CN107710788A - 静电扬声器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电扬声器或用于静电扬声器的膜片，其中，所述膜片包括多个导电部和至少一个绝缘部，所述绝缘部在所述导电部之间进行隔离，并且其中，所述多个导电部中的每个导电部根据该导电部与一个或多个固定的导电格栅之间的最小距离电连接到不同的偏置电压，所述一个或多个固定的导电格栅与所述膜片平行地定位。

Description

静电扬声器及其方法

技术领域

本发明公开的方法和设备涉及声学换能器领域，且更具体地但不排他地涉及基于电容的扬声器或静电扬声器。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年6月8日提交的美国临时申请62/172,581的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

扬声器是我们生活中的用于手机、耳机、助听器等的重要部件。所使用的大部分扬声器是电磁扬声器，这些扬声器具有差的响应和低的效率。电磁扬声器在将电能转换为声压波能量时具有极低的效率。

诸如传感器、手表、玩具、空调、电子灯开关、灯泡等越来越多的设备连接到互联网。这种趋势被称为物联网(IoT)或万物互联网(IOE)。预计到2020年底，将有超过500亿台设备接入互联网。这些设备中的许多设备将由电池或收集的能量供电，从而需要高的能量效率。

互联网的替代连接可使用14,000Hz-20,000Hz的范围内的声波。诸如手机和平板电脑等大多数智能设备已经支持这种频率范围。声学通信可以使用非常低的带宽，并因此根据功耗公式，比诸如蓝牙等电磁通信技术消耗更少的能量。为受益于声学通信系统所需的低带宽，需要高效率的扬声器。根据由Qin Zhou和A.Zettl发表在应用物理学快报(Applied Physics Letters,102,223109(2013))中的“静电石墨烯扬声器(ElectrostaticGraphene loudspeaker)”，可构建功率效率接近1的静电扬声器。

因此，广泛认识到需要能够克服上述限制且将高度有利的的扬声器。

发明内容

根据一个示例性实施例，提出了一种电容式扬声器和/或静电扬声器和/或用于电容式扬声器和/或静电扬声器的膜片以及/或者用于它们的方法，其中，静电扬声器的膜片包括多个导电部和在导电部之间进行隔离的至少一个绝缘部，并且其中，多个导电部中的每者能够电连接到不同的电压。

根据另一示例性实施例，导电部为圆形(circular)、辐射形、圆状形状(round)、环形、四边形和梯形中的至少一者。

根据另一示例性实施例，扬声器还包括位于膜片的第一侧的第一导电格栅和位于膜片的第二侧的第二导电格栅。

根据另一示例性实施例，多个导电部中的至少一个导电部的至少一个尺寸是根据该导电部与导电格栅中的至少一者之间的距离来确定的。

根据另一示例性实施例，多个导电部中的每者能够电连接到不同的偏置电压，并且偏置电压是根据该导电部与导电格栅中的至少一者之间的距离来确定的。

根据另一示例性实施例，电子电路可以包括用于将最大电压提供到膜片的第一导电部的第一偏置电阻以及用于每个其它的导电部的成对的偏置电阻器，成对的偏置电阻器电连接成电压分压器，以向每个其它的导电部提供合适的电压。

根据另一示例性实施例，电子电路包括成组的N个电阻器，N个电阻器串联连接成梯形电压分压器，其中，N为膜片的导电部的数量，其中，第一电阻器的第一端子电连接到电荷泵的输出端和多个导电部中的第一导电部，其中，第一电阻器的第二端子电连接到第二电阻器和多个导电部中的第二导电部，并且其中，电阻器电路结构对于所有N个电阻器是重复的。

根据另一示例性实施例，电子电路包括成组的N个电荷泵，其中，N为膜片的导电部的数量，其中，每个所述电荷泵连接到不同的导电部。

除非另有限定，否则此处所使用的所有技术和科学术语具有与相关领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本文中提供的材料、方法和示例仅是示例性的而不是限制性的。除了过程本身所必需的或固有的范围外，没有设定或默示在包括附图在内的本说明书中描述的方法和过程的步骤或阶段的特定顺序。在许多情况下，过程步骤的顺序可能在不改变所述方法的目的或效果的情况下变化。

附图说明

本文仅通过示例的方式参照附图来描述各种实施例。在目前详细地参照附图的情况下，应该强调的是，所示的细节仅作为示例并仅用于对实施例的说明性讨论，而且出于针对实施例的原理和概念方面提供被认为是最有用和容易理解的描述的目的而提出的。在这方面，在满足对主题的基本理解的情况下，没有尝试更详细地示出实施例的结构性细节，对于本领域的技术人员来说，使用附图进行的描述使本领域技术人员能够在实践中如何实施多种形式和结构。

