以用图5A中示出的接收器510接收。用接收器接收的声波可以具有低功率。例如，由接收器接收的声波的功率可以约1毫微微瓦(femtowatt)(即，1×10-15瓦)或更大。
利用图5B所示的方法550，可以发射和接收不同的频率。例如，可以执行方法550，发射和接收第一频率声波，然后可以重复方法550，发射和接收第二频率声波。在一些实施例中，第一和第二频率都在超声波频率范围内。在一些实施例中，第一和第二频率在频率上彼此分开至少约50Hz、至少约100Hz、至少约1kHz或至少约10kHz。例如，第一频率可以是大约20kHz至200kHz，并且第二频率可以是大约500MHz至1.5GHz。
在一些实施例中，声波用于发送信息。例如，在一些实施例中，声波包括幅度调制。声波的幅度与正发送的具有幅度调制的波形成比例变化。在一些实施例中，声波包括频率调制。声波的频率与正发送的具有频率调制的波形成比例变化。声波的幅度调制或频率调制允许声波包括或承载信息。例如，与发射器505相关联的电子器件可以改变声波的幅度或频率，以对声波中的信息进行编码。与接收器510相关联的电子器件可以解调接收到的声波以提取信息。
在一些实施例中，声波用于从发射器向接收器发送功率。例如，可以利用声波来发送功率，以为设备供电或为设备的电池充电。在一些实施例中，声波具有约500毫瓦至5瓦特，或约1瓦特的功率。接收器接收到声波后，可以转换为直流(DC)功率。与使用电磁感应对设备中的电池充电相比，使用超声波对设备中的电池充电可以是有益的；与电磁感应相比，利用超声波时，发射器和接收器可以彼此离得更远。
图6A-6C示出超声波发射和接收设备的性能的示例。图6A示出了包括发射器605和接收器610的超声波发射和接收设备600的示例。发射器605例如可以是本文所描述的任何石墨烯扬声器。接收器例如可以是本文所描述的任何石墨烯麦克风。
为了避免任何可能的EM辐射影响，发射器和接收器都放置在不可能进行EM通信的法拉第笼中。电子0.3MHz载波正弦波用5kHz锯齿波(90％幅度调制(AM))被调制。混频信号由示波器监测(图6B)。电信号被发送到石墨烯发射器，该石墨烯发射器向空气中发射超声波信号。混频后的频率远高于人的听觉极限因此不可听。图6C示出了由石墨烯接收器检测到并且被重新转换为电信号的超声波信号。接收到的信号准确地复制所发送的信号，并且信息是以高保真度来发送的。应当注意，尖锐的锯齿调制将频域中正弦波的单个三角函数形峰扩展为更宽的峰；石墨烯超声波声学无线电设备的宽带特性对于保持锯齿的形状(即，编码信息)是必不可少的。窄带压电超声波换能器缺少这样的特性。
超声发射和接收设备的另一使用是用于位置检测，即，测距。使用超声波进行位置检测已经很成熟，并且在高度定向的声纳状反射配置中使用石墨烯发射器和接收器当然是可能的。本文考虑不同的实现方式，即，电-声干扰。
图7A和图7B示出了测距设备700的示意图的示例，该测距设备可以利用声学和电磁(EM)信号与从该设备获得的信号之间的干扰。石墨烯发射器705可操作以发射声波和相同频率的EM波(EM天线710被添加到石墨烯发射器705驱动电子器件)。距离L的石墨烯接收器725将EM信号与声学信号一起接收(EM接收器天线730被添加到石墨烯接收器725上的换能器电子器件)。
由于声音传播比EM波慢得多，所以由接收器725的石墨烯膜拾取的声音信号将相对于电子接收器天线730的EM信号产生相位差。
如图7B所示，当执行频率扫描时，由于波长λ的变化，干涉在相长和相消之间交替变化。相长干涉的条件是：
Figure BDA0001464539040000171
其中L是接收器和发射器之间的距离，λ是声波的波长，并且n是整数。最近的两个相长波峰应该服从：
Figure BDA0001464539040000181
和
Figure BDA0001464539040000182
使用λ＝v/f，其中v是声速，以及f是频率，得到：
Figure BDA0001464539040000183
或
Figure BDA0001464539040000184
距离L等于声速除以两个最近的相长干涉峰的频率差Δ。石墨烯发射器/接收器对被放置分开三个不同的距离：30mm、45mm和85mm。在图7B中从上到下以三组示出所测量的频率扫描。当该发射器/接收器对分开越远时，信号越弱，两个相长波峰之间的频率差也变得越小。通过拟合峰，分别发现了11.28±0.08kHz、7.657±0.003kHz和4.05±0.07kHz的频率差Δf。使用344m/s的声速，这对应于30.49±0.22mm、44.92±0.02mm和84.94±0.84mm的测量距离。因此，可以易于用这种简单的电-声频率扫描配置来实现亚毫米级(sub-millimeter)的精度。
石墨烯麦克风的电学建模
导电振动石墨烯膜片与固定电极一起形成可变电容器，具有电容：
Figure BDA0001464539040000185
其中，ε是真空介电常数，A是石墨烯膜的面积，并且x是从电极中的一个到石墨烯膜的距离。当膜片在V～50V直流偏置时，电极上产生电荷，描述为Q＝CV。膜片的振动改变了系统的电容，并引起电极上的电荷变化，产生了电流：
Figure BDA0001464539040000186
其中u是膜相对于电极的速度。因此，石墨烯麦克风可以被模拟为具有无限大内电阻的电流源，其中，电流对声波进行编码。在石墨烯膜片与空气一起振动的薄膜极限下，u等于空气的局部速度场，其幅度U为：
Figure BDA0001464539040000187
其中，p是声音压力级(SPL)，并且Z＝400N·s·m-3是空气的声学阻抗。因此麦克风电流源的幅度与声音的响度成正比，并且与声音频率相独立。使用第二和第三公式，V＝50V，A＝25mm2，并且x＝150μm，我们发现在40dB SPL(约在1m处的小声对话)电流幅度为2pA。这个级别的电流可以通过信号调节电路的仔细设计而可靠地测量。
