(57)【要約】【課題】本開示は、超音波マイクロフォン及び超音波音響無線機に関するシステム、方法及び装置を提供する。【解決手段】１つの態様において、システムは、送信機と受信機とを含む。受信機は、膜を備える。膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含む。受信機は、ある周波数範囲において音波を受信するように作動し、周波数範囲は、超音波周波数範囲である。【選択図】図１Ａ
2019213237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機と、
膜を含む受信機と、
を備え、前記膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含み、前記受信機は、ある周波数範囲において音波を受信するように作動し、前記周波数範囲は超音波周波数範囲である、
システム。
【請求項２】
前記膜は、グラフェン膜を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記周波数範囲は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記受信機は、
前記膜の第１の側部に近接した第１の電極と、
前記第１の電極に関連する回路と、
を更に含み、前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、前記音波によって引き起こされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
超音波周波数範囲にある周波数を有する音波を送信機を用いて生成するステップと、
２次元材料の単層又は複数の層を含む膜を有する受信機を用いて前記音波を受信するステップと、
を含む、方法。
【請求項６】
前記膜は、グラフェン膜を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記周波数は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚである、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記送信機は、第２の膜を含み、該第２の膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記音波は、振幅変調を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記音波は、周波数変調を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記音波は、約５００ミリワット〜５ワットの電力を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記受信機は、
前記膜の第１の側部に近接した第１の電極と、
前記第１の電極に関連する回路と、
を更に含み、前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、前記音波によって引き起こされる、請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
２次元材料の単層又は複数の層を含む膜と、
前記膜の第１の側部に近接した第１の電極と、
前記第１の電極に関連する回路と、
を備え、前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、前記音波によって引き起こされる、装置。
【請求項１４】
前記膜を支持するフレームを更に備え、前記フレームは、前記膜の実質的に円形部分を定める実質的に円形の開口領域を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記膜は、グラフェン膜を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記回路は、抵抗器と増幅器とを含み、前記膜は、電圧源に接続され、前記第１の電極は、前記増幅器の負の入力に接続され、前記増幅器の正の入力は、接地に接続され、前記抵抗器は、前記増幅器の負の入力と前記増幅器の出力とに接続される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記抵抗器は、約１メガオーム〜１００００メガオームの抵抗を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記増幅器は、低雑音演算増幅器を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記電圧源は、約２０ボルト〜１０００ボルトの電圧を前記膜に印加するように作動する、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記装置は、前記音波に応答して前記回路を介して出力信号を生成するように作動し、前記音波は、約２０Ｈｚ〜１０ＧＨｚの周波数を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
第１のスペーサーを更に備え、前記第１のスペーサーは、前記膜と前記第１の電極との間に配置される、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記膜の第２の側部に近接した第２の電極を更に備える、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１５年３月１６日出願の米国特許仮出願第６２／１３３，８０４号、及び、２０１５年４月６日出願の米国特許仮出願第６２／１４３，５６５号に対し優先権を主張し、これらの特許は何れも引用により本明細書に組み入れられる。本出願は、２０１５年６月１２日出願の米国特許出願第１４／７３７，９０３号の関連出願であり、当該特許は、引用により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
（政府支援の記載）
本発明は、米国エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−０５ＣＨ１１２３１、海軍研究事務所により授与された認可番号Ｎ０００１４−０９−１０６６、及び、全米科学財団により授与された認可番号ＥＥＣ−０８３８１９に基づき政府の支援を得て為されたものである。政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
（技術分野）
本開示は、一般に、音波（sound wave）を送受することができる装置に関し、より詳しくは、超音波を送受信することができる装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
現代の無線通信は、ＨｚからＴＨｚまで広い周波数範囲にわたる電磁（ＥＭ）波の生成及び受信に基づいており、大きな帯域リソースをもたらす。しかしながら、ＥＭ通信には、導電性材料の高い減衰係数及びアンテナサイズを含む様々な欠点がある。他方，動物は、何百万年にもわたり、短距離通信に音響波（acoustic waves）を効果的に使用してきた。音響波ベースの通信は、ＥＭの問題点の一部を克服することができる。
【０００５】
例えば、音響波は、導電性材料中で良好に伝播するので、潜水艦による水中通信として研究されてきた。クジラ及びイルカなどの海洋哺乳類は、音響波を介して効果的に交信することが知られている。地上音響波通信において、可聴帯域又は音響帯域（すなわち、約２０ｋＨｚ〜２０Ｈｚ、人間が聴くことができる音）は、人の会話によって占有されることが多く、一方、可聴下周波帯域（subsonic band）は、移動中の車両及びビル建築によって妨害される可能性がある。
【０００６】
超音波帯域（ultrasonic band）は、広い周波数スパンを有し、多くの場合外乱がないが、高データ転送速度通信の目的ではほとんど利用されていない。超音波帯域は、人の聴取範囲の上限よりも高い周波数であり、一般的には、約２０ｋＨｚよりも高く取られる。超音波帯域がほとんど使用されない１つの重大な理由は、広帯域幅の超音波発生器及び受信機がないことである。従来の圧電ベースのトランスデューサーは、１つの共振周波数でしか作動せず、情報ストリームを埋め込むのにより広い帯域幅が必要とされる通信で使用することができない。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書では、グラフェンベースの静電気音響波発生器及び受信機（graphene based electrostatic acoustic wave generators and receivers）を備えた広帯域超音波音響無線機（wideband ultrasonic acoustic radio）が記載される。音響トランスデューサーは、人の可聴領域（すなわち、約２０Ｈｚ〜  ２０ｋＨｚ）並びに超音波領域（すなわち、少なくとも０．５ＭＨｚまで）にわたって極めて優れた平坦な周波数応答を示す。周波数掃引超音波のコウモリの鳴き声を記録することに成功した。０．３ＭＨｚでの振幅変調情報伝送が実証された。超音波音響無線機ペアはまた、音響信号と電磁信号との間の干渉を使用した新規の距離測定法を提供する。
【０００８】
本開示で記載される主題の１つの革新的な態様は、送信機（transmitter）及び受信機（receiver）を含むシステムで実施することができる。受信機は、膜（membrane）を含み、膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含む。受信機は、ある周波数範囲において音波を受信するように作動し、該周波数範囲は、超音波周波数範囲である。
