CN106473861B - 一种声音衰减装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声音衰减装置及其制造方法，包括一件模型包括一条小信道，至少一件集成电路式制造的听力保护器横跨在所述小通道中，其中所述的集成电路式制造的听力保护器包括一片可活动的薄膜，一片至少有一个孔洞的膜片，与薄膜之间分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动，当声音超过临界点，薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动；在薄膜对着膜片的一面至少有一个凸出的小尖点。本发明的重要性在于此低成本的被动型耳塞能保护用户免受噪音瞬间冲撃，同时能够清淅的，没有失真的听到周围低分贝的声音和信息。本发明可把125分贝、140分贝、160分贝及171分贝的冲击衰减至少30分贝，噪声衰减率12或少于12，在30到60分贝之间。

Description

一种声音衰减装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种声音衰减装置及其制造方法，特别利用在非微型声音处理器，如耳塞、耳机、头戴型耳机、头盔及麦高峰。

背景技术

噪声性听力损失(Noise-inducedhearingloss，NIHL)是一种可以避免的职业危险。在发展中国家，工作噪声和环境噪声仍然是主要的原因引致听力损失。即便在发展国家听力损失继续是一种彼普遍的健康问题，所以听力保护的产品市场有着无限潜力。全球1.2亿工人常常在工作环境中暴露在危险的高噪音水平(超过85分贝)。根据美国职业安全与健康当局估计，大约3千万美国人每天在工作上接触到有害的巨响例如在金属加工，制造，煤矿，船坞(渔民)，建设工业和娱乐行业。这些职业的工人是最容易发生噪音性听力哀失的。

在军队里也有看见很多需要被动型听力保护器，帮助军人降低耳鸣或噪音引致的永久性听力损害。听力保护器可保护军人因爆炸或火药所造成的有害舜间噪声冲击，也同时让军人可以清淅地没有失真地听到重要的军事联络信息。耳鸣，常被简称为“言犹在耳”和噪音性听力损失可以因为暴露在一次性或多次性长时间的危险脉冲噪声而产生的。使用适当的听力保护器可以防止造成不可挽回的耳膜损害。

一般耳塞和头戴式耳塞衰减有害的冲击性噪声，但也同时减弱了没有害的正常通讯讯息。图1展示一个非微型声音衰器的图样拥有一件耳朵模型内置了一条小通道让外来声音通。这装配实施方案可能颇简单。这集成电路式制造的听力保护用胶粘剂例如环氧树脂，附于塑料圆柱形装置。这装置然后被推进一个已经钻了一个孔洞的圆柱形耳朵模型。图2展示该非微型听力保护器的横截面图。这轻便的听力保护器是一个被动型非线性衰减装置，并不戴有任何电子部件此非微型声音衰减器包括，但不局限于，耳塞，耳机，头盔，及麦高峰。非微型声音衰减器的设计并不局限如图1，可有不同的大小，形状，及结构。实施方案中的非微型耳塞的形态可以是圆柱体泡沫或三重法兰耳塞来因定其位置。这些耳塞是低成本的，但高声音衰减耳塞，可容易塞入耳内。此塑料耳塞很耐用也可长时间使用。

今天非线性膜片技术是最创新的，此技术旨在提供非线性噪声衰减以致于高音量的衰减比低音量的衰减为大。这种非线性噪声衰减器包括一个外壳，壳内有一条小通道让外来声音通过并穿过一弹性膜片。这膜片通常是由聚乙烯(polyethylene)或聚四氟乙烯箔(teflon)所制造。这装置有三个运作状态：正常声音状态，临界声音状态，及极大声音状态。在正常的声音状态下，声压引起该弹性膜片展开允许用户清楚地听到周围的声音。但当声量达到临界点(125分贝)，该弹性膜片会压在有孔洞牌板，以致限制膜片容易继续展开。当声量超过临界点(125-171分贝)，该弹性膜片继续穿过孔洞扩张，以达到声音非线性衰减的效果。

但这种非线性噪声衰减器有许多不足之处。首先，在正常的声音状态下，由于膜片很厚，所以弹性膜片能有效衰减声量，但同时因为其膜内部张力不平均使声音讯息严重失真。这衰减但失真的声音讯息使用户难以听到及明白。其次，在声量超过临界点状态下，该膜片仍然能扩张因为膜片太过弹性，不能有效的衰减声量。最后，膜片的生产质量(例如内部张力及厚度)不能严格控制，产品衰减能力参差。