传统麦克风操作与石墨烯麦克风操作的比较
传统的麦克风测量振动膜的电压变化。操作如图8所示。图8所示的麦克风的操作可以用图3A所示的电路来实现。在传统的麦克风中，膜连接到一个非常大的电阻器，并且在操作期间电荷Q几乎保持恒定。高斯定律(Gauss’s law)给了我们在带电荷Q的两块板之间的电压降：
Figure BDA0001464539040000191
其中Q是膜上的电荷，d0是膜和电极之间在平衡位置处的距离，S是膜的面积，Asin(ωt)是振幅A的膜振动位移，ε是真空介电常数。我们看到，如果我们测量电压响应，则交流(AC)部分与振动位移的幅度A成正比。
在这种情况下，过阻尼系统不会生成平坦频带响应。如果我们将系统建模为谐振子，则公式为：
Figure BDA0001464539040000192
其中m是膜质量，ζ是阻尼系数，k是弹簧常数，F是施加在膜上的驱动力，等于声音压力SPsin(ωt)。振动幅度的解是：
Figure BDA0001464539040000193
如果系统过阻尼，则阻尼项ζω将超过其它项占主导，从而导致A～ω-1。这意味着所测量的电压信号也会随着频率的增加而降低。对于需要较高张力膜的传统麦克风来说，也是如此，从而使得弹簧常数项k可以占主导以享有平坦频带响应。
如上所述，石墨烯麦克风使用电流感测机制来支持在高频区域中的工作。图9显示了石墨烯麦克风的操作的示例。如图9所示，电路实际上测量振动速度，而不是位移。图9所示的麦克风的操作可以用图3B所示的电路来实现。
石墨烯膜保持在电压V处。石墨烯膜上的电荷量实际是变化的，在振动信息提取处生成电流。可以使用平行板电容器来计算石墨烯膜上或固定电极上的电荷：
Figure BDA0001464539040000201
振动幅度通常比石墨烯膜和电极之间的距离小得多，因此在A<<d0处，可以将表达式泰勒展开到一阶：
Figure BDA0001464539040000202
电荷的时间变化为所测量的电流：
Figure BDA0001464539040000203
可以看到测量的电流的幅度与Aω成正比。
现在，回到运动公式，发现：
Figure BDA0001464539040000204
因此，阻尼项ζ超过其它项占主导的过阻尼系统，导致恒定的电流幅度，即，平坦频带频率响应。
总结
已经证明了具有从约20Hz到0.5MHz的理想均衡频率响应的静电石墨烯超声波声学无线电设备。在记录野生蝙蝠叫声中，已经对接收器组件进行了独立的现场测量。已经证明了幅度和频率调制通信，并且已经建立了具有亚毫米级精度的超声波无线电设备的创新的电-声测距方法。
在前述说明书中，发明已经参考具体实施例被描述。然而，本领域的普通技术人员应理解，在不脱离如以下权利要求书所说明的本发明范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，并且所有这样的修改都意图被包括在本发明的范围内。

Claims (36)

1.一种具有发射器和接收器的系统，包括：
发射器；
包括膜的接收器，所述膜包括二维材料的单层或多层，所述接收器能操作以接收频率范围内的声波，所述频率范围是超声波频率范围，
其中，所述膜为石墨烯膜，
其中，所述膜附接到具有孔径的框架，所述孔径被布置在第一电极和第二电极之间的中间位置，其中，第一间隔物被布置在所述框架和所述第一电极之间，并且第二间隔物被布置在所述框架和所述第二电极之间，
其中，所述频率范围是20kHz至10GHz，并且其中，所述接收器能操作以接收所述频率范围上的声波，
其中，所述膜具有3mm至11mm的直径；
声腔，所述声腔被附接到所述第二电极的一侧；以及
与所述第一电极相关联的电路，其中，所述电路能操作以测量所述膜的振动速度，其中，所述振动由所述声波引起。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述声波包括幅度调制。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述声波包括频率调制。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述声波具有500毫瓦至5瓦的功率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述框架中的所述孔径是圆形的开口区域，所述孔径限定了所述膜的圆形的部分。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路包括低噪声运算放大器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路包括电阻器，所述电阻器具有1兆欧至10000兆欧的电阻。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路包括电压源，所述电压源能操作以向所述膜施加20伏至1000伏的电压。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，缓冲材料被布置在所述膜和所述框架之间。
10.一种具有发射器和接收器的系统，包括：
发射器；
包括膜的接收器，所述膜包括二维材料的单层或多层，所述接收器能操作以接收频率范围内的声波，所述频率范围是超声波频率范围，
其中，所述膜为石墨烯膜，
其中，所述膜附接到具有孔径的框架，所述孔径被布置在第一电极和第二电极之间的中间位置，其中，第一间隔物被布置在所述框架和所述第一电极之间，并且第二间隔物被布置在所述框架和所述第二电极之间，
其中，所述频率范围是20kHz至10GHz，并且其中，所述接收器能操作以接收所述频率范围上的声波，
其中，缓冲材料被布置在所述膜和所述框架之间；
声腔，所述声腔被附接到所述第二电极的一侧；以及
