超声波麦克风和超声波声学无线电设备制造技术

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。

Ultrasonic microphone and ultrasonic acoustic radio equipment

The present disclosure provides systems, methods and devices involving ultrasonic microphones and ultrasonic acoustic radio devices. On the one hand, the system consists of a transmitter and a receiver. The receiver includes a membrane. The membrane consists of a single layer or multilayer of a two-dimensional material. The receiver can be operated to receive sound waves within the frequency range, which is the frequency range of the ultrasonic wave.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。政府支持声明本专利技术由政府支持，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。政府具有本专利技术的某些权利。
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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专利技术的一些具体示例，包括专利技术人设想的用于执行该专利技术的最佳模式。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专利技术，但是应该理解的是，这不意在将专利技术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专利技术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专利技术的透彻理解。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专利技术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专利技术。为了清楚起见，有时将以单数形式描述本专利技术的各种技术和机制。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蝙蝠耳膜更薄，使得它们能够听到高达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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，包括：发射器；以及包括膜的接收器，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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.16 US 62/133,804;2015.04.06 US 62/143,5651.一种系统，包括：发射器；以及包括膜的接收器，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。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述膜包括石墨烯膜。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述频率范围是约20kHz至10GHz。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接收器还包括：邻近所述膜的第一侧的第一电极；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。5.一种方法，包括：用发射器生成具有频率的声波，所述频率在超声波频率范围内；以及用接收器接收所述声波，所述接收器包括膜，所述膜包括二维材料的单层或多层。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述膜包括石墨烯膜。7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述频率是约20kHz至10GHz。8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述发射器包括第二膜，并且其中，所述第二膜包括二维材料的单层或多层。9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述声波包括幅度调制。10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述声波包括频率调制。11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述声波具有约500毫瓦至5瓦的功率。12.根据权利要求5所述的方法，其中，所述接收器还包括：邻近所述膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周勤，亚历山大·K·泽蒂，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US