【０００９】
一部の実施形態において、膜は、グラフェン膜（graphene membrane）を備える。一部の実施形態において、受信機は更に、膜の第１の側部に近接した第１の電極と、第１の電極に関連する回路とを含む。回路は、膜の振動の速度を測定するように作動し、該振動は、音波によって引き起こされる。
【００１０】
本開示で記載される主題の別の革新的な態様は、送信機を用いてある周波数を有する音波を生成するステップと、受信機を用いて音波を受信するステップと、を含む方法において実施することができる。音波の周波数は、超音波周波数範囲にある。受信機は、膜を含み、該膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含む。
【００１１】
一部の実施形態において、膜は、グラフェン膜を備える。一部の実施形態において、送信機は、第２の膜を含み、該第２の膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含む。一部の実施形態において、受信機は更に、膜の第１の側部に近接した第１の電極と、第１の電極に関連する回路とを含む。回路は、膜の振動の速度を測定するように作動し、該振動は、音波によって引き起こされる。
【００１２】
本開示で記載される主題の別の革新的な態様は、２次元材料の単層又は複数の層を備える膜と、膜の第１の側部に近接した第１の電極と、第１の電極に関連する回路とを含む装置において実施することができる。回路は、膜の振動の速度を測定するように作動し、該振動は、音波によって引き起こされる。
【００１３】
一部の実施形態において、装置は更に、膜を支持するフレームを含む。フレームは、膜の実質的に円形部分を定める実質的に円形の開口領域を含む。一部の実施形態において、回路は、抵抗器と増幅器とを含む。膜は、電圧源に接続される。第１の電極は、増幅器の負の入力に接続される。増幅器の正の入力は、接地に接続される。抵抗器は、増幅器の負の入力及び増幅器の出力に接続される。
【００１４】
本明細書で記載される主題の１又は２以上の実施形態の詳細について、添付図面及び以下の詳細な説明にて記載される。他の特徴、態様、及び利点は、詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。尚、以下の図の相対寸法は縮尺通りに描かれていない場合がある点に留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】グラフェン静電広帯域受信機（すなわち、グラフェンマイクロフォン）の概略断面図の実施例である。
【図１Ｂ】フレーム内に懸架されたグラフェン膜の実施例を示す図である。
【図１Ｃ】静電駆動グラフェンスピーカーの概略断面図の実施例である。
【図１Ｄ】異なる２次元材料の積層体の実施例を示す図である。
【図１Ｅ】異なる２次元材料の積層体の実施例を示す図である。
【図２Ａ−Ｉ】製造プロセスにおける様々な段階でのグラフェンマイクロフォンの概略図の実施例である。
【図３Ａ】信号抽出のためのグラフェンマイクロフォン及び関連する回路の作動原理の実施例を示す図である。
【図３Ｂ】信号抽出のためのグラフェンマイクロフォン及び関連する回路の作動原理の実施例を示す図である。
【図４Ａ−Ｃ】異なる構成におけるグラフェンマイクロフォンの周波数応答を示す。
【図５Ａ】超音波送受信装置（すなわち、超音波音響無線機）の概略図を示す。
【図５Ｂ】超音波送受信装置の使用方法を例示する流れ図の実施例である。
【図６Ａ−Ｃ】超音波送受信装置の性能の実施例を示す図である。
【図７Ａ】音響信号及び電磁（ＥＭ）信号とこのような装置から取得された信号との干渉を利用することができる距離測定装置の概略図の実施例である。
【図７Ｂ】音響信号及び電磁（ＥＭ）信号とこのような装置から取得された信号との干渉を利用することができる距離測定装置の概略図の実施例である。
【図８】従来のマイクロフォンの動作の実施例を示す図である。
【図９】グラフェンマイクロフォンの動作の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ここで、本発明を実施するため発明者らによって企図される最良の形態を含む本発明の一部の特定の実施例について詳細に参照する。これらの特定の実施形態は、添付図面において例証される。本発明は、これらの特定の実施形態に関連して説明されるが、記載される実施形態に本発明を限定することは意図されていない点は理解されるであろう。むしろ、添付の特許請求の範囲により定められる本発明の技術的思想及び範囲内に含むことができる代替形態、変更形態、及び均等物を包含することが意図される。
【００１７】
以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解が得られるように、多数の特定の詳細事項が記載されている。本発明の特定の例示的な実施形態は、これらの特定の詳細事項の一部又は全部がなくとも実施することができる。他の事例において、周知のプロセス動作は、本発明を不必要に曖昧にしないように詳細には記載していない。
【００１８】
本発明の様々な技術及び機構は、場合によっては明確にするために単数形で記載されている。しかしながら、一部の実施形態は、別途記載のない限り、ある技術の複数の反復又は機構の複数の具体化を含む点に留意されたい。
【００１９】
（序論）
グラフェンの超低質量及び高い機械的強度により、グラフェンが音の変換用途で魅力的なものになっている。従来は、人の可聴領域（すなわち、約２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）全体にわたって均等化された周波数応答を有する静電駆動のグラフェンダイアフラムラウドスピーカーが実証されている。ラウドスピーカーの最大高周波カットオフは決定されず、測定は、利用可能な検出設備によって２０ｋＨｚまでに限定されていたが、以下に示すように、グラフェンスピーカーは、少なくとも０．５ＭＨｚまで作動する。グラフェンによって、広い周波数範囲にわたってダイアフラム自体の質量及びばね定数よりも空気減衰が優支配的になることができる。原理的には、グラフェンの非常に優れた機械的特性、及び空気及び他の媒質との好ましい結合（カップリング）により、超音波音響無線機の中心的要件である音の生成と受信の両方で広帯域トランスデューサーを利用可能にすることができる。本出願で使用する場合の用語「無線機』は、送信機及び受信機を含むシステムである。
【００２０】
従来の音響受信機（すなわち、マイクロフォン）において、音波による空気圧の変動により懸架ダイアフラムの動きが誘起され、次いで、この動きは、ファラデー誘導を介して（磁石及びコイルを使用して）、すなわち容量的に電気信号に変換される。ダイアフラムの面質量密度は、マイクロフォンの周波数応答に関する上限を設定する。人の聴覚系において、ダイアフラム（鼓膜）は、比較的肉厚（およそ１００μｍ）であり、平坦なＦＲがおよそ２ｋＨｚまで、最大検出がおよそ２０ｋＨｚまでに制限される。コウモリにおいては、鼓膜はより薄肉であり、これによって、コウモリは、最大でおよそ２００ｋＨｚまでの反射した反響定位の鳴き声を聴くことが可能となる。
【００２１】
高性能商用マイクロフォンのダイアフラムは、可聴領域からおよそ１４０ｋＨｚまで平坦な周波数応答を提供するように設計することができる。マイクロフォンにおいて、ダイアフラムの薄肉化及び軽量化によって、高周波での音の振動のより忠実な追従が可能となり、このためには、通常、構造的完全性を得るためにより小さな懸架領域が必要である。ダイアフラムが小さいと、主として（応答振動振幅を低減する）ダイアフラムの有効剛性が高くなることに起因して、更に結合の非効率性に起因して、低周波数応答が必然的に犠牲にされる。ダイアフラムが小さいと、検出（すなわち電子変換）上の問題も増大する。可聴領域及び超音波領域の両方をカバーする均等化された周波数応答を有する広帯域マイクロフォンは、技術的に極めて困難である。
【００２２】
超音波音響無線機の成果をあげた設計、構成及び作動について、本明細書で説明する。超音波音響無線機の１つの構成要素は、静電結合機械的振動式グラフェンダイアフラムベースの受信機（すなわち、グラフェンマイクロフォン）であり、これは、グラフェンベースの音響送信機とペアにすることができる。グラフェンマイクロフォンは、少なくとも２０Ｈｚ〜０．５ＭＨｚ（特性計測装置によって制限される）をカバーする優れた均等化された周波数応答（完全に平坦な帯域応答の１０ｄＢ変動内）と、野生で反響定位するコウモリを記録するのに十分な感度とを有する。この効率的なグラフェン超音波送信機／受信機無線システムは、無線信号を成功裏に符号化、伝播、及び復号化する。同じ超音波音響無線機を用いて、超音波と電磁波との間の干渉を使用して距離を正確に測定することができる。
【００２３】
（装置、システム、及び方法）
図１Ａは、グラフェンマイクロフォン１５０の概略断面図の実施例を示す。グラフェンマイクロフォン１５０は、２つの電極１６０及び１６５間のほぼ中間付近でフレーム１５７（上から見下ろし視点の図１Ｂを参照）にて懸架されたグラフェン膜１５５を含む。２つのスペーサー１７０及び１７５は、電極１６０及び１６５それぞれからグラフェン膜１５５を離隔する。一部の実施形態において、グラフェン膜１５５と電極１６０及び１６５の各々との間の間隔は、約５０ミクロン〜１ミリメートル（ｍｍ）、又は約１５０ミクロンである。
【００２４】
