CN106604188A - 一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，包括定型夹具、声辐射孔板、振膜、硅支撑环和绝缘垫。其中，振膜为硅薄膜，硅薄膜表面附有一层金属导电层；硅薄膜通过共价键与外围的硅支撑环相连；绝缘垫设置在声辐射孔板与硅支撑环之间；定型夹具将声辐射孔板、硅支撑环和绝缘垫三部分固定。本发明运用大面积自支撑硅薄膜制作静电式扬声器，具有较宽的频率响应范围(20Hz‑65kHz),改善了扬声器在音频段(20Hz‑20kHz),和高频段(>20kHz)的频率响应特征，并且具有耐高温和防水的特性，改善了由于温度及湿度变化带来的振膜材料老化现象以及损坏现象，增强了扬声器的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电声器材的设计和制造，尤其涉及一种可同时应用于高频段和音频段的且具有耐高温、防水特性的基于硅基薄膜的高保真高灵敏度静电扬声器。
背景技术
扬声器一般分为三类，即电磁的(线圈和磁铁)、压电的和电容性的。其中，电磁扬声器应用在诸如hi-fi系统、收音机、电视机和手机等智能设备中，它能产生高质量声音，且生产成本低、安置方便。然而电磁扬声器由于存在音圈、磁铁、折环等部件，易造成不必要的谐波失真，能量转化效率低，其性能易受温度影响，使得一般电磁扬声器耐温在75℃左右，不能够耐高温。同时，现有电磁扬声器的振膜一般由有机材料复合而成，易受潮湿环境的影响从而老化、甚至损坏。虽然电磁扬声器可以做到覆盖的范围从次音频(10HZ)到听觉范围最高点(20kHZ)，但是如果需要高保真的再现，通常需要将两三个分开的扬声器一起使用以横跨整个音频频率范围，因此电磁扬声器相对频宽较窄，应用范围单一。
基于压电原理的扬声器目前有相当大的影响，由于其可以被用于生产相对薄(几毫米)的扁平的扬声器，对于例如在飞机或者汽车中这些空间宝贵的地方特别地有优势。然而，这种扬声器生产相对昂贵并且不易弯曲，限制了其使用的灵活性。也有一些其它的压电声源(具有非常低的声音质量)被生产，这种压电声音源可以被广泛使用在例如圣诞卡片里的单和弦播放，对音质没有太高要求。
静电扬声器是电声换能器中重要的一种，它是一种能产生高质量音频回放的电声元件。其发声机理是在两块平行的极板中间平行地施加一层一般是由聚合材料构成的可极化的振膜。当在两块极板上施加峰值为数千伏的音频电压时，该音频电压形成的交变静电场力将推动经极化的振膜振动发声，完成电声的转换。因振膜的质量极轻，一般情况下等同于数毫米厚度的空气层的质量，所以静电扬声器能以极小的失真再现音频信号。其真实复现音频信号的能力是电磁式扬声器所无法比拟的。
一个理想的静电扬声器，要能在两片极板之间生成足够强的静电场，让振膜产生足够的推力和振幅来推动尽量多的空气流动量以提高发声强度，这就要求极板导电的面积尽量大。同时前后极板又要能够让振膜振动时推动的空气以尽量小的阻力通过以增强极板的透声性，这又要求极板有较大的孔隙率和较小的声阻。因此静电扬声器的极板一般是由冲有细小圆孔或蜂巢状孔的金属板经绝缘涂层处理得到(如Martin Logan、Final Sound等品牌产品)，或带细小网孔的环氧布基敷铜板加绝缘层构成的(如QUAD)。而且，静电扬声器的振膜需要足够的轻薄以满足大范围内的频率响应，并且有足够的弹性以便快速恢复。
目前静电式扬声器振膜主要由有机聚合物构成，如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，PP(聚丙烯polypropylene)等，薄膜的厚度从几微米到几十微米不等。一般振膜表面会复合一层导电层，近年来也出现了使用导电聚合物作为振膜的设计。振膜通过环氧树脂等粘结剂与支撑结构相连，以保证振膜表面的平整及适当的张力。然而，传统的扬声器由于温度及湿度变化导致的支撑夹具的形变以及振膜材料和粘结材料本身固有的老化现象，不可避免的带来了扬声器性能的不稳定，甚至损坏。同时基于聚合物材料的强度问题，薄膜厚度也受到了很大限制。
发明内容
