CN101617544A - 薄膜式扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜式扬声器。该薄膜式扬声器包括：通过接收与来自声音信号供应单元的声音信号相对应的电压而振动的压电薄膜；形成于压电薄膜的两侧上的多个碳纳米管薄膜；以及连接至多个碳纳米管薄膜的多个电极，这些电极接收与来自声音信号供应单元的声音信号相对应的电压，并将该电压施加至多个碳纳米管薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜式扬声器，更具体地，涉及一种使用碳纳米管(CNT)的薄膜式扬声器。
背景技术
扬声器是将电信号转换成人耳能够听到的空气振动的设备。近些年，随着各种电子装置(诸如移动电子装置)的变小和变薄，研发了薄膜式扬声器。薄膜式扬声器通过用电信号产生机械振动的逆压电效应而再现声音。
通常地，薄膜式扬声器包括：压电薄膜，所述压电薄膜在被施以交流(AC)电压时会机械地振动；多个导电聚合物膜，形成在压电薄膜的两侧上；以及多个电极，所述电极将由外部电源供应的交流(AC)电压传输至导电聚合物膜。当与声音信号相对应的交流电压被施加至电极时，在导电聚合物膜之间产生电压差以振动压电薄膜，从而再现声音。
如上所述，在根据传统技术的薄膜式扬声器中，导电聚合物膜形成于压电薄膜的两侧上。由于形成导电聚合物膜的导电聚合物具有高导电性，并且其为柔性的且重量轻，所以导电聚合物被用在各种行业中。
然而，这种导电聚合物具有有限的导电性，不易于涂敷在压电薄膜上，且不能均匀施加在压电薄膜上。因此，导电聚合物膜的厚度变得不均匀，这使得声压不均匀并降低了声音的品质。另外，由于导电聚合物具有较差的耐化学性和较差的防潮性，所以其在低于400Hz的低音区域中具有较差的声压特性。
此外，导电聚合物膜可由氧化铟锡(ITO)制成，而不是由导电聚合物制成。然而，如果在薄膜式扬声器中使用ITO薄膜，那么ITO层可能由于薄膜式扬声器的机械振动而轻易地损坏。
发明内容
本发明提供了一种薄膜式扬声器，通过对使用碳纳米管的压电薄膜施加电压，该薄膜式扬声器能够改善声压特性，甚至在低于400Hz的低音区域内也能获得良好的音质，并保证长久的(semipermanent)使用寿命和较高的光传导性。
根据本发明，可获得下列效果。
首先，由于碳纳米管薄膜能够容易地涂敷在压电薄膜上，并且能够以纳米为单位调节其厚度以使得碳纳米管薄膜能够形成为预定的厚度，从而电压可均匀地施加在压电薄膜的整个表面上。因此，可使声压均匀并保证音质。
第二，由于碳纳米管薄膜与导电聚合物相比具有良好的耐化学性和防潮性，所以碳纳米管薄膜具有长久的使用寿命。
第三，由于碳纳米管薄膜具有良好的光传导性，所以其能够应用于需要高光传导性的电子装置中。
第四，由于碳纳米管薄膜与ITO薄膜相比具有良好的弯曲特性，因此当碳纳米管薄膜被卷绕或弯曲时不会发生破裂，所以碳纳米管薄膜可应用于柔性电子装置中。
第五，即使在低于400Hz的低音区域内，碳纳米管薄膜也可获得比聚合物膜更好的音质。
第六，在相同的电压下，碳纳米管薄膜可获得比导电聚合物膜更高的声压。
第七，与导电聚合物膜相比，为获得相同的声压，碳纳米管薄膜需要更低的驱动电压，从而，其与聚合物膜相比具有低能耗。
附图说明
被包含进来以提供对本发明的进一步理解且被结合于本说明书并作为本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书共同用来解释本发明的原理。
图1是根据本发明的实施例的薄膜式扬声器的透视图；
图2是图1所示的薄膜式扬声器的分解透视图；
图3是沿着图1的线A-A’截取的横截面视图；以及
图4和图5是示出了在根据本发明实施例的碳纳米管薄膜中以及根据对比实例的聚合物膜中，声压特性相对于电阻值和频率的图表。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，提供了一种薄膜式扬声器，其包括：压电薄膜，该压电薄膜通过接收与来自声音信号供应单元的声音信号相对应的电压而振动；多个碳纳米管薄膜，形成于压电薄膜的两侧上；以及多个电极，这些电极连接至多个碳纳米管薄膜、接收与来自声音信号供应单元的声音信号相对应的电压、并将该电压施加至所述多个碳纳米管薄膜。
本发明的其它特征将在下面的描述中进行阐述，并且通过说明书而部分地显而易见，或者可通过本发明的实践而获知。
