CN104937952A - 具有集成的声学功能的结构 - Google Patents

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Abstract

本文所述的实施方式包括具有集成的声学功能的设备，其包括图案化的触摸屏盖板、声学薄膜、多个电极和基片。在一些实施方式中，把基片连接到声学薄膜并减少从声学薄膜经基片的热损失。声学薄膜可连接到图案化的触摸屏盖板并传导由多个电极提供的振动电流，由此用作纳米级发声器。还在一些实施方式中，图案化的触摸屏盖板提供微型扬声器阵列和观看区域，其中微型扬声器阵列绕着图案化的触摸屏盖板的周界设置。

Description

具有集成的声学功能的结构
背景
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119要求2012年10月26日提交的美国临时申请系列第61/718,980号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。
领域
本发明总体涉及具有集成的声学功能的结构，具体来说，涉及具有用于提供声学功能的微型扬声器阵列的触摸屏设备。
背景技术
随着电子设备变得更加先进，消费者现在要求设备包括音频能力，在一些情况下是触摸屏显示器。但是，把传统的锥形扬声器结合进入这种电子设备常常非常困难，并增加了设备的尺寸。虽然传统的锥形扬声器变得更小，仍需要进一步减小电子设备的尺寸。
概述
本文所述的实施方式包括具有集成的声学功能的设备，其包括图案化的触摸屏盖板、声学薄膜、多个电极和基片。在一些实施方式中，基片连接到声学薄膜，降低从声学薄膜经基片的热损失。声学薄膜可连接到图案化的触摸屏盖板，并传导由多个电极提供的振动电流，由此用作纳米级发声器。在一些实施方式中，图案化的触摸屏盖板提供微型扬声器阵列和观看区域，其中微型扬声器阵列绕着图案化的触摸屏盖板的周界设置。
附图简要说明
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
图1显示了根据本文所述的实施方式的电子设备的各种组件的透视图，其包括具有集成的声学功能的触摸屏；
图2显示了根据本文所述的实施方式的触摸屏的俯视图，其包括用于提供声学功能的多个微型扬声器；
图3显示根据本文所述的实施方式的触摸屏的侧视图，其包括多个微观结构；和
图4显示根据本文所述的实施方式的电子设备的侧视图，其在基片中包括多孔层。
详细描述
本文所述的实施方式包括多层结构，其包括设置在两个玻璃板之间的透明的、半透明的和/或着色的导电薄膜(例如薄的碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、ITO(氧化铟锡)、PEDOT聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)或其它透明的导电薄膜)，在玻璃表面和声学薄膜之间制备电极，起纳米级发声器的作用。可图案化这些层来优化电子设备的音频和视频性能。一个或两个玻璃板可包括薄的覆盖层。通过把音频的振动电流施加到导电薄膜例如碳纳米管薄膜，基于热声学效应来产生声音。这在膜内产生振动热量，振动热量在邻近的环境界面中产生温度振动，进而在周围空气中产生声学压力振动。结果，无需层振动就形成声音。因此，玻璃层可保护透明的、半透明的和/或着色的导电薄膜例如碳纳米管薄膜免受损坏，以及使得透明的、半透明的和/或着色的导电薄膜与周围空气之间能进行热交换。
现在参考附图，图1显示了根据本文所述的实施方式的电子设备100的各种组件的透视图，其包括触摸屏盖板108，例如具有集成的声学功能的触摸屏盖板。如图所示，电子设备100包括具有集成的视觉功能(其包括用于提供影像例如电子影像的影像源)的电子组件102、基片104、声学薄膜106和触摸屏盖板108。电子组件102可构造成移动电话、平板或用于为显示提供图像和音频信号的其它设备的电子或计算硬件。如下文所更加详细描述，电子设备100还可通过连接到声学薄膜106的电极提供音频信号，用于通过触摸屏盖板108形成音频。因此，基片104可由玻璃或其它类似的材料构成，且可构造成热绝缘体来降低通过电极产生的热量逃逸进入电子组件102的量。基片104可构造成刚性或柔性材料，且可构造成用于接受和/或固定一个或多个电极。
连接到基片104的是声学薄膜106。声学薄膜106可由碳纳米管材料或具有类似性质的其它材料构造，且因此可构造成纳米结构的膜。取决于所用的具体材料，声学薄膜106的厚度可为约0.5-1.0微米，并提供约6-15欧姆的电阻。声学薄膜106还可具有基本上匹配触摸屏盖板108的盖板长度和盖板宽度的膜长度和膜宽度。取决于特定实施方式，在声学薄膜106和基片104之间可连接多个电极。因此，响应音频信号的请求，电子组件102可把(一种或更多种)电信号发送到多个电极。因此，多个电极可发射对应于所需声音的(一种或更多种)电信号。此外，取决于特定实施方式，声学薄膜106可提供柔性、透明性和/或半透明性，来提供所需的电子设备100的视觉效果。