所以，市场需要一种创新的非线性噪声衰减器，可以当声量低于临界点，在所有可听到的频律提供一种低失真的声量衰减；但当声量超于临界点时提供一种高声量衰减的效果。

发明内容

本发明提供了一种声音衰减装置及其制造方法，能够清晰的、没有失真的听到周围低分贝的声音和信息，但同时能大大降低高声量冲击噪声。

本发明提供的一种声音衰减装置，包括：

a.一件模型包括一条小信道，

b.至少一件听力保护器横跨在所述小通道中，

其中所述听力保护器包括：

i.一个底板，

ii.一片可震动的薄膜，薄膜边缘固定在底板上，

iii.一片至少有一个孔洞的膜片，所述膜片边缘固定在底板上，膜片与薄膜之间分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动，当声音超过临界点，震动的薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动；或者一片至少有一个孔洞的膜片，膜片与薄膜之间分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动，当声音超过临界点，震动的薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动。

在所述薄膜对着所述膜片的一面至少有一个凸出的小尖点。

所述膜片为硅膜片、氮化硅膜片、氧化硅膜片或多晶硅膜片，或者以上至少两种膜片组合叠加而成。

所述薄膜是可扩张的。

所述薄膜有波纹或中间凸出。

所述薄膜厚度小于10微米。

所述薄膜为硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或多晶硅薄膜，或者以上至少两种薄膜组合而成。

所述一段空间距离少于10微米。

所述声音临界点为85-140分贝。

所述底板为硅板，所述薄膜的表面和所述膜片在被薄膜压住的表面均涂有反粘滞作用层。

所述薄膜是不可扩张的。

本发明还提供了一种制造声音衰减装置的方法，包括如下步骤:

a.提供一件模型包括一条小信道，

b.提供至少一件听力保护器横跨在该小通道中，

所述听力保护器的制造方法，包括如下步骤:

i.提供一个底板，

ii.提供一片可震动的薄膜，薄膜边缘固定在底板上，

iii.提供一片膜片，在膜片上开设至少一个孔洞，所述膜片边缘固定在底板上，将膜片与薄膜分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动；当声音超过临界点，震动的薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动。

在所述的薄膜对着膜片的一面设置至少有一个凸出的小尖点。

所述的底板为硅板，在所述薄膜的表面和所述膜片被薄膜压住的表面涂上反粘滞作用层。

所述反粘滞作用层为二甲基二氯硅烷或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷。

所述反粘滞作用层在硅板切为小芯片之后涂上。

所述涂上反粘滞作用层的方法，包括如下步骤:

a.把硅板放在第一空室；

b.在第二空室内，把有反粘滞作用特点的物料加热至气化；

c.打开第一空室与第二空室中间的阀门，让第二空室充满了反粘滞作用的气体；

d.让反粘滞作用气体沉积成反粘滞作用层。

所述反粘滞作用层用等离子体化学反应沉积法涂上，包括如下步骤:

a.把硅板放在一空室的阴极和阳极之间

b.让空室充满了反粘滞作用的气体；

c.在电极上加电压产生等离子体；

d.让反粘滞作用气体沉积成反粘滞作用层。

在所述反粘滞作用层与硅板之间沉积一附着层。

所述附着层为铝氧化物。

本发明的声音衰减装置包括一件模型包括一条小信道包括一件模型包括一条小信道，和至少一件集成电路式制造的听力保护器放置在小通道中，其中所述的集成电路式制造的听力保护器包括一片可活动的薄膜和一片后面有洞的膜板，这膜片跟薄膜被一段空气距离分隔。在小通道中放置至少一件集成电路式制造的听力保护器可以进一步重叠声音衰减的能力。当正常的声量压在这可活动的薄膜，令这可活动薄膜片振动。但当这声音超过了临界点，这可活动的薄膜挠曲和压住后面有洞膜片，限制进一步移动，以致衰减传入耳朵的声音。本发明提供特别的声音工程能力，同时帮助降低耳鸣或噪音引致的永久性听力损害。本发明的重要性在于此低成本的被动型耳塞能保护用户免受噪音瞬间冲撃，同时能够清淅的，没有失真的听到周围低分贝的声音和信息。本发明对正常的声音提供没有失真的音效，但提供抗有害的高音量噪声。