将可理解的是，前述总体描述和下列详细描述都是示意性和解释性的，并旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
在下文中，将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示意性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为局限于这里所提出的实施例。相反地，提供这些实施例是为了使本公开更充分，并将本发明的范围全面地传达给本领域的技术人员。为了清楚起见，附图中的层和区域的尺寸及相对尺寸可放大。图中相似的参考标号表示相似的元件。
图1是根据本发明实施例的薄膜式扬声器的透视图。图2是图1所示的薄膜式扬声器的分解透视图。图3是沿着图1的线A-A’截取的横截面视图。
参考图1、图2和图3，薄膜式扬声器100包括压电薄膜110，多个碳纳米管(CNT)薄膜120，以及多个电极130。
当电信号(即，与声音信号相对应的电压)施加至压电薄膜110时，该压电薄膜由于逆压电效应而机械地振动以再现声音。逆压电效应表示这样一种现象：当将高频电压施加至具有压电性的晶体板(crystalline plate)时，该晶体板由于该逆压电效应而周期性地膨胀和收缩，并且，尤其当高频电压的频率被调(tune)至晶体板的固有频率时，晶体板共振并强烈振动。压电薄膜110可由聚偏二氟乙烯制成，但是也可由除聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)以外的多种材料制成。
碳纳米管薄膜120分别形成于压电薄膜110的两侧上。换句话说，一个碳纳米管薄膜120以预定厚度形成在压电薄膜110的一例上，另一个碳纳米管薄膜120以预定厚度形成在压电薄膜110的另一侧上。
碳纳米管薄膜120可形成于压电薄膜110两个表面的中心部上，而不形成于压电薄膜110两个表面的边缘部上。换句话说，碳纳米管薄膜120分别形成于压电薄膜110两个表面的中心部上，其与压电薄膜110的边缘隔开预定距离。这是为了防止电压被施加至压电薄膜110的其上未形成有碳纳米管薄膜的边缘部，从而当电压被施加至压电薄膜110的其上形成有碳纳米管薄膜的中心部以使压电薄膜110振动时，压电薄膜110的边缘部不振动。因此，由于压电薄膜110的边缘部不振动，所以，可防止声音在压电薄膜110的边缘部处受损。
碳纳米管薄膜120是由碳纳米管制成的薄膜，每个碳纳米管薄膜120均可通过喷雾法、解压过滤(decompression filter)法、旋涂法、电泳沉积法、铸造法、喷墨印刷法以及胶印法中的任何一种方法而形成。换句话说，可使用上述方法中的任何一种方法用其中碳纳米管与溶剂混合的碳纳米管溶液来制成碳纳米管薄膜120。
通过混合0.01wt％至30wt％的碳纳米管，70wt％至99.99wt％的溶剂以及0.01wt％至20wt％的分散剂来制备碳纳米管溶液。碳纳米管可以是单壁、双壁、多壁、以及绳状碳纳米管(rope carbonnanotube)中的任意一种。这里，碳纳米管可以是粉末的形式，并用溶剂稀释。
溶剂可以是水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、1-甲基-2-吡咯烷酮(pyrrolidon)、氯仿、乙酸乙酯、2-甲氧基乙醇、乙二醇、聚乙二醇以及二甲基亚砜中的任意一种。溶剂可以是上述溶剂中的一种或多种混合后的混合物。
分散剂用来在溶剂中将制备成粉末状的碳纳米管分散开。在本实施例中，分散剂可以是十二烷基硫酸钠(SDS)分散剂、曲拉通(triton)X分散剂、以及十二烷基硫酸锂(LDS)分散剂中的任意一种。然而，分散剂不局限于上述分散剂中的一种，而是可以是任何其它分散剂。另外，上述分散剂中的两种或多种混合后的混合物可用作分散剂。
如上所述，可以通过各种方法用碳纳米管溶液涂敷碳纳米管薄膜120。通过调节碳纳米管溶液的涂层厚度和密度，能够改变碳纳米管薄膜120的电阻值。例如，碳纳米管薄膜120具有从50Ω/□(Ω/平方单位)到20kΩ/□的电阻值。为了在低于400Hz的低频区域中获得良好的输出特性，碳纳米管薄膜120具有从50Ω/□到200Ω/□的电阻值，如后面参考图4将描述的。