一部の実施形態において、グラフェン膜１５５は、単層グラフェン膜（すなわち、グラフェンの単層）である。一部の実施形態において、グラフェン膜１５５は、多層グラフェン膜である。例えば、一部の実施形態において、グラフェン膜１５５は、グラフェンの１又は２以上の層を含む。一部の実施形態において、グラフェン膜１５５は、約０．３４ナノメートル（ｎｍ）（すなわち、グラフェンの単層の厚さ）〜１ミクロン厚、又は約２０ｎｍ厚である。より薄肉のグラフェン膜を有するグラフェンマイクロフォンにより、マイクロフォンは、より高い周波数の音波に応答することができる。
【００２５】
フレーム１５７は、グラフェンマイクロフォン１５０の製造プロセスの際のグラフェン膜のハンドリングを可能にすることができる。また、フレーム１５７により、グラフェン膜１５５の一部を懸架することができ、すなわち、他の材料と接触しないようにすることができる。このようにしてグラフェン膜１５５をフレーム１５７に懸架することでグラフェンダイアフラムを形成することができ、ダイアフラムは、その周辺部にて係止された半可撓性材料のシートである。一部の実施形態において、フレーム１５７は、典型的にはディスク中央部において実質的に円形の開口領域を定める材料のディスクである。すなわち、一部の実施形態において、フレーム１５７は、金属製座金に類似したものであり、該座金は、貫通孔（典型的には円形で中央に）を有する材料の薄板（典型的にはディスク状）である。一部の実施形態において、フレーム１５７は、グラフェン膜１５５の一方の側部に取り付けられる。一部の実施形態において、フレームは、厚みが約２０ミクロン〜２００ミクロン、又は約５０ミクロンである。一部の実施形態において、フレームは、約５００ミクロン〜６センチメートル（ｃｍ）、又は約１０ｍｍの外径を有する。フレームによって定められる開口領域は、約１００ミクロン〜５ｃｍ、又は約８ｍｍの直径を有することができる。
【００２６】
一部の実施形態において、フレームは、他の構成を含む。例えば、フレームは、矩形、正方形、又は楕円形を有する開口領域を定めることができ、フレーム材料は、グラフェン膜をこの開口領域にて懸架するように設計される。
【００２７】
一部の実施形態において、フレーム１５７は非導電性材料である。例えば、一部の実施形態において、フレーム１５７は、ポリマー又はセラミックを含む。例えば、一部の実施形態において、フレーム１５７はポリイミドである。材料が、グラフェン膜１５５を支持し且つグラフェンマイクロフォン１５０へのフレーム１５７の組み込みを可能にするのに十分な機械的強度を有している限り、多くの異なる材料をフレームに使用することができる。
【００２８】
一部の実施形態において、グラフェン膜１５５は、端子（図示せず）と電気的に接触している。一部の実施形態において、端子は金属線である。例えば、一部の実施形態において、端子は、厚みが約１０ミクロン〜３０ミクロン、又は約２０ミクロンの金線である。一部の実施形態において、他の材料及び他の寸法の端子が使用される。一部の実施形態において、グラフェン膜１５５の一部は、スペーサー１７０及び１７５間に配置される。一部の実施形態において、端子とグラフェン膜１５５との間の電気的接触は、グラフェン膜１５５とスペーサー１７０又はスペーサー１７５との間の領域に存在する。一部の実施形態において、端子は、スペーサー１７０及び１７５によって定められる開口領域においてグラフェン膜１５５と接触せず、これによって、グラフェン膜１５５は、端子が振動と干渉することなく音波に応答して振動することが可能となる。
【００２９】
一部の実施形態において、スペーサー１７０及び１７５は各々、典型的にはディスクの中央部において実質的に円形の開口領域を定める材料のディスクである。すなわち、一部の実施形態において、スペーサー１７０及び１７５は各々、金属製の座金に類似したものである。一部の実施形態において、スペーサー１７０及び１７５は、非導電性材料を含む。一部の実施形態において、スペーサー１７０及び１７５は、ポリマー又はセラミックを含む。一部の実施形態において、スペーサー１７０及び１７５は各々、厚みが約５０ミクロン〜１ｍｍ、又は約１５０ミクロンである。スペーサー１７０及び１７５がより肉厚になると、グラフェン膜は、電極１６０及び１６５からの距離がより離れることになり、マイクロフォンは、音に応答してより弱い信号（例えば、より低い信号対雑音比）を生成することになる。一部の実施形態において、スペーサー１７０及び１７５は各々、グラフェン膜が電極１６０及び１６５に接触するのを阻止するのに十分に肉厚である。
【００３０】
一部の実施形態において、電極１６０及び１６５は、音によってグラフェンマイクロフォン１５０内のグラフェン膜１５５が振動を引き起こすことができるように、小孔（perforations）又は開口部（openings）１６７を含む。小孔１６７は、電極１６０及び１６５における貫通孔である。小孔１６７は、どのような断面を有していてもよい。例えば、一部の実施形態において、小孔１６７は、正方形の断面を有する。一部の実施形態において、小孔１６７は、円形の断面を有する。一部の実施形態において、小孔１６７は、約１０ミクロン〜５００ミクロン、又は１５０ミクロンの寸法を有する。例えば、小孔１６７が正方形の断面を有する場合、小孔の辺は、約１０ミクロン〜５００ミクロンとすることができ、小孔１６７が円形の断面を有する場合、小孔の直径は、約１０ミクロン〜５００ミクロンとすることができる。一部の実施形態において、電極は、厚みが約５０ミクロン〜１０００ミクロン、又は約３００ミクロンである。
【００３１】
電極１６０及び１６５は、電気を通すことができる材料とすることができる。一部の実施形態において、電極１６０及び１６５は、ドープシリコン電極である。一部の実施形態において、酸化物層（oxide layer）１８０又は他の絶縁層が電極１６０及び１６５上に堆積され又は形成されて、グラフェン膜１５５が電極１６０及び１６５に短絡するのを防止する。一部の実施形態において、酸化物層１８０は、厚みが約４００ｎｍ〜６００ｎｍ、又は約５００ｎｍである。一部の実施形態において、酸化物層はＳｉＯ2層である。
【００３２】
一部の実施形態において、電極１６０及び１６５が導電性ではないときには、層１８０は導電性材料である。例えば、一部の実施形態において、電極１６０及び１６５は、導電性材料１８０の層でコーティングされたポリマー、セラミック、又は半導体を含む。一部の実施形態において、導電性材料１８０の層は、例えば、銅、アルミニウム、銀、又は金などの金属を含む。例えば、一部の実施形態において、電極１６０及び１６５はシリコンを含み、導電性材料１８０の層は金を含む。一部の実施形態において、導電性材料１８０の層は、厚みが約１０ｎｍ〜３０ｎｍ、又は約２０ｎｍである。
【００３３】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォン１５０は、音響キャビティ（acoustic cavity）１８５を含む。音響キャビティ１８５が無ければ、グラフェン膜１５５の前面及び裏面における音圧力は、低い周波数で相殺される傾向があり、結果としてグラフェンマイクロフォン１５０の応答が低下する可能性がある。音響キャビティ１８５により、グラフェンマイクロフォン１５０が、約２００Ｈｚよりも低い周波数を感知できるようにすることができる。一部の実施形態において、音響キャビティ１８５は、第２の電極１６５に近接したグラフェン膜１５５の側部を音波から隔離又は部分的に隔離する役目を果たす。
【００３４】
例えば、音響キャビティ１８５は、約１ｃｍ幅（例えば、第２の電極１６５の側部又は背面と接合するのに十分な幅）で、グラフェン膜１５５から音響キャビティ１８５の後壁まで約５ｃｍの距離を定めることができる。音響キャビティ１８５は、グラフェン膜１５５と音響キャビティ１８５との間の空気がグラフェンマイクロフォン１５０の動作中に過度に圧縮されないように十分に大きくすべきであり、空気が過度に圧縮された場合には、グラフェンマイクロフォン１５０の性能が低下することになる。
【００３５】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォン１５０は、電極１６０及びスペーサー１７０を含まない場合がある。一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォン１５０は、グラフェンマイクロフォン１５０が電極１６０及びスペーサー１７０を含む場合により良好に機能（例えば、より良好な周波数応答）することができる。例えば、電極１６０は、グラフェンマイクロフォン１５０がより低い周波数音に応答するように、グラフェン膜１５５の張力を低減する役目を果たすことができる。
【００３６】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンの周波数応答は、超音波周波数範囲内にある。一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンの周波数応答は、可聴周波数範囲（例えば、約２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）及び超音波周波数範囲を含む。一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンの周波数応答は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、約２００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、約２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、又は約２００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。