本发明提供一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，以克服以上现有技术中存在的技术缺陷。
本发明采用的技术方案为：
一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，包括定型夹具、声辐射孔板、振膜、硅支撑环和绝缘垫，振膜为硅薄膜，硅薄膜表面附有一层金属导电层；所述硅薄膜通过共价键与外围的硅支撑环相连；所述绝缘垫设置在声辐射孔板与硅支撑环之间；所述定型夹具将声辐射孔板、硅支撑环和绝缘垫三部分固定。
进一步地，所述硅薄膜与硅支撑环为一体结构。
优选地，所述硅薄膜为圆形，其直径为9cm，厚度为5-15μm。
优选地，所述硅支撑环的内直径为9cm，外直径为10cm，厚度为300-375μm。
优选地，所述金属导电层为金，厚度为30nm。
进一步地，所述金属导电层同时附着在硅薄膜表面和硅支撑环表面上。
优选地，所述声辐射孔板由不锈钢金属孔板制成，孔的直径为1mm，孔隙率为22.7％。
优选地，所述绝缘垫的材料为硅橡胶，形状为圆环形，其内直径为9cm，外直径为10cm，厚度为0.4mm。
进一步地，所述定型夹具上设有引出电极的孔道。
优选地，所述定型夹具的材料为ABS工程塑料，形状为圆环形，其内直径为9cm，外直径为11cm，厚度为0.5cm。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明运用大面积自支撑硅薄膜制作静电式扬声器，由于振膜与支撑环之间完全通过材料本身的共价键相连，解决了传统材料带来的技术困难。
(2)具有较宽的频率响应范围(20Hz-65kHz),改善了扬声器在音频段(20Hz-20kHz),和高频段(>20kHz)的频率响应特征，并且具有耐高温及防水特性，改善了由于温度及湿度变化带来的振膜材料老化现象以及损坏现象，增强了扬声器的稳定性。
(3)同时因为振膜足够轻薄，对频率响应及谐波失真等性能也有一定的改善。
附图说明
图1是本发明静电式扬声器的剖面结构示意图；
图2是本发明硅振膜及硅支撑环结构示意图；
图3是本发明硅橡胶绝缘环结构示意图；
图4是本发明金属声辐射孔板结构示意图；
图5是本发明静电扬声器自由场音频段与高频段频率响应曲线；
图6是本发明静电扬声器耐温特性曲线；
图7是本发明静电扬声器耐水特性曲线。
具体实施方式
本发明的静电式扬声器完整设计如图1所示，其中1为振膜，2为硅支撑环，3为硅橡胶绝缘垫，4为不锈钢声辐射孔板，5为定型夹具，6为孔隙。
本发明的振膜1为硅薄膜，这种超薄的硅薄膜以及外围的硅支撑环2由双面打磨的P型(100)硅片进行整体腐蚀的方法制成。硅片直径为4英寸，电阻为10-20Ω·cm，厚度为300-375μm。减薄的方法是通过将硅片在90摄氏度的条件下，浸入质量分数为50％的氢氧化钾溶液中，通过控制不同的浸泡时间来控制最终的硅片厚度。腐蚀的速率大致为80μm/h。使用一束白光，通过透过硅片的光的颜色可以简易的判断出硅薄膜的厚度。(Shuang Wang,Benjamin D.Weil,Yanbin Li,Ken Xingze Wang,Erik Garnett,Shanhui Fan,andYiCui.doi.org/10.1021/nl402230v|Nano Lett.)。本实施例使用的硅薄膜结构参数为：外环直径10cm，内环薄膜直径为9cm,外环厚300μm，中间薄膜厚5-8μm(非均匀厚度)。
然后在硅薄膜表面通过磁控溅射，附着一层金属导电层。本实施例的导电层材料为金，结构参数为：覆盖圆直径为10cm(完整覆盖整个硅薄膜，包括边缘的支撑环)，厚度为30nm左右。振膜1本身通过共价键与外围的硅支撑环2相连。硅支撑环2为上述步骤中未被腐蚀的硅片部分，与硅薄膜形成圆形一体结构，硅支撑环2为环形，其结构参数为：内直径9cm，外直径10cm，厚300-375μm(如图2所示)。
如图3所示，环状硅橡胶绝缘垫3，其材料为硅橡胶，结构参数为内直径9cm，外直径10cm，厚度为0.4mm。声辐射孔板4与硅薄膜支撑环2之间依靠硅橡胶绝缘垫3保持绝缘状态。
如图4所示，声辐射孔板4由不锈钢金属孔板制成。孔板孔隙6由冲压法制成，孔隙6直径1毫米，孔隙率为22.7％。