由于碳纳米管薄膜120可容易地涂敷在压电薄膜上，并且，碳纳米管薄膜120的厚度能够以纳米为单位进行调节，所以能够以预定厚度形成碳纳米管薄膜120。因此，电压可通过碳纳米管薄膜120均匀地施加至压电薄膜110。所以，可使声压均匀并保证音质。
另外，由于构成碳纳米管薄膜120的碳纳米管与导电聚合物相比具有良好的耐化学性和防潮性，所以碳纳米管薄膜120具有长久的使用寿命。另外，由于碳纳米管薄膜120与ITO薄膜相比具有良好的弯曲特性，所以，当碳纳米管薄膜120被卷绕或弯曲时，不会发生破裂，因此碳纳米管薄膜120能够应用在柔性电子装置中。此外，由于碳纳米管薄膜120与导电聚合物膜相比具有高导电性，所以，在相同的电压下，碳纳米管薄膜120能够获得比导电聚合物膜更高的声压。另外，与导电聚合物膜相比，由于碳纳米管薄膜120对于产生相同声压而言具有更低的驱动电压，所以，碳纳米管薄膜120具有低能耗。
电极130接收与来自声音信号供应单元(未示出)的声音信号相对应的电压(例如，交流电压)，并将该交流电压施加至碳纳米管薄膜120。因此，如果与声音信号相对应的交流电压被施加至电极130，那么在碳纳米管薄膜120之间产生压差，并且从碳纳米管薄膜120接收交流电压的压电薄膜110振动并因而再现声音。
电极130以如下方式分别连接至碳纳米管薄膜120，所述方式即，电极130可沿着碳纳米管薄膜120的边缘而形成。可通过沿着碳纳米管薄膜120的边缘印刷金属膏(例如，银膏)或导电油墨的方法来形成电极130。一般用铜带作为薄膜式扬声器的电极，但是，由于铜带并未紧密地粘附至导电聚合物膜，所以这种铜带与导电聚合物膜之间的触点处的接触电阻增加了。
在电极130是以上述方式形成的情况下，由于电极130紧密地粘附至碳纳米管薄膜120，所以电极130与碳纳米管薄膜120之间的触点处的接触电阻能够降到最小。
接线端131可分别从电极130伸出。接线端131突出到碳纳米管薄膜120的外部并电连接至声音信号供应单元，从而电压能够被施加至电极130。接线端131可设置在电极130的中心部或边角部。
增强带140分别附接至接线端131的一侧。具有绝缘特性的增强带140以彼此面对的方式设置在接线端131之间。此外，增强带140的尺寸比接线端131的尺寸宽。因此，增强带140使接线端131彼此绝缘，从而防止接线端131之间的短路。此外，增强带140支撑接线端131，以使接线端131的形状不会变形。
通过图4所示的图表，将理解这样一个事实：与导电聚合物膜相比，包括在根据本发明的本实施例的薄膜式扬声器100中的碳纳米管薄膜120具有良好的声压特性。
图4是示出了在200Hz至1kHz的频带内，在根据本发明的碳纳米管薄膜与根据对比实施例的聚合物膜中，声压特性相对于电阻值及频率的图表。图5是示出了在1kHz至18kHz的频带内，在根据本发明的碳纳米管薄膜与根据对比实施例的聚合物膜中，声压特性相对于电阻值及频率的图表。图4和图5示出了当碳纳米管薄膜的电阻值为50Ω/□、500Ω/□、1kΩ/□、5kΩ/□、10kΩ/□、20kΩ/□和25kΩ/□，以及聚合物膜的电阻值为500Ω/□和1000Ω/□时相对于频率的声压。
如图4和图5所示，在整个频率区域内，电阻值为500Ω/□和1kΩ/□的碳纳米管薄膜具有比电阻值为500Ω/□和1kΩ/□的聚合物膜高20dB或更多的平直波形的声压。这意味着碳纳米管薄膜能够输出比聚合物膜更均匀的音质。此外，碳纳米管薄膜能够具有50Ω/□的较低电阻值，并且，即时在其具有50Ω/□的电阻值时也能输出均匀的音质。同样，在整个频率区域内，电阻值为5kΩ/□、10kΩ/□和20kΩ/□的碳纳米管薄膜也具有均匀波形的声压，与当碳纳米管薄膜具有500Ω/□和1kΩ/□的电阻值时一样。因此，当碳纳米管薄膜具有从50Ω/□至20kΩ/□的任意电阻值时，碳纳米管薄膜都会具有足以应用于扬声器中的良好声音输出特性。优选地，当碳纳米管薄膜具有从50Ω/□至2kΩ/□的任意电阻值时，碳纳米管薄膜将具有足以应用于扬声器中的良好声音输出特性。如图4和图5所示，如果碳纳米管薄膜的电阻值超过20kΩ/□(例如，25kΩ/□)，其声音输出特性急剧变差。
此外，即使在低于400Hz的频带内，碳纳米管薄膜也能输出一定程度的声音，而在低于400Hz的频带内，聚合物膜输出比碳纳米管薄膜低20dB的声音。这意味着，在低于400Hz的低音区域内，碳纳米管薄膜具有比聚合物膜更良好的声压特性。换句话说，聚合物膜在低于400Hz的低音区域内不能保证音质，而碳纳米管薄膜能够在低于400Hz的低音区域内保证良好的音质。