【００３７】
図１Ｃは、静電駆動グラフェンラウドスピーカー（ＥＤＧＳ）１００の概略断面図の実施例である。グラフェンラウドスピーカーの実施形態は、米国特許出願第１４／７３７，９０３号明細書に記載されている。
【００３８】
ラウドスピーカー１００は、２つの電極１１０及び１１５間のほぼ中間にフレーム１０７にて懸架されたグラフェン膜１０５を含む。一部の実施形態において、フレーム１０７にて懸架されたグラフェン膜１０５は、図１Ｂに示されるフレーム１５７にて懸架されたグラフェン膜１５５と類似のものとすることができる。一部の実施形態において、グラフェン膜１０５と電極１１０及び１１５の各々との間隔は、約５０ミクロン〜１ｍｍ、又は約１５０ミクロンである。
【００３９】
一部の実施形態において、グラフェン膜１０５は、単層グラフェン膜（すなわち、グラフェンの単層）である。一部の実施形態において、グラフェン膜１０５は、多層グラフェン膜である。例えば、グラフェン膜１０５は、約１〜１００層のグラフェンを含むことができる。一部の実施形態において、グラフェン膜１０５は、厚みが約２０ｎｍ〜４０ｎｍ、又は約３０ｎｍである。
【００４０】
フレーム１０７により、グラフェン膜１０５の一部を懸架することができ、すなわち、他の材料と接触しないようにすることができる。このようにしてグラフェン膜１０５をフレーム１０７に懸架することで、グラフェンダイアフラムを形成することができ、ダイアフラムは、その周辺部にて係止された半可撓性材料のシートである。一部の実施形態において、フレーム１０７は、典型的にはディスク中央部において実質的に円形の開口領域を定める材料のディスクである。すなわち、一部の実施形態において、フレームは、金属製座金に類似したものであり、該座金は、貫通孔（典型的には円形で中央に）を有する材料の薄板（典型的にはディスク状）である。一部の実施形態において、フレームは、厚みが約１２０ミクロン〜３６０ミクロン、又は約２４０ミクロンである。一部の実施形態において、フレームは、約７ｍｍ〜２１ｍｍ、又は約１４ｍｍの外径を有する。フレームによって定められる開口領域は、約３ｍｍ〜１１ｍｍ、又は約７ｍｍの直径を有することができる。
【００４１】
一部の実施形態において、フレームは、他の構成を含むことができる。例えば、フレームは、矩形、正方形、又は楕円形を有する開口領域を定めることができ、フレーム材料は、グラフェン膜をこの開口領域にて懸架するように設計される。
【００４２】
一部の実施形態において、グラフェン膜１０５は、フレーム１０７の厚さに沿ってほぼ中間に取り付けられる。例えば、フレーム１０７が約２４０ミクロン厚であるときには、グラフェン膜１０５は、約１２０ミクロンのフレームがグラフェン膜の各側部から延びるようにフレーム１０７に取り付けることができる。一部の実施形態において、グラフェン膜は、フレームの厚さに沿って中間点からオフセットしている。
【００４３】
一部の実施形態において、フレーム１０７は、ポリマー、金属、又は半導体材料である。材料がグラフェン膜１０５を支持し且つフレーム１０７をマイクロフォン１００に組み込むのを可能にするのに十分な機械的強度を有している限り、多くの異なる材料をフレームに使用することができる。
【００４４】
一部の実施形態において、フレーム１０７は、２つの部分を含み、グラフェン膜１０５は、フレームの一方の部分に取り付けられ、フレームの他方の部分はグラフェン膜の頂部上に積み重ねられて、構造体の２つの部分間にグラフェン膜が挟持されるようになる。例えば、グラフェン膜は、２つの金属製座金形部品をグラフェン膜の両側部に整合させて取り付けることにより、フレームに懸架することができる。
【００４５】
一部の実施形態において、グラフェン膜１０５は、端子（図示せず）と電気的に接触している。一部の実施形態において、端子は金属線である。例えば、一部の実施形態において、端子は、厚みが約１０ミクロン〜３０ミクロン、又は約２０ミクロンの金線である。一部の実施形態において、他の材料及び他の寸法の端子を使用することができる。
【００４６】
電極１１０及び１１５は、グラフェン膜１０５を作動させるよう機能する。一部の実施形態において、電極１１０及び１１５は、音をラウドスピーカー１００から出すことができるように小孔１１７を含む。小孔１１７は、電極１１０及び１１５における貫通孔である。小孔１１７は、どのような断面を有していてもよい。例えば、一部の実施形態において、小孔１１７は、正方形の断面を有する。一部の実施形態において、小孔１１７は、約２００ミクロン〜３００ミクロン、又は２５０ミクロンの寸法を有する。例えば、小孔１１７が正方形の断面を有する場合、小孔の辺は、約２００ミクロン〜３００ミクロンとすることができ、小孔１１７が円形の断面を有する場合、小孔の直径は、約２００ミクロン〜３００ミクロンとすることができる。一部の実施形態において、電極は、厚みが約４２５ミクロン〜６２５ミクロン厚、又は約５２５ミクロン厚である。
【００４７】
一部の実施形態において、電極１１０又は１１５の一方は、音をラウドスピーカー１００から出すことができるように小孔を含む。一部の実施形態において、他方の電極は、開口領域を定め、必ずしも小孔を含む訳ではない。開口領域は、グラフェン膜を移動可能にすることができ、すなわち、開口領域により、空気／ガスが電極と膜との間に進入して流出できるようになり、これは、膜の移動を妨げる可能性がある。
【００４８】
電極１１０及び１１５は、電気を通すことができる材料とすることができる。一部の実施形態において、電極１１０及び１１５は、ドープシリコン電極である。一部の実施形態において、酸化物層１２０又は他の絶縁層が電極１１０及び１１５上に堆積又は形成されて、ラウドスピーカーの作動時に大きな駆動振幅でグラフェン膜１０５が電極１１０及び１１５に短絡するのを防止する。一部の実施形態において、酸化物層１２０は、厚みが約４００ｎｍ〜６００ｎｍ、又は約５００ｎｍである。一部の実施形態において、酸化物層はＳｉＯ2層である。
【００４９】
一部の実施形態において、電極１１０及び１１５が導電性ではないときには、層１２０は導電性材料である。例えば、一部の実施形態において、電極１１０及び１１５は、導電性材料１２０の層でコーティングされたポリマー、セラミック、又は半導体を含む。一部の実施形態において、導電性材料１２０の層は、例えば、銅、アルミニウム、銀、又は金などの金属を含む。例えば、一部の実施形態において、電極１１０及び１１５はシリコンを含み、導電性材料１２０の層は金を含む。一部の実施形態において、導電性材料１２０の層は、厚みが約１０ｎｍ〜３０ｎｍ、又は約２０ｎｍである。
【００５０】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォン１００は、音響キャビティ１３０を含む。音響キャビティ１３０は、グラフェンラウドスピーカー１００の低周波数性能を向上させることができる。一部の実施形態において、グラフェンラウドスピーカー１００の音響キャビティ１３０は、グラフェンマイクロフォン１５０の音響キャビティ１８５と類似のものである。
【００５１】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンは、グラフェンラウドスピーカー１００と同様の構成を有する。一部の実施形態において、グラフェンラウドスピーカーは、グラフェンマイクロフォン１５０と同様の構成を有する。
【００５２】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォン及びグラフェンラウドスピーカーは、グラフェン以外の２次元材料を含むことができる。２次元材料は、分子の原子の単層を含む又は単層から成る材料である。例えば、一部の実施形態において、マイクロフォン及び／又はラウドスピーカーは、２次元材料の単一層（すなわち、単層）又は２次元材料の複数の層（すなわち、複数の単層）を含む。一部の実施形態において、２次元材料は、導電性材料を含む。例えば、一部の実施形態において、マイクロフォン及び／又はラウドスピーカーは、六角晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）又は二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）の単層又は複数の層を含み、ｈＢＮ又はＭｏＳ2は、薄肉炭素層又は薄肉金属層がその上に配置され、ｈＢＮ層又はＭｏＳ2層を導電にする。
【００５３】
一部の実施形態において、マイクロフォン及び／又はラウドスピーカーは、異なる２次元材料の積層体又はスタックを含む。例えば、マイクロフォン及び／又はラウドスピーカーは、図１Ｄに示すように、グラフェン１９２の１又は２以上の単層に積層又は配置されたｈＢＮ１９１の１又は２以上の単層を含むことができる。別の実施例として、マイクロフォン及び／又はラウドスピーカーは、グラフェン１９３の１又は２以上の単層を含むことができ、図１Ｅｅに示すように、ｈＢＮ１９４及び１９５の１又は２以上の層が、グラフェンの１又は２以上の単層の各側部に積層又は配置される。ｈＢＮ１９４及び１９５の１又は２以上の層がグラフェンの１又は２以上の単層の各側部に積層又は配置されたグラフェン１９３の１又は２以上の単層を含む構造体は、電極上に配置された絶縁層が無くても、グラフェン１９３が電極に短絡するのを防止することになる。