与所述第一电极相关联的电路，其中，所述电路能操作以测量所述膜的振动速度，其中，所述振动由所述声波引起。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述声波包括幅度调制。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述声波包括频率调制。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述声波具有500毫瓦至5瓦的功率。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述框架中的所述孔径是圆形的开口区域，所述孔径限定了所述膜的圆形的部分。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电路包括低噪声运算放大器。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电路包括电阻器，所述电阻器具有1兆欧至10000兆欧的电阻。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电路包括电压源，所述电压源能操作以向所述膜施加20伏至1000伏的电压。
18.一种接收器设备，包括：
包含单层或多层二维材料的膜；
邻近所述膜的第一侧的第一电极；
与所述第一电极相关联的电路，所述电路能操作以测量所述膜的振动速度，所述振动由声波引起，
其中，所述膜为石墨烯膜，
其中，所述膜附接到具有孔径的框架，所述孔径被布置在所述第一电极和第二电极之间的中间位置，其中，第一间隔物被布置在所述框架和所述第一电极之间，并且第二间隔物被布置在所述框架和所述第二电极之间，
其中，所述设备能操作以响应于所述声波而生成通过所述电路的输出信号，并且其中，所述声波具有20kHz到10GHz的频率，
其中，所述膜具有3mm至11mm的直径；以及
声腔，所述声腔被附接到所述第二电极的一侧。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述声波包括幅度调制。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述声波包括频率调制。
21.根据权利要求18所述的设备，其中，所述声波具有500毫瓦至5瓦的功率。
22.根据权利要求18所述的设备，其中，所述框架中的所述孔径是圆形的开口区域，所述孔径限定了所述膜的圆形的部分。
23.根据权利要求18所述的设备，其中，所述电路包括放大器。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述放大器包括低噪声运算放大器。
25.根据权利要求23所述的设备，其中，所述电路包括电阻器，所述电阻器具有1兆欧至10000兆欧的电阻。
26.根据权利要求23所述的设备，其中，所述电路包括电压源，所述电压源能操作以向所述膜施加20伏至1000伏的电压。
27.根据权利要求18所述的设备，其中，缓冲材料被布置在所述膜和所述框架之间。
28.一种接收器设备，包括：
包含单层或多层二维材料的膜；
邻近所述膜的第一侧的第一电极；
与所述第一电极相关联的电路，所述电路能操作以测量所述膜的振动速度，所述振动由声波引起，
其中，所述膜为石墨烯膜，
其中，所述膜附接到具有孔径的框架，所述孔径被布置在所述第一电极和第二电极之间的中间位置，其中，第一间隔物被布置在所述框架和所述第一电极之间，并且第二间隔物被布置在所述框架和所述第二电极之间，
其中，所述设备能操作以响应于所述声波而生成通过所述电路的输出信号，并且其中，所述声波具有20kHz到10GHz的频率，
其中，缓冲材料被布置在所述膜和所述框架之间；以及
声腔，所述声腔被附接到所述第二电极的一侧。
29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述声波包括幅度调制。
30.根据权利要求28所述的设备，其中，所述声波包括频率调制。
31.根据权利要求28所述的设备，其中，所述声波具有500毫瓦至5瓦的功率。
32.根据权利要求28所述的设备，其中，所述框架中的所述孔径是圆形的开口区域，所述孔径限定了所述膜的圆形的部分。
33.根据权利要求28所述的设备，其中，所述电路包括放大器。
34.根据权利要求33所述的设备，其中，所述放大器包括低噪声运算放大器。
35.根据权利要求33所述的设备，其中，所述电路包括电阻器，所述电阻器具有1兆欧至10000兆欧的电阻。
36.根据权利要求33所述的设备，其中，所述电路包括电压源，所述电压源能操作以向所述膜施加20伏至1000伏的电压。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106248196B (zh) * 2016-08-31 2019-10-15 哈尔滨工业大学 一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法
US11686611B2 (en) 2017-02-24 2023-06-27 Vestel Elektronik Sanayi Ve Ticaret A.S. Acousto-optic transducer, array and method
CN107246909A (zh) * 2017-05-22 2017-10-13 武汉理工大学 石墨烯声传感器阵列
US12253391B2 (en) 2018-05-24 2025-03-18 The Research Foundation For The State University Of New York Multielectrode capacitive sensor without pull-in risk
