專利名稱：一種柔性透明的熱致發(fā)聲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱致發(fā)聲裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于熱聲效應的柔性透明熱致發(fā)聲裝置結(jié)構(gòu)設計。
背景技術(shù)：
發(fā)聲裝置一般由發(fā)聲元件和信號輸入裝置構(gòu)成，通過加上電激勵信號驅(qū)動聲音裝置，聲音裝置發(fā)出相應的聲音?，F(xiàn)有技術(shù)的發(fā)聲元件一般為揚聲器，揚聲器為一種把電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號的電聲器件。現(xiàn)有的揚聲器的種類很多，根據(jù)其工作原理可以分為電磁式、靜電式、電動式以及壓電式。這些傳統(tǒng)的揚聲器雖然工作原理不同，但是一般都會產(chǎn)生自身的機械振動，從而影響附近的空氣產(chǎn)生波動，進而實現(xiàn)從電轉(zhuǎn)換成機械振動，最后到聲音的過程。這些類型的器件都依靠振膜的振動發(fā)聲，并且結(jié)構(gòu)較為復雜，這類器件都是硬質(zhì)器件，不能彎折。對于傳統(tǒng)的熱聲發(fā)聲器件最早可以追溯到上世紀初，在文獻“The Thermophone
C.W.Edward, Vol.XIX, No.4, pp333-345 以 R "On some thermal effects of electric currents", H. P. William, Proceedings of the royal society of London, Vol. 30(1879-1881)，pp408-411。這種熱聲發(fā)聲裝置通過向一金屬片或絲中通過交流電來實現(xiàn)發(fā)聲。當電流通過金屬片或金屬絲時，隨著交流電流強度的變化，會產(chǎn)生焦耳熱，并快速傳導給周圍介質(zhì)，由于周期性的加熱，使得周圍介質(zhì)不斷發(fā)聲膨脹或者收縮，從而引起聲波的產(chǎn)生。在1917年時，H. D. Arnld和I. B. Crandall就提出了一種基于熱聲效應的發(fā)聲裝置(可以參考文獻 H. D. Arnld ;Ι· B. Crandall. "The thermophone as a precision source of sound,Phys". Rev. L. 10，22-38 (1917)，如圖1所示，該發(fā)聲裝置10由鉬片作為發(fā)聲元件 12，同時通過一個夾具14進行固定，將發(fā)生元件12和夾具14 一同固定在一個基板18上， 電流經(jīng)引線16流過發(fā)聲元件，從而產(chǎn)生聲音信號。這種發(fā)聲元件12的發(fā)聲強度的大小同鉬片的單位面積熱容量密切相關(guān)。當鉬片的單位面積熱容量大時，則發(fā)聲裝置輸出的聲音頻率范圍窄，強度低；當單位面積熱容量小時，則發(fā)聲裝置輸出的聲音頻率范圍寬，強度高。 要想獲得較寬的發(fā)聲頻率以及聲音強度，就需要單位面積熱容量越小越好，即鉬片厚度越薄越好。但是由于當時技術(shù)水平的限制，金屬鉬片的厚度只能做到0.7微米，因此其單位熱容量較大，其發(fā)聲頻率最高僅為4千赫茲。因此當時這種發(fā)聲元件12的發(fā)生頻率較窄，并且發(fā)聲強度較低，導致在很長一段時間都沒有得到實際應用。2011年本申請人申請了一項熱致發(fā)聲裝置的專利(申請?zhí)?01110204478. 2)，該技術(shù)方案包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；所述發(fā)聲元件包括至少一石墨烯薄膜，這種熱致發(fā)聲裝置能夠在10赫茲至100千赫茲頻段內(nèi)產(chǎn)生高的聲壓輸出O對于傳統(tǒng)金屬片而言，技術(shù)不足在于單位面積熱容量較大、發(fā)聲頻率范圍窄、聲音強度弱；對于上述的石墨烯薄膜發(fā)聲裝置而言，技術(shù)不足在于難以實現(xiàn)大面積均勻石可柔性彎折，可靠性較低，工作頻率范圍無法滿足兆赫茲高頻聲學應用，實用性較差。