【００５４】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンは、穿孔された２つの電極間の中間に懸架された多層グラフェン膜から製造される。次いで、外部音波が、電極を透過してグラフェン膜を変位させ、これによって、グラフェン膜と電極との間のキャパシタンスを変化させ、電荷再配分及び電流を引き起こすことができる。
【００５５】
図２Ａ〜図２Ｉは、製造プロセスにおける様々な段階でのグラフェンマイクロフォンの概略図の実施例である。例えば、以下で説明する実験で使用されたグラフェンマイクロフォンは、この方法を使用して製造した。グラフェンマイクロフォンで使用されたグラフェン膜は、厚さ約２０ｎｍ、直径約７ｍｍの多層グラフェン膜であった。最初に、２５μｍ厚のニッケル箔の１ｃｍ2片を電気化学的に研磨し、ＤＩ（脱イオン）水で洗浄して、直径２５ｍｍの石英製管状炉（図２Ａ）に装入した。水素焼鈍の後、５０ｓｃｃｍメタン及び５０ｓｃｃｍ水素の並行流で１０５０℃の化学蒸着法によって、グラフェン層を成長させた。成長チャンバ圧力は、１Ｔｏｒｒで制御した。成長は１５分続き、グラフェン粒子間のステッチングを改善するために、最後の２分間でメタン流量を２００ｓｃｃｍに増大させた。その後、箔を急冷してグラフェン成長を抑えた（図２Ｂ）。取り出し後、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）の層をニッケル箔上にスピンコートし（図２Ｃ）、酸素プラズマ（１００Ｗで１分）を使用して、箔の反対側のグラフェン膜をエッチング除去した（図２Ｄ）。支持フレームとして機能する粘着カプトンテープ上に直径８ｍｍの円形開口（circular aperture）をディスクカッターで作成した。その後、支持フレームをニッケル箔上のＰＭＭＡ層に取り付けた（図２Ｅ）。次いで、０．１ｇｍＬ過酸化ナトリウム溶液中でニッケル箔をエッチング除去した（図２Ｆ）。塩化鉄溶液と比較すると、エッチング速度は遙かに遅く（典型的には２５μｍ厚のニッケルを除去するために一晩中のエッチングが必要であった）、結果として得られたグラフェン膜は、アモルファス炭素がなく清浄であった。その後、ＰＭＭＡ層の（支持フレームによって覆われていない）露出領域をアセトン中で溶解させ、フレームによって支持されたグラフェン膜をイソプロパノールで２回洗浄して、空気中で乾燥させた（図２Ｇ）。支持フレームとグラフェンとの間のＰＭＭＡは、緩衝材（buffer material）の役目を果たし、歩留まりをおよそ１００％まで向上させる（ＰＭＭＡのないプロセスは、典型的な歩留まりは〜３０％である）。一部の事例において、グラフェン膜を光透過によって測定すると、ほぼ２０ｎｍ厚又はグラフェンの６０の単層であった。電気的接触が得られるように、２５μｍ直径金線をグラフェン膜の縁部に取り付けた（図２Ｈ）。最後に、ほぼ１５０μｍ厚のスペーサーをフレームの両側に取り付け、続いて、深掘り反応性エッチング（ＤＲＩＥ）を使用してシリコンウェーハで作製された穿孔電極を得た。また、剛性電極も銀ペーストによって取り付けた金線で配線した（図２Ｉ）。金線と電極との間のオーミック接触を可能するために、グラフェン膜に面する電極の表面を導電金属層（２０ｎｍのスパッターリングされた金）でコーティングした。この金コーティングは、グラフェン膜上での電圧変化が極めて小さいので、マイクロフォン作動中に電流の流れを遮断する可能性がある接触障壁を排除するのに使用される。尚、ラウドスピーカー用途では、大きい電圧が印加されるので、この金属コーティングは不要である点に留意されたい。
【００５６】
一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンを製造するための上述の方法の工程は、グラフェンラウドスピーカーを製造するのに使用することができる。他の方法を使用して、グラフェンマイクロフォン又はグラフェンラウドスピーカーを製造してもよい。
【００５７】
一部の実施形態において、導波管又はヘルムホルツ音響キャビティが、グラフェンマイクロフォンに取り付けられる。導波管又はヘルムホルツ音響キャビティは、減衰の変更又は干渉の生成／排除によって、低周波数領域におけるグラフェンマイクロフォンの周波数応答を修正することができる。
【００５８】
図３Ａ及び図３Ｂは、信号抽出のためのグラフェンマイクロフォン及び関連する回路についての作動原理の実施例を示す。図３Ａに示す実施形態において、電流を電圧に変換するために大きな抵抗器Ｒ（例えば、１０メガオーム）が使用されている。大きな抵抗器Ｒは、電流の流れを制限し、グラフェン膜を一定の電荷モードで動作させ、これによって、膜の変位が電圧信号に変換される。これは、従来のマイクロフォンが動作する方法である。しかしながら、この回路は、伝送線路における寄生容量に起因して、高い周波数において問題となる可能性がある。
【００５９】
図３Ａにおける同等の回路モデルで分かるように、高周波数では、寄生容量は小さなインピーダンスを示し、Ｒ両端での電圧降下を低下させる。例えば、１ｐＦの寄生容量（例えば、ＲＧ−５８同軸ケーブルのおよそ１ｃｍの長さと同等）でさえ、回路応答が１／２πＲＣ＝１６ｋＨｚに制限される。これは、音響マイクロフォン回路では容認可能とすることができるが、これによって、約２０ｋＨｚからＭＨｚ範囲までの超音波信号を検出することはできない。
【００６０】
図３Ａの従来の回路の制限を回避するために、一部の実施形態では、高速フォトダイオード信号検出で使用されるものと類似した電流感知回路が使用される。このような回路の実施例が図３Ｂに示される。図３Ｂに示すように、グラフェンマイクロフォンは、グラフェン膜３０５と、電極３１０と、電極３１５とを含む。一部の実施形態において、グラフェン膜３０５の応答を音から電気信号に変換する回路は、増幅器３２５と、抵抗器３２０とを含む。グラフェン膜は、電圧源（図示せず）に接続（例えば、ワイヤ又は端子を使用して）される。増幅器３２５の正の入力は接地に接続されている。抵抗器３２０は、増幅器の負の入力及び増幅器３２５の出力に接続されている。
【００６１】
一部の実施形態において、電極３１０は、接地に接続されている。図１Ａに関して上述したように、一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンは、電極３１０を含まない。しかしながら，一部の実施形態において、グラフェンマイクロフォンは、グラフェンマイクロフォンが電極３１０を含む場合により良好に機能（例えば、より良好な周波数応答）する。
【００６２】
一部の実施形態において、増幅器３２５は、低雑音演算増幅器である。一部の実施形態において、増幅器３２５は、約３ｍＨ〜９ＭＨｚ、又は約６．５ＭＨｚの帯域幅を有する。帯域幅が高い増幅器ほど、より高い周波数の音をグラフェンマイクロフォンが感知することができる。しかしながら、帯域幅が高い増幅器ほど、より低い信号対雑音比を有する可能性がある。一部の実施形態において、増幅器３２５は、低い入力電流雑音を有する。例えば、高速精密Ｄｉｆｅｔ演算増幅器ＯＰＡ６０２（テキサス州ダラス所在のテキサスインスツルメンツ社）を増幅器３２５として使用することができる。
【００６３】
一部の実施形態において、抵抗器３２０は、約１メガオーム〜１００００メガオーム、約１メガオーム〜１００メガオーム、又は約１０メガオームの抵抗（resistance）を有する。より大きな抵抗を有する抵抗器３２０は、より高い信号対雑音比で増幅器３２５から信号を生成することになる。しかしながら、より大きな抵抗を有する抵抗器３２０は、グラフェンマイクロフォンの帯域幅を低下させることになり、グラフェンマイクロフォンの高周波数応答が低下する恐れがある。大きい抵抗を有する抵抗器３２０は、回路が不安定になる恐れもある。
【００６４】
一部の実施形態において、電圧源は、約２０Ｖ〜１０００Ｖ、又は約３０Ｖ〜１００Ｖの正又は負のバイアス電圧をグラフェン膜３０５に印加するように作動する。グラフェン膜３０５に印加される電圧がより高いほど、より高い信号対雑音比が増幅器３２５から生成される。
【００６５】
図３Ｂに示す電流感知回路は、０〜およそ０．５ＭＨｚの平坦な帯域回路応答を可能にすることができる。電流感知回路は、振動している膜（すなわち、音波によって誘起されている膜の振動）の速度を測定し、より広い周波数応答を得るためにグラフェン膜張力の低減及び過減衰領域でのグラフェンマイクロフォンの作動を可能にする。演算増幅器は、マイクロフォン電極が直接仮想接地に接続されるように構成される。その結果として、等価回路における寄生容量が効果的に短絡され、ｉout＝ｉmic及びｖout＝Ｒ・ｉout＝Ｒ・ｉmicが得られる。出力電圧は、マイクロフォン振動に正比例し、寄生容量の影響を受けない。図３Ｂに示される電流感知回路はまた、高周波で一貫した利得を維持する。図３Ｂに示す回路は、以下で説明するグラフェンマイクロフォンの実験において使用された。
【００６６】
グラフェンマイクロフォンの周波数応答を決定するために、フリーフィールド法を使用してマイクロフォンを測定した。簡潔にいうと、周波数を商用ラウドスピーカー上で掃引させ、商用マイクロフォンの応答を測定して周波数応答ＦＲ1（ｆ）を得た。次いで、商用マイクロフォンをグラフェンマイクロフォンと置き換えて測定を繰り返し、ＦＲ2（ｆ）を得た。２つの測定間の差を取ることによって、グラフェンマイクロフォンの周波数応答を得た。この差分測定法では、ラウドスピーカー、結合、及び駆動／増幅回路の応答が排除される。商用マイクロフォンは典型的には、作動範囲内で比較的平坦な周波数応答を有し、従って、この測定は、グラフェンマイクロフォン性能を適正に表すことができる。
【００６７】