JP2021535646A (ja) * 2018-08-08 2021-12-16 グラフオーディオ・インコーポレイテッド マイクロ静電トランスデューサの量産
US11589164B2 (en) * 2018-08-08 2023-02-21 The Regents Of The University Of California Acoustic transducer including a modified membrane
EP3620429A1 (en) * 2018-09-06 2020-03-11 Infineon Technologies AG Mems membrane transducer and method for producing same
WO2020051401A1 (en) 2018-09-07 2020-03-12 Graphaudio Transparent electrostatic transducers
US10841709B2 (en) 2018-12-06 2020-11-17 Waves Audio Ltd. Nanocomposite graphene polymer membrane assembly, and manufacturing method thereof
US10915052B2 (en) 2018-12-26 2021-02-09 Canon Kabushiki Kaisha Recording material determination apparatus and image forming apparatus that receive ultrasonic waves
CN110012397B (zh) * 2019-05-10 2020-12-29 美特科技(苏州)有限公司 一种扬声器
CN110560348B (zh) * 2019-08-14 2021-01-15 武汉大学 具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器
CN111121951A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 深圳瀚光科技有限公司 一种二维MXene基声音探测器及其制备方法和应用
IL298211A (en) * 2020-05-18 2023-01-01 Waves Audio Ltd Control of an electrostatic acoustic device
CN111818425A (zh) * 2020-06-08 2020-10-23 深圳市汉嵙新材料技术有限公司 振膜、发声装置、麦克风组件及振膜制作方法
US11160319B1 (en) * 2020-08-11 2021-11-02 Nantworks, LLC Smart article visual communication based on facial movement
CN113074806B (zh) * 2021-03-25 2022-06-14 华中科技大学 一种自供电声波传感装置、碳纳米管阵列及其制备方法
CN113421774B (zh) * 2021-06-21 2022-07-08 哈尔滨工业大学 一种将石墨烯悬浮膜制成电容的夹具

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19735101A1 (de) * 1997-08-13 1999-02-18 Krautkraemer Gmbh Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren
CN1753576A (zh) * 2004-09-22 2006-03-29 精工爱普生株式会社 静电型超声波换能器及超声波扬声器
EP2271129A1 (en) * 2009-07-02 2011-01-05 Nxp B.V. Transducer with resonant cavity
CN102265644A (zh) * 2008-12-24 2011-11-30 松下电器产业株式会社 平衡信号输出型传感器
US8270253B1 (en) * 2005-11-29 2012-09-18 Orthosensor, Inc. Method and system for ultrasonic measurement and alignment
CN102957994A (zh) * 2012-10-26 2013-03-06 山东师范大学 石墨烯薄膜式扬声器及其制备方法
CN103399675A (zh) * 2007-03-14 2013-11-20 高通股份有限公司 Mems传声器
WO2014100012A1 (en) * 2012-12-20 2014-06-26 The Regents Of The University Of California Electrostatic graphene speaker
CN104185125A (zh) * 2014-08-14 2014-12-03 瑞声声学科技(深圳)有限公司 扬声器系统及其驱动方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4655086A (en) 1985-04-30 1987-04-07 Iowa State University Research Foundation, Inc. Method and means for measuring sound intensity
US20030052970A1 (en) * 2001-09-19 2003-03-20 Dodds G. Alfred Automatically activated wireless microphone for in-car video system