此外，在碳纳米管薄膜中，在整个频带内，当其电阻值增加时声压减小，并且当电阻值减小时声压增大。换句话说，通过调节碳纳米管薄膜的电阻值，能够获得适合于薄膜式扬声器的输出特性。例如，假设，当从扬声器输出的声压是大约72dB时，用户将感觉到音质足够好。如果用户希望在800Hz至1000Hz的频带内听到声压为大约72dB的声音，那么他或她只需要将碳纳米管薄膜的电阻值调整在50Ω/□至200Ω/□的范围内即可。
如上所述，根据本发明，可获得下列效果。
首先，由于碳纳米管薄膜能够容易地涂敷在压电薄膜上，并且能够以纳米为单位调节其厚度以使碳纳米管薄膜能够形成为预定的厚度，因而电压可均匀地施加在压电薄膜的整个表面上。因此，可使声压均匀并保证音质。
第二，由于碳纳米管薄膜与导电聚合物相比具有良好的耐化学性和防潮性，所以碳纳米管薄膜具有长久的使用寿命。
第三，由于碳纳米管薄膜具有良好的光传导性，所以其能够应用于需要高光传导性的电子装置中。
第四，由于碳纳米管薄膜与ITO薄膜相比具有良好的弯曲特性，因此当碳纳米管薄膜被卷绕或弯曲时不会发生破裂，所以，碳纳米管薄膜可应用于柔性电子装置中。
第五，即使在低于400Hz的低音区域内，碳纳米管薄膜也可获得比聚合物膜更良好的音质。
第六，在相同的电压下，碳纳米管薄膜可获得比导电聚合物膜更高的声压。
第七，与导电聚合物膜相比，为获得相同的声压，需要更低的驱动电压，从而，与聚合物膜相比，碳纳米管薄膜具有较低的能量消耗。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的精神或范围的前提下，在本发明中能够进行各种修改和变型。因此，本发明旨在覆盖落在所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的修改和变型。
工业适用性
本发明能够应用于各种声学器件。
Claims (11)
1.一种薄膜式扬声器，包括：
压电薄膜，通过接收与来自声音信号供应单元的声音信号相对应的电压而振动；
多个碳纳米管薄膜，形成于所述压电薄膜的两侧上；以及
多个电极，连接至所述多个碳纳米管薄膜，所述多个电极接收与来自所述声音信号供应单元的声音信号相对应的电压，并将所述电压施加至所述多个碳纳米管薄膜。
2.根据权利要求1所述的薄膜式扬声器，其中，所述多个碳纳米管薄膜形成于所述压电薄膜的两侧的中心部上而不形成于所述压电薄膜的两个表面的边缘部上，并且，所述多个电极分别沿着所述多个碳纳米管薄膜的两侧的边缘部而形成。
3.根据权利要求1所述的薄膜式扬声器，其中，所述压电薄膜由聚偏二氟乙烯制成。
4.根据权利要求1所述的薄膜式扬声器，其中，所述多个碳纳米管薄膜具有从50Ω/□至20kΩ/□的电阻值。
5.根据权利要求4所述的薄膜式扬声器，其中，所述多个碳纳米管薄膜具有从50Ω/□至2kΩ/□的电阻值。
6.根据权利要求5所述的薄膜式扬声器，其中，所述多个碳纳米管薄膜具有从50Ω/□至200Ω/□的电阻值。
7.根据权利要求1所述的薄膜式扬声器，其中，所述碳纳米管薄膜通过喷雾法、解压过滤法、旋涂法、电泳沉积法、铸造法、喷墨印刷法、以及胶印法中的一种而形成。
8.根据权利要求7所述的薄膜式扬声器，其中，所述多个碳纳米管薄膜由碳纳米管溶液制成，在所述碳纳米管溶液中，混合有0.01wt％至30wt％的碳纳米管、70wt％至99.99wt％的溶剂以及0.01wt％至20wt％的分散剂。
9.根据权利要求8所述的薄膜式扬声器，其中，每个碳纳米管薄膜均由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、以及绳状碳纳米管中的一种制成。
10.根据权利要求8所述的薄膜式扬声器，其中，所述溶剂是水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、1-甲基-2-吡咯烷酮、氯仿、乙酸乙酯、2-甲氧基乙醇、乙二醇、聚乙二醇、以及二甲基亚砜中的至少一种。
11.根据权利要求8所述的薄膜式扬声器，其中，所述分散剂是十二烷基硫酸钠(SDS)分散剂、曲拉通X分散剂以及十二烷基硫酸锂(LDS)分散剂中的至少一种。
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