図４Ａ〜図４Ｃは、異なる構成におけるグラフェンマイクロフォンの周波数応答を示している。図４Ａは、商用コンデンサーマイクロフォンを基準にした、可聴領域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）におけるグラフェンマイクロフォンの周波数応答を示す。ここでは、０ｄＢは、グラフェン膜から生成された３．３ｎＡ／Ｐａの応答に相当する。データを収集する際に、ソフトウェアを有するコンピューターサウンドカードベースのシステムを採用した。グラフェンマイクロフォンは、銅製メッシュで作製されたファラデーケージ内に収容した。図４Ａではデータは、５００Ｈｚを超えると比較的平坦であるが、低周波数では大幅な応答の低下がある（およそ６０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅまで接近する）。この低下は、上述のグラフェン膜の前後での相殺によって生じ、波長の増大によりマイクロフォンの周りで音が回折できるようになると顕著になる。重要なことに、この低下は、グラフェン膜自体に本来備わっているものではなく、音響設計を適正に行うことで応答を改善させることができる。
【００６８】
低周波応答の改善は、音響キャビティをグラフェンマイクロフォン電極の片側に取り付けることによって容易に達成することができる。図４Ｂに示すように、音響キャビティをマイクロフォン電極の片側に取り付けることにより、低周波干渉が排除され、グラフェンマイクロフォンは、可聴領域全体にわたって本来備わっている平坦な（＜１０ｄＢの変動）周波数応答を示した。
【００６９】
グラフェン膜の面質量密度が小さいことに起因して、グラフェンマイクロフォンは、人の聴力限界を遙かに超えて周波数に応答することが予想される。しかしながら、超音波領域において広帯域参照マイクロフォン又はラウドスピーカーが無いことに主に起因して、この超音波領域において周波数応答を測定すると、幾つかの問題が出てくる。上述のように、圧電超音波トランスデューサーは、メガヘルツ領域において容易に作動するが、共振周波数においてのみである。広帯域静電グラフェンラウドスピーカーを音波送信機として利用し、静電グラフェンマイクロフォンを受信機として利用した。これらの間の結合の変化に伴う全体的な応答を測定することにより、単一の送信機／受信機の応答を分離することができる。
【００７０】
図４Ｃは、グラフェンマイクロフォンの測定された周波数応答を示す。周波数が、従来のコンピューターサウンドカードの限界を超えるため、ネットワークアナライザーを使用した。応答は、およそ０．５ＭＨｚまで比較的に平坦（１０ｄＢ以内）であるように見える。尚、平坦な周波数応答の測定された最大周波数は、電子増幅回路によって制限されているにすぎず、より高い帯域幅演算増幅器を用いて、又は光検出などの異なる検出方法で拡張することができる点に留意されたい。この結果を低周波数測定（図４Ｂに図示）と組み合わせると、グラフェン送信機／受信機のペアは、超音波音響無線機動作にとって理想的な、２０Ｈｚ〜少なくとも０．５ＭＨｚの固有均等化周波数応答（１０ｄＢ未満の変動あり）を有する。
【００７１】
グラフェンマイクロフォンの初期超音波音場試験として、超音波のコウモリの泣き声を記録した。コウモリは、多くの場合、反響定位を使用して完全な暗闇中を進み、餌を求めて動き廻る。コウモリの鳴き声の周波数は、種に応じて、低くは１１ｋＨｚから、高くは２１２ｋＨｚの範囲である。コウモリ種ウェスタンアブラコウモリ（ｐａｒａｓｔｒｅｌｌｕｓ  ｈｅｓｐｅｒｕｓ）がよく見られるカリフォルニア州ＬｉｖｅｒｍｏｒｅのＤｅｌ  Ｖａｌｌｅ  Ｒｅｇｉｏｎａｌ  Ｐａｒｋにおいて、グラフェンマイクロフォンを使用してコウモリの音響信号（コウモリの鳴き声）を現地で収集した。スペクトグラムにより、コウモリの鳴き声は周期的なチャープから成り、この間、放出された周波数は、およそ１００ｋＨｚ〜およそ５０ｋＨｚの周波数において一貫して減少している。各チャープの持続時間は約４ｍｓであり、繰り返し周期は約５０ｍｓであった。コウモリは、周波数掃引技術を利用して、複数の目標を識別し、測定精度を向上させ、互いからの干渉を回避していると考えられる。コウモリの周波数掃引又はチャーピングは、超音波ＦＭ無線伝送の一形態を表し、この記録の成功は、超音波音響無線機受信機としてのグラフェンマイクロフォンが有効であることを実証している。
【００７２】
図５Ａは、超音波送受信装置（すなわち、超音波音響無線機）の概略図を示す。図５に示すように、超音波装置５００は、送信機５０５と受信機５１０とを含む。送信機５０５は、本明細書で記載するラウドスピーカーの何れかとすることができる。例えば、送信機５０５は、図１Ｃに示すグラフェンラウドスピーカー１００とすることができる。受信機５１０は、本明細書で記載するマイクロフォンの何れかとすることができる。例えば、受信機５１０は、図１Ａ及び１Ｂに示すグラフェンマイクロフォン１５０とすることができる。
【００７３】
図５Ｂは、超音波送受信装置の使用方法を例示する流れ図の実施例を示す。方法５５０のブロック５５５において、送信機を用いて音波を生成する。一部の実施形態において、送信機はグラフェン膜を備える。一部の実施形態において、音波は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、約２００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、約２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、又は約２００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数を有する。例えば、音波は、図５Ａに示す送信機５０５を用いて生成することができる。
【００７４】
ブロック５６０において、受信機を用いて音波を受信する。一部の実施形態において、受信機はグラフェン膜を備える。例えば、音波は、図５Ａに示す受信機５１０を用いて受信することができる。受信機で受信した音波は、低電力を有することができる。例えば、受信機によって受信された音波の電力は、約１ｆｅｍｔｏｗａｔｔ（すなわち、１×１０15ワット）又はそれよりも大きいとすることができる。
【００７５】
図５Ｂに示す方法５５０を用いると、異なる周波数を送受信することができる。例えば、方法５５０を実行して第１の周波数音波を送受信することができ、その後、方法５５０を繰り返して、第２の周波数音波を送受信することができる。一部の実施形態において、第１及び第２の周波数は両方とも超音波周波数範囲にある。一部の実施形態において、第１及び第２の周波数は、少なくとも約５０Ｈｚ、少なくとも約１００Ｈｚ、少なくとも約１ｋＨｚ、又は少なくとも約１０ｋＨｚだけ互いから周波数が離隔される。例えば、第１の周波数は、約２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚとすることができ、第２の周波数は、約５００ＭＨｚ〜１．５ＧＨｚとすることができる。
【００７６】
一部の実施形態において、音波は、情報を送信するのに使用される。例えば、一部の実施形態において、音波は振幅変調を含む。音波の振幅は、振幅変調で送信されている波形に比例して変化する。一部の実施形態において、音波は周波数変調を含む。音波の周波数は、周波数変調で送信されている波形に比例して変化する。音波の振幅変調又は周波数変調により、音波が情報を含むこと又は伝えることが可能になる。例えば、送信機５０５に関連する電子回路は、音波の振幅又は周波数を変化させて、音波において情報を符号化することができる。受信機５１０に関連する電子回路は、受信した音波を復調して、情報を抽出することができる。
【００７７】
一部の実施形態において、音波は、電力を送信機から受信機に伝送するのに使用される。例えば、音波を用いて電力を伝送し、装置に給電するか、又は装置のバッテリーを充電することができる。一部の実施形態において、音波は、約５００ミリワット〜５ワット又は約１ワットの電力（power）を有する。音波は、受信機にて受信された後、ＤＣ電力に変換することができる。超音波波を用いて装置のバッテリーを充電することは、電磁誘導を用いて装置のバッテリーを充電することに比べて有利とすることができ、超音波を用いると、電磁誘導と比べて送信機及び受信機を互いからより離すことができる。
【００７８】
図６Ａ〜図６Ｃは、超音波送受信装置の性能の実施例を示す。図６Ａは、送信機６０５と受信機６１０とを含む超音波送受信装置６００の実施例を示す。送信機６０５は、例えば、本明細書で記載するグラフェンラウドスピーカーの何れかとすることができる。受信機は、例えば、本明細書で記載するグラフェンマイクロフォンの何れかとすることができる。
【００７９】
ＥＭ放射線の影響の可能性を排除するために、送信機及び受信機の両方をＥＭ通信が可能ではないファラデーケージ内に設置した。５ｋＨｚの鋸波（９０％振幅変調（ＡＭ））を有する０．３ＭＨｚの電子キャリア正弦波を変調させた。オシロスコープによって、ミキシングされた信号をモニターした（図６Ｂ）。電気信号は、超音波信号を空中に送信するグラフェン送信機に送られた。ミキシング後の周波数は、人の聴力限界を十分に上回っているので聞き取れない。図６Ｃは、グラフェン受信機によって検出されて電気信号に再変換された超音波信号を示す。受信信号は、送信信号を正確に複製し、情報は高忠実度で送信される。尚、鋭い鋸歯変調によって、周波数領域内の正弦波の単一デルタ関数のようなピークが遙かに広いピークに拡張され、グラフェン超音波音響無線機の広帯域特性は、鋸歯の形状（すなわち符号化情報）を保持するのに不可欠である点に留意されたい。狭帯域圧電超音波トランスデューサーには、この特性が無い。
【００８０】