JP2007104371A (ja) * 2005-10-05 2007-04-19 Seiko Epson Corp 静電型超音波トランスデューサ
US7414705B2 (en) * 2005-11-29 2008-08-19 Navisense Method and system for range measurement
JP2008028879A (ja) 2006-07-25 2008-02-07 Sanyo Electric Co Ltd マイクアンプ
KR101344493B1 (ko) * 2007-12-17 2013-12-24 삼성전자주식회사 단결정 그라펜 시트 및 그의 제조방법
JP2010057187A (ja) * 2008-05-09 2010-03-11 Seiko Epson Corp 超音波信号送受信装置、通信装置、ダイバー用通信装置、通信システム、および通信方法
FR2939003B1 (fr) * 2008-11-21 2011-02-25 Commissariat Energie Atomique Cellule cmut formee d'une membrane de nano-tubes ou de nano-fils ou de nano-poutres et dispositif d'imagerie acoustique ultra haute frequence comprenant une pluralite de telles cellules
JP2010245797A (ja) * 2009-04-06 2010-10-28 Panasonic Corp コンデンサーマイクロフォン
JP5578810B2 (ja) * 2009-06-19 2014-08-27 キヤノン株式会社 静電容量型の電気機械変換装置
US9165550B2 (en) * 2009-11-19 2015-10-20 Otter Products, Llc Acoustic isolation mechanism with membrane
US8995690B2 (en) 2011-11-28 2015-03-31 Infineon Technologies Ag Microphone and method for calibrating a microphone
CN103841503B (zh) 2012-11-20 2017-12-01 清华大学 发声芯片
US9516428B2 (en) * 2013-03-14 2016-12-06 Infineon Technologies Ag MEMS acoustic transducer, MEMS microphone, MEMS microspeaker, array of speakers and method for manufacturing an acoustic transducer
JP5980263B2 (ja) * 2014-05-02 2016-08-31 キヤノン株式会社 静電容量型の電気機械変換装置を含む装置
KR20160006336A (ko) * 2014-07-08 2016-01-19 삼성디스플레이 주식회사 트랜스듀서 및 이를 포함하는 전자 기기
CN105469819A (zh) * 2014-08-20 2016-04-06 中兴通讯股份有限公司 麦克选择方法及装置
EP3166338B1 (en) * 2015-11-05 2019-08-21 Nokia Technologies Oy An acoustic apparatus and associated methods

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19735101A1 (de) * 1997-08-13 1999-02-18 Krautkraemer Gmbh Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren
CN1753576A (zh) * 2004-09-22 2006-03-29 精工爱普生株式会社 静电型超声波换能器及超声波扬声器
US8270253B1 (en) * 2005-11-29 2012-09-18 Orthosensor, Inc. Method and system for ultrasonic measurement and alignment
CN103399675A (zh) * 2007-03-14 2013-11-20 高通股份有限公司 Mems传声器
CN102265644A (zh) * 2008-12-24 2011-11-30 松下电器产业株式会社 平衡信号输出型传感器
EP2271129A1 (en) * 2009-07-02 2011-01-05 Nxp B.V. Transducer with resonant cavity
CN102957994A (zh) * 2012-10-26 2013-03-06 山东师范大学 石墨烯薄膜式扬声器及其制备方法
WO2014100012A1 (en) * 2012-12-20 2014-06-26 The Regents Of The University Of California Electrostatic graphene speaker
CN104185125A (zh) * 2014-08-14 2014-12-03 瑞声声学科技(深圳)有限公司 扬声器系统及其驱动方法

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