还如本文所述，声学薄膜106可构造成图案化的纳米碳膜。具体来说，声学薄膜106包括图案化的部分106a和非图案化的部分106b。图案化的部分106a可沿着声学薄膜106的周界设置，且可图案化以促进电信号传递到声学薄膜，用于形成热量。类似地，触摸屏盖板108可具有盖板长度和盖板宽度，并包括图案化的部分108a和非图案化的部分108b。图案化的部分108a可沿着触摸屏盖板108的周界设置，且可构造成把来自声学薄膜106的图案化的部分106a的热量通过微型扬声器阵列转移，所述微型扬声器阵列通过触摸屏盖板108的图案化的部分108a限定。当通过微型扬声器转移热量时，振动热量通过在周围空气中形成声学压力振动来形成热声学效应。
因此，高效的热声学效应是借助柔性玻璃材料和制造过程，从声学薄膜106例如碳纳米管薄膜产生的，从而可在玻璃上直接实现声学(音频)功能。下面的公式解释了用于声学功能的机理，其中P均方根是声学压力的均方根(空气中的声波)，P输入是输入功率(电功率),Cs是每单位面积薄膜导体的热容；f是频率；r是传播距离；ρ0,T0和α分别是环境空气的密度、温度和热扩散系数。
这个公式预计，声学压力(P均方根)随着电输入(P输入)的增加、频率的升高和每单位面积热容Cs的降低而升高，每单位面积热容Cs与薄膜的质量比热容和表面密度相关，而后者是固有的材料参数。下面的表格比较了碳纳米管膜层和铂箔的性质。虽然任一材料都可用于声学薄膜106(或者具有类似性质的其它材料)，下面的表格表明，碳纳米管膜的低表面密度是低Cs的主要驱动因素,相当于其声学压力比7微米铂箔高约48dB(＝20xlog(2/7.7x10-3)。
表
碳纳米管材料的低Cs和较高电阻导致瞬时加热声学薄膜106。当施加振动电流(音频信号输入)时，这导致声学薄膜106的温度振动，这进而导致邻近的空气热膨胀和收缩，产生声波。
图2显示了根据本文所述的实施方式的触摸屏盖板108的俯视图，其包括用于提供声学功能的多个微型扬声器。如图所示，触摸屏盖板108包括绕着触摸屏盖板108的周界设置的图案化的部分108a，以及设置于电子设备100的观看区域之内的在触摸屏盖板108内部部分上的非图案化的部分108b。还如图所示，图案化的部分108a限定多个微型扬声器208，其允许通过触摸屏盖板108转移振动热量。
对于热声学发声，通过触摸屏盖板108在声学薄膜106和环境空气之间进行有效的热交换是非常重要的。但是，因为触摸屏盖板108可具有固有的热阻，本文所述的实施方式包括具有至少一个开放通道或小孔的图案化的触摸屏盖板108，其把声学薄膜106暴露于环境。高密度的这种特征使得能在约10％-90％的总表面积上提供最佳的直接空气表面接触。可设想，可基于声学输出来优化微型扬声器的尺寸和节距。在整个触摸屏盖板108表面还是在其部分表面(如图2所示)对微型扬声器进行图案化，洞尺寸均匀还是不均匀，在选定的一个还是多个区域分布这种特征，这些都可设计和优化，以适于应用。可在触摸屏盖板108表面上制备微型扬声器阵列，用于在目标领域优化声学性能。
图3显示根据本文所述的实施方式的触摸屏盖板108的侧视图，其包括多个微观结构308。如图所示，微观结构308可构造成多个孔，且在微观结构308的至少一个侧壁上沉积纳米管。在一些实施方式中，微观结构308可构造成双重结构微观结构308a，而在一些实施方式中，可构造成单一结构微观结构308b。双重结构微观结构308a可构造成具有宽度a1和第一高度h1的第一部分。第二部分可构造成具有第二宽度a2和第二高度h1。如图所示，第一部分和第二部分都在侧壁上沉积纳米管。
取决于实施方式，微观结构308可近似为径向微观亥姆霍兹(Helmholtz)共振器，一种可用来放大声音的声学特征。可设计尺寸特征a1,a2,h1,和h2，从而共振落在听得见的频率范围内。此外，能制备具有不同尺寸的特征，来覆盖在音频范围内的宽范围的频率，用于优化声谱。
可用许多不同方法中的任一方法来制备微观结构。例如，可利用激光加工在大幅面薄玻璃板中制造微观结构，和/或通过借助于薄玻璃板中用于玻璃互连的通孔的方法来制造微观结构。一些实施方式可包括利用玻璃卷绕时薄膜玻璃板上的表面纹理。
一旦形成纹理化的薄玻璃板，可把它送到用于在微观结构308的表面和侧壁上沉积导电纳米材料的过程。微观结构308可包括高长径比分子(HARM)结构。HARM结构可沉积在玻璃板的背面上和沉积在孔的侧壁上。可把这种孔的分布设计成在玻璃上的图案，从而提供与玻璃的其它性能功能例如显示和触摸兼容的高质量的音频效果。
图4显示根据本文所述的实施方式的电子设备100的侧视图，其在基片404中包括注入层404b(其可为多孔的)。如图所示，基片404可包括基底层404a、注入层404b和表面层404c。基底层404和表面层404c可由玻璃基片构造。注入层404b可由基片之内的多个气囊构造，用于固定容纳的气体例如氩气和/或氮气。注入层404b可为约0.3微米厚，且可用来隔绝从声学薄膜层406经基片的传热。注入层404b可位于基片表面以下约0.3微米。还包括具有外部薄膜层410的触摸屏盖板408，其可由碳纳米管或其他类似的结构构造。
在一些实施方式中，外部薄膜层410可构造成薄板多孔玻璃基片，其由沉积进入玻璃基片的多孔结构的碳纳米管、石墨烯或其他类似材料构造。玻璃的孔隙率可为约10％-60％(或更高)，且平均孔径在微米水平。在触摸屏盖板408的顶部表面上，外部薄膜层410可为约10-1000纳米厚。高的孔隙率提供用于沉积碳纳米管或石墨烯材料的大表面积。这样，这种构造可增加碳纳米管或石墨烯材料与空气的表面接触，从而形成高的声学压力水平。这还可减少传导到基片404的热量。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (21)