当膜片被限制于不能继续扩张时，本发明可把125分贝、140分贝、160分贝及171分贝的冲击衰减至少30分贝，噪声衰减率(NoiseReductionRate)为12或少于12，在30到60分贝之间。

附图说明

图1为现有非微型声音衰减器的示意图；

图2为现有非微型声音衰减器的横截面图；

图3为本发明声音衰减装置中听力保护器的结构示意图；

图4为本发明声音衰减装置中听力保护器的的示意图；

图5为本发明声音衰减装置中听力保护器的运作模式图；

图6为本发明声音衰减装置制作过程图。

具体实施方式

数个实施方案可利用数个例子和例图为基础详细描述出来。以下的描述有多个特别的细节可对本发明提供充份了解。其他细节虽然未透露，但对于熟识此工艺的人来说，实现这些实施方案是显然易见的。进一步来说，有些细节可以被其他为人所熟识的细节所取代。在某些情形，为人所熟识的步骤未能在本发明详述以致不必要的碍外本发明的详述。

本发明的重要部份是听力保护器，优选为集成电路式制造的听力保护器，提供正常的声音不失真的效果，但限制薄膜3继续扩张以达到排除有害的声音的能力。我们相信此听力保护器可把125分贝、140分贝、160分贝及171分贝的冲击噪声衰减至少30分贝和噪声衰减率为12或少于12，在30至60分贝中间。

本发明集成电路式制造的听力保护器的优点在于它是集成电路所制造。该集成电路式制造的听力保护器利用微电子机械系统(Micro-Mechanical Electrical System，MEMS)技术，用于微电子行业集成电路的制造流程大批量生产制造。这种批量生产的集成电路式制造的听力保护器不但严格质量控制，而且随着产量增加，其制造成本变得更低。本发明旨在利用微机电系统技术制造出超薄的多晶硅膜，并且控制其内部张力及平均分布。因为这种硅膜是利用集成电路技术制造，其质量是严格控制的。这样，以上所提出的衰减信号和信号失真得以大大降低。同时，因为薄膜3与有洞的膜片2同样是微机电系统技术所造，其距离也是严格控制。

本发明提供的一种声音衰减装置包括一件模型包括一条小信道,和至少一件集成电路式制造的听力保护器放置在小信道中，其中集成电路式制造的听力保护器包括一片可活动的薄膜3和一片后面的有洞的膜片2，这有洞的膜片2跟薄膜3被一段空气距离分隔。在小通道中放置至少一件集成电路式制造的听力保护器可以进一步重叠声音衰减的能力。当正常的声量压在这可活动的薄膜3，令这可活动薄膜3片振动。但当这声音超过了临界点,这可活动的薄膜3挠曲和压住后面有洞膜片版，限制进一步移动，以致衰减传入耳朵的声音。这声音临界点是大约140分贝。进一步来说，这声压临界点是大约125分贝。更进一步来说这声压临界点是大约85分贝。这后面有洞的膜片2有至少一个孔洞，这膜片2是，但不局限于，未掺杂的多晶硅膜片,掺杂多晶硅膜片，硅膜片，掺杂硅膜片,氮化硅膜片,氧化硅膜片,金属膜片,聚合物膜片,或以上任何组合叠加而成。这薄膜3厚度是少于10微米。这薄膜3厚度是少于2微米。这集成电路式制造的薄膜3是，但不局限于，未掺杂多晶硅薄膜,掺杂多晶硅薄膜,硅薄膜,掺杂硅薄膜,氮化硅薄膜，氧化硅薄膜,金属薄膜,聚合物薄膜,或以上任何组合而成。这空气距离少于10微米。进一步来说,这空气距离是少于2微米。这膜片2可以是边缘固定的。可活动的薄膜3是可扩张的。

如图3、图4所示，本发明的听力保护器构造在底板1上，底板1优选为硅板，硅板上蚀刻了膜片2。接下来，一片悬空的薄膜3，该薄膜3与膜片2分隔了一层数微米厚的空间距离。膜片2上拥有着一排排的孔洞4防止当这薄膜3压向膜片2时，压力增深。

