[发明专利]石墨烯换能器

说明书

本申请涉及基于石墨烯的换能装置，包括微机械超声换能器和驻极体换能器。本申请的示例性实施例提供了示例性装置、用于结合在这种装置中的电路以及制造和使用这种装置的方法。

相关专利申请的参考文献

本申请根据35 U.S.C.119（e）基于2019年11月26日提交的美国临时申请美国序列号62/940,516以及2020年8月11日提交的美国临时申请美国序列号63/064,062并要求其优先权，所有这些文献的全部内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本申请涉及基于石墨烯的换能装置，包括微机械超声换能器和驻极体换能器。本申请的示例性实施例提供了示例性装置、用于结合在这种装置中的电路以及制造和使用这种装置的方法。

背景技术

换能器将能量从一种形式转换成另一种形式。常见的转换装置是扬声器，它将电能转换成声能。因此，有可能将一系列声音表示为电信号，这些信号由扬声器转换成由扬声器的部分发出的声音，这些部分以对应于电信号的不同频率振动。麦克风是另一种将声能转换为电能的换能装置。当声波导致麦克风中的某些部件振动时，麦克风产生电信号。这些信号可以被分析或存储，以便以后在扬声器上回放。

声能以波的形式传输。这种波在到达换能装置之前可以通过物质传播，诸如空气中的气体粒子。取决于波的频率，声能可以是人类可听见的或听不见的，人类只能感知频率在近似20 Hz和20 kHz之间（即在可听见范围内）的声波。频率高于该范围（即大于20 kHz）的声波被称为超声波，并被称为“超声波的”。频率低于该范围（即低于20 Hz）的声波被称为次声波，并被称为次声的。

换能装置的一个重要方面是该装置如何产生或测量声音振动。在动态系统中，导体（例如，导线线圈）连接到振膜，并被放置在永久磁场中。动态扬声器通过使交流电穿过导体来振动振膜从而产生声音，并且动态麦克风通过测量当振膜因传入的声音而振动时在导体中产生的电流来记录声音。相比之下，在静电系统中，导体连接到被放置在永久电场中的振膜。静电扬声器通过使交流电通过振膜或通过产生电场的部件来产生声音，并且静电麦克风通过测量当振膜振动时产生的电流来记录声音。

电容式（或电容器）麦克风和驻极体电容式麦克风（ECM）是静电换能装置的类型。电容式麦克风和ECM在研究和工业中的各种应用中提供了巨大的用途，包括以下：电子、商业音频技术、录音室录音和气体离子检测器。电容式麦克风的感测/换能元件通常包括振膜或膜（通常由涂有薄层导电材料的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成）、固定背板电极和隔离周界衬垫绝缘体，以在上述元件之间形成电容间隙。电介质气隙是这种设计的特征，并且一起形成麦克风炭精盒（capsule）。

所有麦克风的共同点是电极和振膜之间的电介质间隙两端的偏置电压。当一些压力入射到振膜上时，电压以与传入的声波相同的频率随着位移δ(t)与d₀（平衡间距）之比而成比例地变化。该AC信号用于解释传入的声音在其与振膜相互作用时的性质。在电容式麦克风中，需要DC电源来偏置可变电容器，而ECM平台则使用驻极体进行自偏置。纯电容式麦克风接收外部电源作为极化电压，通常由电池或幻像电源供应。ECM不同于纯电容式麦克风，因为它们使用驻极体层来用作偏置电势，这种偏置电势会持续整个产品寿命，并且因此消耗更低功率。由于ECM麦克风的操作需要更低的功率，因此对于许多不同的环境，它们通常更方便、且更高效。驻极体电容式设计的优点包括轻便的便携式组件、增强的频率拾取范围、尺寸小型化以及一致的频率响应。

驻极体电荷层通常由特氟隆制成，但也可以是一些其它带电电介质，诸如PMMA、石英或当用驻极体充电方法充电时提供准永久电势的其它材料。取决于充电方法，通过空间电荷、表面电荷、对齐偶极矩或那些的组合来促进充电。历史上，驻极体膜用于麦克风中，并应用为振膜上的另一层，也称为箔式ECM。最终，驻极体被移到电极，以从振膜减轻重量，从而提高麦克风的性能。这已经成为ECM的标准配置。在制造方面，驻极体麦克风可以大批量生产，并在各种装置上具有良好的可重复性能。