1.一种具有集成的声学功能的设备，其包括图案化的触摸屏盖板、声学薄膜、多个电极和基片，其中：
基片连接到声学薄膜并减少从声学薄膜经基片的热损失；
声学薄膜连接到图案化的触摸屏盖板并传导由多个电极提供的振动电流，由此用作纳米级发声器；
该图案化的触摸屏盖板提供微型扬声器阵列和观看区域，其中微型扬声器阵列绕着图案化的触摸屏盖板的周界设置；
所述图案化触摸屏盖板通过微型扬声器阵列传热，从而在周围空气中产生声学压力，由此产生所需的声音且无需在图案化的触摸屏盖板中形成振动；和
所述图案化的触摸屏盖板接受基于触摸的用户输入来控制至少一部分的设备的操作。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基片基本上由玻璃构造。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基片包括就设置在基片表面下方的多孔层。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述多孔层包括容纳预定气体的气囊，其中所述多孔层还减少从声学薄膜经所述基片的传热。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述预定气体包括下述的至少一种：氩气和氮气。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述多孔层的厚度约为0.2-1.0微米。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜包括设置在所述图案化的触摸屏盖板和所述基片之间的纳米结构膜。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述纳米结构膜包括纳米碳膜。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜的厚度约为0.5-1.0微米。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜提供的电阻约为6-15欧姆。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜是图案化的。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜具有基本上匹配图案化的触摸屏盖板的盖板长度的膜长度，以及基本上匹配图案化的触摸屏盖板的盖板宽度的膜宽度。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜只沿着图案化的触摸屏盖板的周界设置。
14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述图案化的触摸屏盖板基本上由玻璃构造。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述图案化的触摸屏盖板用微观结构进行图案化。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，至少一种微观结构包括孔，且该孔的侧壁上沉积纳米管。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述微观结构包括第一部分和第二部分，其中第一部分的宽度大于第二部分的宽度。
18.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括外部薄膜，该外部薄膜到图案化的触摸屏盖板并与声学薄膜相对。
19.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述声学薄膜包括下述特征的至少一种：柔性、透明性和半透明性。
20.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基片、声学薄膜和图案化的触摸屏盖板是半透明的，从而通过基片、声学薄膜和图案化的触摸屏盖板从影像来源提供影像。
21.一种具有集成的视觉功能和集成的声学功能的设备，其包括玻璃触摸屏盖板、纳米碳膜、多个电极、玻璃基片和影像来源，其特征在于，
玻璃基片连接到纳米碳膜并减少从纳米碳膜经玻璃基片的热损失；
纳米碳膜连接到玻璃触摸屏盖板并传导由多个电极提供的振动电流，由此用作纳米级发声器；
所述玻璃触摸屏盖板通过沿着玻璃触摸屏盖板的周界的微型扬声器阵列传热，从而在周围空气中产生声学压力，由此产生所需的声音且无需在玻璃触摸屏盖板中形成振动；和
影像来源连接到玻璃基片以提供电子影像；和
所述玻璃基片、纳米碳膜和玻璃基片是基本上透明的，以通过玻璃触摸屏盖板从影像来源提供电子影像。
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