因此有必要研制出一種具有大面積、低成本、柔性、 透明、發(fā)聲頻段較寬、發(fā)聲強度較高、可靠性較高、實用性較高的發(fā)聲裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，設計出一種新的柔性透明熱致發(fā)聲裝置，使其具有柔性、透明、發(fā)聲頻率較寬，發(fā)聲強度較高，實用性強的特點，并且能夠面向?qū)嶋H的聲學應用。本發(fā)明提出的一種柔性透明熱致發(fā)聲裝置，該裝置包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發(fā)聲元件包括一柔性透明基底，在該基底上設置至少一導電薄膜結(jié)構(gòu)、一端連接在該導電薄膜結(jié)構(gòu)兩邊的一對電極或多對電極；所述信號輸入裝置的輸入端與所述電極的另一端相連；信號輸入裝置通過與該導電薄膜結(jié)構(gòu)相連的電極，將激勵信號傳輸給該導電薄膜結(jié)構(gòu)，使該導電薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述發(fā)聲裝置具有以下優(yōu)點本發(fā)明采用導電薄膜作為發(fā)聲元件，當導電薄膜產(chǎn)生焦耳熱后，焦耳熱傳導給周圍空氣，引起空氣介質(zhì)疏密變化，從而產(chǎn)生聲壓的改變，進而發(fā)出聲音。這種發(fā)聲裝置同傳統(tǒng)的揚聲器工作原理不同，傳統(tǒng)發(fā)聲裝置一般都會產(chǎn)生自身的機械振動，而本發(fā)聲裝置本身無機械振動，這種熱致發(fā)聲裝置能夠在101千赫茲至100兆赫茲頻段內(nèi)產(chǎn)生高的聲壓輸
出O本發(fā)明采用的導電薄膜結(jié)構(gòu)具有很小的單位面積熱容量和很大的比表面積，故該發(fā)聲元件具有升溫的迅速快、熱滯后很小、熱交換速度很快的特點。這種導電薄膜結(jié)構(gòu)的發(fā)聲裝置可以實現(xiàn)很大的發(fā)聲強度。由于導電薄膜具備很高的透光率和機械強度，具有高的實用性和可靠性。本發(fā)明采用了柔性透明材料作為發(fā)聲元件和基底，因此整個發(fā)聲元件具有可拉伸、透明的特性，可以覆蓋到柔性顯示屏幕上進行集成化，從而實現(xiàn)同時發(fā)聲和顯示功能。相比傳統(tǒng)發(fā)聲裝置，這種熱致發(fā)聲裝置具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的優(yōu)勢，能夠同顯示屏幕集成同時實現(xiàn)發(fā)聲和顯示功能，從而廣泛應用到手機、MP3、MP4、電視、電腦、超聲成像、測距系統(tǒng)等電子領(lǐng)域。


圖1是傳統(tǒng)技術(shù)中發(fā)聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明第一實施例發(fā)聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例發(fā)聲裝置中的頻率響應特性曲線。圖4是本發(fā)明實施例發(fā)聲裝置中的在可見光波長范圍的透光率特性曲線。圖5是本發(fā)明實施例發(fā)聲裝置同顯示屏幕集成化的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明第二實施例發(fā)聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