超音波送受信装置の別の用途は、位置検出、すなわち距離測定である。超音波を位置検出に使用することは、十分に確立されており、高指向性ソナー様の反射構成でグラフェン送信機及び受信機を使用することが確実に可能である。ここでは、異なる実施形態の電気音響干渉を検討する。
【００８１】
図７Ａ及び図７Ｂは、音響信号及び電磁（ＥＭ）信号とこのような装置から取得された信号との間の干渉を利用することができる距離測定装置７００の概略図の実施例を示す。グラフェン送信機７０５は、同じ周波数の音響波並びにＥＭ波を送信するように作動する（ＥＭアンテナ７１０が、グラフェン送信機７０５駆動装置電子回路に追加されている）。距離Ｌだけ離れたグラフェン受信機７２５が、ＥＭ信号と共に音響信号を受信する（ＥＭ受信アンテナ７３０が、グラフェン受信機７２５上のトランスデューサー電子回路に追加されている）。
【００８２】
音は、ＥＭよりも遙かに緩慢に伝播するので、受信機７２５のグラフェン膜によって受信された音響信号は、電子受信アンテナ７３０のＥＭ信号に対して位相差を生じることになる。
【００８３】
図７Ｂで分かるように、周波数掃引が実施されると、干渉は、波長λの変化に起因して強め合う干渉と弱め合う干渉との間で交番する。強め合う干渉の条件は次式である。
【数１】
2019213237.tif 000003
式中、Ｌは、受信機と送信機との間の距離、λは音波の波長、ｎは整数である。最も近い２つの強め合うピークは、次式に従う必要がある。
【数２】
2019213237.tif 000004
λ＝ｖ／ｆを使用すると（ここで、ｖは音速、ｆは周波数である）、次式を得る。
【数３】
2019213237.tif 000005
【００８４】
距離Ｌは、音速を２つの最も近い強め合う干渉ピークの周波数差Δｆで除算したものに等しい。３つの異なる距離３０ｍｍ、４５ｍｍ、及び８５ｍｍだけ離して、グラフェン送信機／受信機ペアを設置した。測定した周波数掃引が、図７Ｂにおいて３つのグループで上から下に示される。ペアがより遠くに離れるほど、信号はより弱くなり、２つの強め合うピーク間の周波数差もより小さくなる。ピークをフィッティングすることによって、１１．２８±０．０８ｋＨｚ、７．６５７±０．００３ｋＨｚ、及び４．０５±０．０７ｋＨｚの周波数差Δｆがそれぞれ見つかった。音速３４４ｍ／ｓを使用すると、これは、３０．４９±０．２２ｍｍ、４４．９２±０．０２ｍｍ、及び８４．９４±０．８４ｍｍの測定距離に対応する。このようにして、この単純な電気音響周波数掃引構成を用いることで、ｍｍ未満精度が容易に達成される。
【００８５】
（グラフェンマイクロフォンの電気的モデル化）
導電性の振動グラフェンダイアフラムは、固定電極を有する可変コンデンサーを形成する。キャパシタンスは次式となる。
【数４】
2019213237.tif 000006
式中、εは真空誘電率、Ａはグラフェン膜の面積、及びｘは電極の１つからグラフェン膜までの距離である。ダイアフラムが、およそ５０ＶでＤＣバイアスされると、電荷が電極上に誘起され、これは、Ｑ＝ＣＶで記述される。ダイアフラムの振動は、システムキャパシタンスを変化させ、電極上の電荷変動を誘起し、次式のような電流を生成する。
【数５】
2019213237.tif 000007
式中、ｕは、電極に対する膜の速度である。従って、グラフェンマイクロフォンは、電流が音波を符号化する場合、無限大の内部抵抗を有する電流源としてモデル化することができる。グラフェンダイアフラムが空気と共に振動する薄膜限界において、ｕは、空気の局所速度場に等しく、振幅Ｕは次式となる。
【数６】
2019213237.tif 000008
式中、ｐは音圧レベル（ＳＰＬ）、Ｚ＝４００Ｎ・ｓ・ｍ-3は空気の音響インピーダンスである。従って、マイクロフォン電流源の振幅は、音のラウドネスに正比例し、可聴周波数と無関係である。第２及び第３の式を使用すると、Ｖ＝５０Ｖ、Ａ＝２５ｍｍ2、ｘ＝１５０μｍで、４０ｄＢ  ＳＰＬ（１ｍでほぼ穏やかな会話）での電流振幅は２ｐＡであることが分かっている。このレベルの電流は、慎重な信号調整回路設計で確実に測定することができる。
【００８６】
（グラフェンマイクロフォン動作と比較した従来のマイクロフォン動作）
従来のマイクロフォンは、振動する膜の電圧変化を測定する。動作を図８に示す。図８に示すマイクロフォンの動作は、図３Ａに示す回路を用いて実施することができる。従来のマイクロフォンにおいて、膜は、極めて大きな抵抗器に接続され、電荷Ｑは、動作中ほとんど一定である。ガウスの法則により、電荷Ｑで２つのプレート間の電圧降下が得られる。
【数７】
2019213237.tif 000009
式中、Ｑは膜上の電荷、ｄ0は平衡位置での膜と電極との間の距離、Ｓは膜の面積、Ａｓｉｎ（ωｔ）は、振幅Ａでの膜振動変位、εは真空誘電率である。電圧応答を測定する場合、ＡＣ部分は、振動変位の振幅Ａに比例することが分かっている。
【００８７】
この場合、過減衰システムは、平坦な帯域応答を生成しない。システムを高調波振動子としてモデル化した場合、次式となる。
【数８】
2019213237.tif 000010
式中、ｍは膜質量、ζは減衰係数、ｋはばね定数、Ｆは音圧ＳＰｓｉｎ（ωｔ）に等しい膜に印加された駆動力である。振動振幅の解は、以下となる。
【数９】
2019213237.tif 000011
【００８８】
システムが過減衰となった場合、減衰項ζωが他の項よりも支配的となり、従って、Ａ〜ω-1となる。これは、測定された電圧信号もまた、周波数が増加するにつれて減少することを意味する。これは、張力が相対的に高い膜が望ましい従来のマイクロフォンの場合であり、ばね定数項ｋが支配的であり、平坦な帯域応答を有することができる。
【００８９】
上述のように、グラフェンマイクロフォンは、電流検知機構を使用して高周波領域における機能をサポートする。図９は、グラフェンマイクロフォンの動作の実施例を示す。図９に示すように、回路は、変位の代わりに、実際には振動速度を測定している。図９に示すマイクロフォンの動作は、図３Ｂに示す回路で実施することができる。
【００９０】
グラフェン膜は、電圧Ｖで保持される。グラフェン膜上の電荷量は、実際には変化しており、振動情報を抽出する電流が生成される。グラフェン膜又は固定電極上の電荷は、平行板コンデンサーを使用して、次式で計算することができる。
【数１０】
2019213237.tif 000012
振動振幅は、通常グラフェン膜と電極との間の距離よりも遙かに小さく、Ａ＜＜ｄ0にて式を１次式にテイラー展開することができる。
【数１１】
2019213237.tif 000013
電荷の時間変動は、次式の測定電流である。
【数１２】
2019213237.tif 000014
測定電流の振幅がＡωに比例することが分かっている。
【００９１】
ここで、運動方程式に戻って、以下を求める。
【数１３】
2019213237.tif 000015
従って、減衰項ζが他の項よりも支配的となる過減衰システムによって、一定の流振幅、すなわち平坦な帯域周波数応答が得られる。
【００９２】
（結論）
約２０Ｈｚ〜０．５ＭＨｚの理想的な均等化された周波数応答を有する静電グラフェン超音波音響無線機が立証された。受信機構成要素は、野生のコウモリの鳴き声を記録する際に独立して音場試験を行っている。振幅変調及び周波数変調通信が立証され、新規の電気音響距離測定方法が、ｍｍ未満の精度を有する超音波無線受信機で確立された。
【００９３】
上術の本明細書では、本発明を特定の実施形態を参照しながら説明してきた。しかしながら、当業者であれば、特許請求の範囲で記載される本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができることを理解している。従って、本明細書及び各図は、限定ではなく例示的意味とみなされるべきであり、全てのこのような修正形態は、本発明の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００９４】
１５０  グラフェンマイクロフォン
１５５  グラフェン膜
１５７  フレーム
１６０、１６５  電極
１６７  小孔又は開口部
１７０、１７５  スペーサー
１８０  導電性材料
１８５  音響キャビティ
【図１Ａ】
2019213237.tif 000016
【図１Ｂ】
2019213237.tif 000017
【図１Ｃ】
2019213237.tif 000018
【図１Ｄ】
2019213237.tif 000019
【図１Ｅ】
2019213237.tif 000020
【図２Ａ−Ｉ】
2019213237.tif 000021
【図３Ａ】
2019213237.tif 000022
【図３Ｂ】
2019213237.tif 000023
【図４Ａ−Ｃ】
2019213237.tif 000024
【図５Ａ】
2019213237.tif 000025
【図５Ｂ】
2019213237.tif 000026
【図６Ａ−Ｃ】
2019213237.tif 000027
【図７Ａ】
2019213237.tif 000028
【図７Ｂ】
2019213237.tif 000029
【図８】
2019213237.tif 000030
【図９】
2019213237.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月20日(2019.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機と、
膜を含む受信機と、
を備え、前記膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含み、前記受信機は、ある周波数範囲において音波を受信するように作動し、前記周波数範囲は超音波周波数範囲であり、前記膜は、グラフェン膜を含み、