定型夹具5将声辐射孔板4、硅薄膜支撑环2、硅橡胶绝缘垫3三部分夹紧固定，并通过夹具上预留的孔道引出电极。定型夹具5的材料为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)工程塑料，结构参数为内直径9cm，外直径11cm，厚度0.5cm。
本实施例的静电式扬声器稳态信号响应(SSR)使用B&K-3560-C信号分析仪在自由场测试完成。如图5中右下方虚框的放大图所示，扬声器整个音频段的频率响应曲线较为平坦，不均匀度较小，有较好的频率响应。从图5可以看出，该扬声器可以稳定的工作20kHz-65kHz的高频段。
如图6所示，本实施例的静电式扬声器具有较强的耐高温特性，可以稳定的工作在包括高温的不同温度下(23℃，95℃，190℃，280℃)，其频率响应曲线无明显变化。其中为了便于对各个曲线的对比，95℃，190℃，280℃的曲线分别上移了30dB，60dB，90dB。
如图7所示，本实施例的静电式扬声器具有较好的防水特性，将硅薄膜放置在水中不同时间分别为0mins,30mins,2hours,24hours，对比该静电式扬声器的频率响应曲线无明显变化。其中为了便于对各个曲线的对比，30mins,2hours,24hours的曲线分别上移了30dB，60dB，90dB。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，包括定型夹具、声辐射孔板、振膜、硅支撑环和绝缘垫，其特征在于，振膜为硅薄膜，硅薄膜表面附有一层金属导电层；所述硅薄膜通过共价键与外围的硅支撑环相连；所述绝缘垫设置在声辐射孔板与硅支撑环之间；所述定型夹具将声辐射孔板、硅支撑环和绝缘垫三部分固定。
2.根据根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述硅薄膜与硅支撑环为一体结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述硅薄膜为圆形，其直径为9cm，厚度为5-15μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述硅支撑环的内直径为9cm，外直径为10cm，厚度为300-375μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述金属导电层为金，厚度为30nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述金属导电层同时附着在硅薄膜表面和硅支撑环表面上。
7.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述声辐射孔板由不锈钢金属孔板制成，孔的直径为1mm，孔隙率为22.7％。
8.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述绝缘垫的材料为硅橡胶，形状为圆环形，其内直径为9cm，外直径为10cm，厚度为0.4mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述定型夹具上设有引出电极的孔道。
10.根据权利要求1或9所述的一种基于硅薄膜材料的静电式扬声器，其特征在于，所述定型夹具的材料为ABS工程塑料，形状为圆环形，其内直径为9cm，外直径为11cm，厚度为0.5cm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108696800A (zh) * | 2018-07-04 | 2018-10-23 | 苏州亿欧得电子有限公司 | 电声换能器耐高温复合振膜 |
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| CN106604188B (zh) | 2019-06-25 |
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