薄膜3为多晶硅薄膜，在正常的声量状态，传入的声音冲击在这感应声压的多晶硅薄膜。这感应声压的薄膜3(见图5b)振动，其振幅跟声压成正比例。这薄膜3衰减出于超薄的(几微米厚)膜，同时这薄膜3的失真度少是由于其平均分布内部张力。这种极小讯息衰减和失真让用户清楚地听到周围的声音讯息，而不致失真。当声压到达了临界点状态(见图5c)，这集成电路式制造的薄膜3压住有洞的膜片2防止其进一步移动。当任何传入的讯息超过临界点声压，薄膜3完全停止在膜片2上限制任何声音振动。这临界点声音决定于薄膜3的材料，薄膜3的厚度，薄膜3与膜片2的距离。薄膜3可以具有不同的形状和形式。它可以有波纹(corrugated)或中间凸出(bossed)。在最大的声音状态下，薄膜3会压住有洞的膜片2，但因其高机械力和小孔洞，薄膜3是不会进一步挠曲而扩张进去小孔洞里。

如果不用多晶硅膜薄膜而用聚合物，因其高的膜弹性，薄膜3会被挠曲穿过小孔洞。

为求达到薄膜3厚度和严格厚度误差，这薄膜3需要用集成电路技术制造薄膜。薄膜3材料的选择是非常重要的，因薄膜3的超薄与低内部张力而提高其灵敏度。有着平均分布内部张力，当小幅度的声音作用在这薄膜3时，这薄膜3会线性的被挠曲。薄膜材料如掺杂多晶硅膜，未掺杂多晶硅膜，硼掺杂硅，硅氮化硅，聚酰亚胺(polyimide)和金属，和聚四氟乙烯箔(te1fon)都可选用。有着高薄膜灵敏度和极微失真度，这微机电薄膜让用户在安静的环境下清楚地听到，确定和定位声音来源。

详细的集成电路式制造的听力保护器的工艺展示在图6A-6E。图6为基础详细描述工艺。以下的描述有多个特别的细节可对本发明提供充份了解。其他细节虽然未透露，但对于熟识此工艺的人来说，实现这些实施方案是显然易见的。进一步来说，有些细节可以被其他为人所熟识的细节所取代。在某些情形，为人所熟识的步骤未能在本发明详述以致不必要的碍外本发明的详述。图6展示一种制造这种声音衰减器的集成电路工艺。其他集成电路工艺也可制造这种声音衰减器，但对熟识工艺的人来说是显然而见的，所以在此不能一一详述。

首先，在硅板上(501)长一层氧化硅(502)。这氧化硅层在氢氟酸蚀刻后作深层硼扩散光罩。之后硅板暴露在固态硼中造成深层硼扩散层(503)。这厚硼扩散层成为以后的膜片2，而膜片2的厚度有数十微米。然后这层氧化硅光罩在氢氟酸中被洗掉。接下来沉积几微米厚的代替氧化硅，这代替氧化硅层决定了空间距离。这氧化硅也被印了小尖点图样，这小尖点是为对于熟识工艺的人是众所周知的，可以减少粘滞作用。这氧化硅(504)被印了图样之后被蚀刻在氢氟酸中(见图6B)。接下来进行高温度低压化学气体沉积造成了一层超薄的低内部张力多晶硅膜(506)(见图6C)。这多晶硅膜可能是掺杂了硼。这多晶硅膜接下来进行高温度退火如1000℃来进一步除掉大多数余下内部张力。这多晶硅膜层被印上图样和用六氟化硫蚀刻蚀刻。然后一层氧化硅沉积在多晶硅膜上来作保护层，同时该氧化硅也沉积在硅板背面，经过印上图样形成湿法硅蚀刻保护层。硅板从后面进行有方向蚀刻(507)如乙二胺邻苯二酚(EthylenediaminePyrocatechol，EDP)，氢氧化钾(potassiumhydroxide)或四甲基氢氧(Tetramethylammoniumhydroxide，TMAH)8小时，110度(见图6D)。当除掉在上面和背面的保护氧化硅层后，整片硅板放进强氢氟酸一小时(见图6E)，以致氢氟酸从背面除掉代替氧化硅层。最后硅板涂上反粘滞作用层。这反粘滞作用层可能是一层自组装单分子层(self-assembledmonolayer)。这反粘滞作用层可能是二甲基二氯硅烷(dichlorodimethylsilane，DDMS)或1H，1H，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷(1H，1H，2H，2H-Perfluorodecyltrichlorosilane，FDTS)。最后硅板切为小芯片。这反粘滞作用层也可在硅板切为小芯片后涂上。所述的反粘滞作用层可用气化反粘滞作用物料成沉积层，步骤如下:

1.把硅板或已切成的小硅片放在第一空室；

2.在第二空室内，把有反粘滞作用特点的物料加热至气化；

3.打开第一空室与第二空室中间的阀门，让室充满了反粘滞作用的气体；

4.让反粘滞作用气体沉积成反粘滞作用层；

所述的反粘滞作用层也可用等离子体化学反应沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition)涂上，步骤如下:

1.把硅板或已切成的小硅片放在一空室的阴极(cathode)和阳极(anode)之间；

2.让空室充满了反粘滞作用的气体；

3.在电极上加电压产生等离子体；

4.让反粘滞作用气体沉积成反粘滞作用层；

在反粘滞作用层硅板或切成小硅片中间可以沉积一附着层(adhesivelayer)，但不限于，如铝氧化物。附着层可以，但不限于，使用原子层沉积涂上(atomiclayerdeposition)。

Claims (20)

1.一种声音衰减装置，其特征在于，包括：

a.一件模型包括一条小信道，

b.至少一件听力保护器横跨在所述小信道中，

其中所述听力保护器包括：

i.一个底板，

ii.一片可震动的薄膜，薄膜边缘固定在底板上，

iii.一片至少有一个孔洞的膜片，所述膜片边缘固定在底板上，膜片与薄膜之间分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动，当声音超过临界点，震动的薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动；或者一片至少有一个孔洞的膜片，膜片与薄膜之间分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动，当声音超过临界点，震动的薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动。

2.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，在所述薄膜对着所述膜片的一面至少有一个凸出的小尖点。

3.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述膜片为硅膜片、氮化硅膜片或氧化硅膜片，或者以上至少两种膜片组合叠加而成。

4.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述薄膜是可扩张的。

5.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述薄膜有波纹。

6.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述薄膜厚度小于10微米。

7.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述薄膜为硅薄膜、氮化硅薄膜或氧化硅薄膜，或者以上至少两种薄膜组合而成。

8.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述一段空间距离少于10微米。

9.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述声音临界点为85-140分贝。

10.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述底板为硅板，所述薄膜的表面和所述膜片在被薄膜压住的表面均涂有反粘滞作用层。

11.根据权利要求1所述的声音衰减装置，其特征在于，所述薄膜是不可扩张的。

12.一种制造声音衰减装置的方法，其特征在于，包括如下步骤:

a.提供一件模型包括一条小信道，

b.提供至少一件听力保护器横跨在该小信道中，

所述听力保护器的制造方法，包括如下步骤:

i.提供一个底板，

ii.提供一片可震动的薄膜，薄膜边缘固定在底板上，

iii.提供一片膜片，在膜片上开设至少一个孔洞，所述膜片边缘固定在底板上，将膜片与薄膜分隔了一段空间距离，声音令薄膜振动；当声音超过临界点，震动的薄膜挠曲和压住膜片，限制膜片进一步移动。

13.根据权利要求12所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，在所述的薄膜对着膜片的一面设置至少有一个凸出的小尖点。

14.根据权利要求12所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，所述的底板为硅板，在所述薄膜的表面和所述膜片被薄膜压住的表面涂上反粘滞作用层。

15.根据权利要求14所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，所述反粘滞作用层为二甲基二氯硅烷或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷。

16.根据权利要求14所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，所述反粘滞作用层在硅板切为小芯片之后涂上。

17.根据权利要求14所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，所述涂上反粘滞作用层的方法，包括如下步骤:

a.把硅板放在第一空室；

b.在第二空室内，把有反粘滞作用特点的物料加热至气化；

c.打开第一空室与第二空室中间的阀门，让第二空室充满了反粘滞作用的气体；

d.让反粘滞作用气体沉积成反粘滞作用层。

18.根据权利要求14所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，所述反粘滞作用层用等离子体化学反应沉积法涂上，包括如下步骤:

a.把硅板放在一空室的阴极和阳极之间

b.让空室充满了反粘滞作用的气体；

c.在电极上加电压产生等离子体；

d.让反粘滞作用气体沉积成反粘滞作用层。

19.根据权利要求14所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，在所述反粘滞作用层与硅板之间沉积一附着层。

20.根据权利要求19所述的制造声音衰减装置的方法，其特征在于，所述附着层为铝氧化物。