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以下將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的發(fā)聲裝置。請參閱圖2，本發(fā)明的實施例1設計了一種柔性透明發(fā)聲裝置20，該柔性透明發(fā)聲裝置20包括一個信號輸入裝置22，由一導電薄膜結(jié)構(gòu)M，一柔性透明襯底沈，一第一電極 28以及一第二電極30，導線32組成的一發(fā)聲元件，第一電極觀和第二電極30組成一對電極；所述第一電極觀和第二電極30的一側(cè)端連接在該導電薄膜M的兩邊，另一側(cè)端與所述信號輸入裝置22電連接；所述襯底沈設置在第一電極觀和第二電極30及導電薄膜結(jié)構(gòu)M下表面，用于對導電薄膜對、第一電極觀和第二電極30起支撐和保護。本實施例的導電薄膜結(jié)構(gòu)M的材料可采用銦錫氧化物、銀納米線、聚3，4_乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽等中任一種材料制成的透明的導體薄膜，這些材料在傳統(tǒng)領(lǐng)域中通常用作透明電極。所述發(fā)聲元件中的導電薄膜結(jié)構(gòu)M包括至少一層導電薄膜，還可采用雙層導電薄膜以及多層導電薄膜中的一種。若導電薄膜結(jié)構(gòu)為一層以上的導電薄膜，導電薄膜結(jié)構(gòu)的厚度從200納米到100微米，可以根據(jù)實際應用調(diào)整。本實施例中導電薄膜結(jié)構(gòu)為大小為lxlcm2，厚度為100納米。當然在實際情況中，導電薄膜結(jié)構(gòu)的大小可以根據(jù)實際應用而改變。所述導電薄膜結(jié)構(gòu)的單位面積熱容量小于1 X 10_2焦耳每平方厘米開爾文。該導電薄膜結(jié)構(gòu)應用于熱聲發(fā)聲元件時，其與空氣的接觸面積越大，其發(fā)聲強度越高。由于該導電薄膜結(jié)構(gòu)由導電薄膜組成，因而導電薄膜具有很高的韌性和機械強度。請參閱圖2，本實施例的第一電極觀和第二電極30通過外接導線32與所述信號輸入裝置22的兩端建立電氣連接，用于將所述信號輸入裝置22產(chǎn)生的信號傳輸?shù)剿鰧щ姳∧そY(jié)構(gòu)M中。該第一電極觀和第二電極30由導電材料形成，其具體材料類型和形狀結(jié)構(gòu)不限。具體地，該第一電極觀和第二電極30的材料可以選擇為金屬、導電膠、金屬氧化物等制成。該第一電極觀和第二電極30的形狀可以選擇為層狀、棒狀、塊狀、或其他形狀中的一種。本實施例中優(yōu)選第一電極觀和第二電極30為層狀導電膠電極。所述導電薄膜結(jié)構(gòu)M的兩端分別與所述第一電極觀和第二電極30建立電學連接，并通過所述的第一電極觀和第二電極30固定。本實施例中所述基底沈主要起到支撐和保護的作用，其具體形狀不限。所述基底 26優(yōu)選為一平面結(jié)構(gòu)或一曲面結(jié)構(gòu)，并具有一表面。此時，該導電薄膜結(jié)構(gòu)M直接設置并貼合于該襯底結(jié)構(gòu)26的表面。由于該導電薄膜結(jié)構(gòu)M整體通過襯底結(jié)構(gòu)沈支撐，因此該導電薄膜結(jié)構(gòu)M可以承受強度較強的信號輸入，從而具有較高的發(fā)聲強度。該基底沈的材料為柔性透明的有機材料，如聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯、 聚二甲基硅氧烷等。該襯底結(jié)構(gòu)沈的材料具有較好的絕熱性能，從而防止該導電薄膜結(jié)構(gòu) M產(chǎn)生的熱量被該襯底結(jié)構(gòu)26過多的吸收，從而無法達到加熱周圍介質(zhì)進而發(fā)聲的目的。 另外。該基底26可具有一較為粗糙的表面，從而可以使設置于其表面的導電薄膜結(jié)構(gòu)M 與襯底沈之間形成一定的間隙，從而減少向襯底的漏熱，進一步改善所述發(fā)聲裝置20的發(fā)聲效果。本實施例的信號輸入裝置22可以采用常規(guī)的音頻電信號輸入裝置、光信號輸入裝置或電信號輸入裝置等。相應地，所述信號輸入裝置22輸入的信號不限，包括音頻信號、 光信號和交流電信號等?？梢岳斫猓鶕?jù)電信號輸入裝置22的不同，所述第一電極觀、第二電極30以及外接導線32為可選擇的結(jié)構(gòu)。當輸入信號為光信號時，所述信號輸入裝置22可以直接輸入信號給所述導電薄膜結(jié)構(gòu)M，無需電極以及導線。