前記膜は、第１の電極と第２の電極の間のほぼ中間に配置された開口を有するフレームに取り付けられ、第１のスペーサーが前記フレームと前記第１の電極の間に配置され、第２のスペーサーが前記フレームと前記第２の電極の間に配置され、前記周波数範囲は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚであり、前記受信機は前記周波数範囲の音波を受信するように作動し、前記膜は、約３ｍｍから１１ｍｍの直径を有すること、を特徴とするシステム。
【請求項２】
前記音波は、振幅変調を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記音波は、周波数変調を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記音波は、約５００ミリワットから５ワットの電力を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記フレーム中の前記開口は、前記膜の実質的に円形の部分を定める実質的に円形開口領域である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記受信機は、
前記第１の電極に関連する回路と、
を更に含み、前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、前記音波によって引き起こされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記回路は、低雑音演算増幅器である、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記回路は、約１メガオームから１００００メガオームの抵抗を有する抵抗器を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記回路の電圧源は、約２０Ｖから１０００Ｖの電圧を前記膜に印加するように作動する、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
緩衝材が、前記膜と前記フレームの間に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
送信機と、
膜を含む受信機と、
を備え、前記膜は、２次元材料の単層又は複数の層を含み、前記受信機は、ある周波数範囲において音波を受信するように作動し、前記周波数範囲は超音波周波数範囲であり、前記膜は、グラフェン膜を含み、
前記膜は、第１の電極と第２の電極の間のほぼ中間に配置された開口を有するフレームに取り付けられ、第１のスペーサーが前記フレームと前記第１の電極の間に配置され、第２のスペーサーが前記フレームと前記第２の電極の間に配置され、前記周波数範囲は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚであり、前記受信機は前記周波数範囲の音波を受信するように作動し、緩衝材が、前記膜と前記フレームの間に配置されていること、を特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記音波は、振幅変調を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記音波は、周波数変調を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記音波は、約５００ミリワットから５ワットの電力を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記フレーム中の前記開口は、前記膜の実質的に円形の部分を定める実質的に円形開口領域である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記受信機は、
前記第１の電極に関連する回路と、
を更に含み、前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、前記音波によって引き起こされる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記回路は、低雑音演算増幅器である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記回路は、約１メガオームから１００００メガオームの抵抗を有する抵抗器を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記回路の電圧源は、約２０Ｖから１０００Ｖの電圧を前記膜に印加するように作動する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
２次元材料の単層又は複数の層を含む膜と、
前記膜の第１の側部に近接した第１の電極と、
前記第１の電極に関連する回路と、を含む装置であって、
前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、音波によって引き起こされ、
前記膜は、グラフェン膜を含み、
前記膜は、前記第１の電極と第２の電極の間のほぼ中間に配置された開口を有するフレームに取り付けられ、第１のスペーサーが前記フレームと前記第１の電極の間に配置され、第２のスペーサーが前記フレームと前記第２の電極の間に配置され、前記装置は、前記音波に応答して前記回路を介して出力信号を生成するように作動し、前記音波は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数を有し、前記膜は、約３ｍｍから１１ｍｍの直径を有すること、を特徴とする装置。
【請求項２１】
前記音波は、振幅変調を含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記音波は、周波数変調を含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記音波は、約５００ミリワットから５ワットの電力を有する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記フレーム中の前記開口は、前記膜の実質的に円形の部分を定める実質的に円形開口領域である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記回路は、増幅器を含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２６】
前記増幅器は、低雑音演算増幅器である、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記回路は、約１メガオームから１００００メガオームの抵抗を有する抵抗器を含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記回路の電圧源は、約２０Ｖから１０００Ｖの電圧を前記膜に印加するように作動する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
緩衝材が、前記膜と前記フレームの間に配置されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項３０】
２次元材料の単層又は複数の層を含む膜と、
前記膜の第１の側部に近接した第１の電極と、
前記第１の電極に関連する回路と、を含む装置であって、
前記回路は、前記膜の振動の速度を測定するように作動し、前記振動は、音波によって引き起こされ、
前記膜は、グラフェン膜を含み、
前記膜は、前記第１の電極と第２の電極の間のほぼ中間に配置された開口を有するフレームに取り付けられ、第１のスペーサーが前記フレームと前記第１の電極の間に配置され、第２のスペーサーが前記フレームと前記第２の電極の間に配置され、前記装置は、前記音波に応答して前記回路を介して出力信号を生成するように作動し、前記音波は、約２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数を有し、緩衝材が、前記膜と前記フレームの間に配置されていること、を特徴とする装置。
【請求項３１】
前記音波は、振幅変調を含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記音波は、周波数変調を含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記音波は、約５００ミリワットから５ワットの電力を有する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
前記フレーム中の前記開口は、前記膜の実質的に円形の部分を定める実質的に円形開口領域である、請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
前記回路は、増幅器を含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３６】
前記増幅器は、低雑音演算増幅器である、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記回路は、約１メガオームから１００００メガオームの抵抗を有する抵抗器を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記回路の電圧源は、約２０Ｖから１０００Ｖの電圧を前記膜に印加するように作動する、請求項３５に記載の装置。