在實際使用中，發(fā)聲裝置20導電薄膜結(jié)構(gòu)的整體厚度從200納米到100微米之間任意值。由于這種導電薄膜結(jié)構(gòu)具有較小的單位面積熱容量和較大的散熱表面積，在輸入信號后，該導電薄膜結(jié)構(gòu)可以迅速升降溫，產(chǎn)生周期性的溫度變化，并和周圍介質(zhì)快速進行熱交換，從而周期性的改變周圍介質(zhì)的密度，使周圍介質(zhì)周期性的膨脹和收縮，進而發(fā)出聲音。導電薄膜厚度越大，其功率越大。另外，本發(fā)明實施例中的導電薄膜結(jié)構(gòu)M具有較高的韌性和機械強度，采用所述的導電薄膜結(jié)構(gòu)可以制作成任意形狀和尺寸的發(fā)聲裝置20， 如圓形、長方形、三角形以及多邊形等，該發(fā)聲裝置20可以方便地應用到可發(fā)聲的設備中， 如手機、MP3、MP4、電視、電腦、超聲成像、測距系統(tǒng)等電子領(lǐng)域以及其他可發(fā)聲的設備中。該發(fā)聲元件M周圍的介質(zhì)可以為液態(tài)介質(zhì)或者氣態(tài)介質(zhì)，本實施例中，該發(fā)聲元件M周圍的介質(zhì)為氣態(tài)介質(zhì)。本實施例中，給該發(fā)聲元件M輸入5伏特的交流電信號，在距離其5厘米處測量可得(請參閱圖幻所述發(fā)聲元件M聲壓級最高可達61分貝，最低為49分貝；發(fā)聲頻率范圍為1千赫茲至50千赫茲。因此所述發(fā)聲裝置20具有較好的發(fā)聲強度，并且頻率范圍較寬，有著較為理想的發(fā)聲效果(由于受到測試儀器限制，測試聲音頻率上限僅為50千赫茲，但從理論已經(jīng)證實該裝置能夠在101千赫茲至100兆赫茲產(chǎn)生平坦的聲壓輸出)。本實施例中，在可見光波長范圍390納米到770納米之間，測試了柔性透明發(fā)聲裝置的透光率(請參閱圖4)，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)可見光的平均透光率為74.8%。因此所述柔性透明發(fā)聲裝置20具有較好透明度，可以非常好的同顯示屏進行集成，同時具有高的柔韌性。請參閱圖5，本發(fā)明設計了一種同顯示屏幕集成化的柔性透明發(fā)聲裝置實施例 40，該發(fā)聲裝置40包括一由一導電薄膜結(jié)構(gòu)42、兩電極44、信號輸入線46和一柔性透明襯底結(jié)構(gòu)48組成的發(fā)聲元件以及顯示屏幕50。所述兩電極44間隔設置在該導電薄膜結(jié)構(gòu) 42的兩端，并且與所述信號輸入裝置通過導線46電連接。所述柔性透明襯底結(jié)構(gòu)48用于對導電薄膜結(jié)構(gòu)42、兩電極44起支撐和保護。整個發(fā)聲元件安裝在顯示屏幕50的上面。上述發(fā)聲裝置40在使用時，由于本發(fā)明采用了柔性透明材料作為發(fā)聲元件和基底，因此整個發(fā)聲元件具有可拉伸、透明的特性，可以覆蓋到柔性顯示屏幕上進行集成化， 從而實現(xiàn)同時發(fā)聲和顯示功能。請參閱圖6，本發(fā)明的實施例2設計了一種插指電極結(jié)構(gòu)的柔性透明發(fā)聲裝置60， 該柔性透明發(fā)聲裝置60包括一個信號輸入裝置62，由一導電薄膜結(jié)構(gòu)64，一柔性透明襯底 66，一第一電極插指電極68以及一第二插指電極70，導線72組成的一發(fā)聲元件，第一插指電極68和第二插指電極70的每個分支依次組成一對電極；所述第一插指電極68和第二插指電極70的一側(cè)端(681、701)連接在該導電薄膜64的兩邊，另一側(cè)端(682、70幻與所述信號輸入裝置62電連接；所述襯底66設置在第一電極68和第二電極70及導電薄膜結(jié)構(gòu) 64下表面，用于對導電薄膜64、第一電極68和第二電極70起支撐和保護。本實施例相比第一實施例，采用了多對電極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能進一步降低導電薄膜的輸出阻抗、提高輸出功率，從而加強聲壓輸出強度、提高發(fā)聲裝置性能以及提高可靠性的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種柔性透明熱致發(fā)聲裝置，該裝置包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發(fā)聲元件包括一柔性透明基底，在該基底上設置至少一導電薄膜結(jié)構(gòu)、一端連接在該導電薄膜結(jié)構(gòu)兩邊的一對電極或多對電極；所述信號輸入裝置的輸入端與所述電極的另一端相連；信號輸入裝置通過與該導電薄膜結(jié)構(gòu)相連的電極，將激勵信號傳輸給該導電薄膜結(jié)構(gòu)，使該導電薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述發(fā)聲元件中導電薄膜為銦錫氧化物、銀納米線或聚3，4_乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽中任一種材料制成的透明的導體薄膜。
3.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述發(fā)聲裝置的發(fā)聲頻率為101千赫茲-100兆赫茲。
4.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述導電薄膜結(jié)構(gòu)采用一層導電薄膜，或?qū)盈B的多層導電薄膜；導電薄膜結(jié)構(gòu)的總厚度為200納米-100微米。
5.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述多對電極中的每對電極間隔設置并且與所述導電薄膜結(jié)構(gòu)兩端電連接。
6.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述基底選用聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷中任一種柔性透明有機材料制成的薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述信號輸入裝置采用音頻電信號輸入裝置、或電信號輸入裝置中的一種。
8.—種柔性透明熱致發(fā)聲裝置，該裝置包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發(fā)聲元件包括一柔性透明基底，在該基底上設置至少一導電薄膜結(jié)構(gòu)；所述信號輸入裝置為光信號輸入裝置；該光信號輸入裝置直接照射該導電薄膜結(jié)構(gòu)，使該導電薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柔性透明熱致發(fā)聲裝置，屬于發(fā)聲裝置技術(shù)領(lǐng)域，該裝置包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；所述發(fā)聲元件包括一柔性透明基底，在該基底上設置至少一導電薄膜結(jié)構(gòu)、一端連接在該導電薄膜結(jié)構(gòu)兩邊的一對電極或多對電極；所述信號輸入裝置的輸入端與所述電極的另一端相連；使該導電薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。本發(fā)聲元件本身無機械振動并且是透明的、可以彎折和拉伸的特點，這種熱致發(fā)聲裝置能夠在101千赫茲至100兆赫茲頻段內(nèi)產(chǎn)生高的聲壓輸出。具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的優(yōu)勢，能夠同顯示屏幕集成同時實現(xiàn)發(fā)聲和顯示功能，從而廣泛應用到手機、MP3、MP4、電視、電腦、超聲成像、測距系統(tǒng)等電子領(lǐng)域。
文檔編號H04R23/00GK102572667SQ20121003070
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 楊軼, 田禾, 謝丹 申請人:清華大學