在附图中：

图1A和图1B是两种示例性类型的静电扬声器的简化图示；

图1C和图1D是静电扬声器的两种操作状态的简化图示；

图2是具有驱动电路的电气示意图的静电扬声器的侧视图的简化图示；

图3是静电扬声器的膜片的俯视图的简化图示；

图4是具有图3的膜片的静电扬声器的侧视图的简化图示；

图5是具有驱动电路的电气示意图的图3和图4的静电扬声器的实施的简化图示；

图6是具有使用单个电荷泵的驱动电路的电气示意图的图5的静电扬声器的简化图示；以及

图7是具有使用单个电荷泵和梯形电压分压器(voltage ladder divider)的驱动电路的电气示意图的图5或图6的静电扬声器的简化图示。

具体实施方式

实施例中的发明包括用于基于电容的扬声器的系统和方法，并更具体地但不排他地涉及用于静电扬声器的膜片结构和/或偏置。参照下面的附图和所附说明，可以更好地理解根据本文所示的几个示例性实施例的设备和方法的原理和操作。

在详细地解释至少一个实施例之前，应当理解的是，这些实施例的应用并不限于在下面描述中阐述的或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。可以以各种方式实践或执行其他实施例。而且，应当理解的是，这里使用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应该被视为限制性的。

在本文中，在附图的范围内没有说明的并在之前附图中已经被标记数字加以说明的附图元件具有与之前附图中相同的用途和说明。类似地，在本文中由本文描述的附图中没有出现的数字标识的元件，具有与之前描述的附图中的元件有相同的用途和描述。

本文中的附图可能不是按照比例绘制的。不同的附图可以使用不同的比例，并且甚至可以在相同的附图中使用不同的比例，例如，对于相同对象的不同视图使用不同比例或对于两个相邻对象使用不同比例。

下面描述的实施例的目的是提供至少一种用于高功率、高效率的静电扬声器的系统和/或方法。然而，如本文所述的系统和/或方法可以在基于电容的扬声器的技术类似中具有其他实施例。

根据一个示例性实施例，现在介绍作为两种示例性类型的静电扬声器的简化图示的图1A和图1B，并介绍作为静电扬声器的两种操作状态的简化图示的图1C和图1D。

图1A示出具有偏置电路、信号驱动电路和正方形膜片的静电扬声器，而图1B示出具有偏置电路、信号驱动电路和圆状形状(round)膜片的静电扬声器。图1C示出当膜片处于静止位置(rest positioin)时具有偏置电路和信号驱动的静电扬声器的侧视图。图1D示出当膜片由于静电力而向下移动时具有偏置电路和信号驱动电路的静电扬声器的侧视图。图1C和/或图1D可以指代如图1A和/或图1B所示的任何静电扬声器。

如图1A和/或图1B所示，静电扬声器可以具有至少一个导电格栅或带孔导电金属层，并具有弹性的导电膜片。通常，如图1A和图1B所示，膜片可以布置在两个导电格栅之间。膜片可以通过其边缘进行固定。通过在膜片上施加高的正电压在膜片上注入恒定的电荷Q。然后，该电荷经由高电阻器被传输，使得在正常操作期间膜片上的电荷Q可以不变化。

如图1D所示，通过在一个或多个导电格栅上施加信号，可以在两个导电格栅之间建立电场，该电场产生了可以向上或向下拉动膜片的力。如果膜片在边缘处被固定，那么当膜片被拉向任一侧时，膜片可能具有抛物线形状。通过向上或向下拉动膜片，可产生声压波(acoustic pressure wave)，这些声压波可穿过导电格栅。术语‘上’和/或‘下’和/或‘上部’或‘下部’指的是如图1A、图1B、图1C和图1D中任一者所示的元件的位置。

根据一个示例性实施例，现在介绍图2，图2是具有驱动电路的电气示意图的静电扬声器的侧视图的简化图示。

作为选项，可以在前面附图的细节的背景下查看图2的图示和/或电气示意图。然而，当然，可以在任意期望环境的背景下查看图2的图示和/或电气示意图。此外，上述定义同等地适用于下面的描述。

如图2所示，V_speaker是膜片上的偏置电压。V_speaker受限于空气中的击穿电压。空气中的击穿电压为3,000,000伏特/米，并因此对于膜片和导电格栅之间的最小距离h₀，V_speaker被限制为使得A*S(t)的最大绝对值＝A*S_max，其中，S(t)是驱动静电扬声器的信号，并且S_max是|S(t)|的最大值。

换句话说，A*S_max+V_speaker<3000000×h₀或

公式1V_speaker<3000000h₀–AS_max

假设h₀＝50μm，则V_speaker受限于150-AS_max，并且对于AS_max＝10V，V_speaker被限制成140V。

通过根据膜片的特定部分与相应的导电格栅之间的最小距离将不同的偏置电压施加到膜片的不同部分，可以获得更强的声压信号。

根据一个示例性实施例，现在介绍图3，图3是静电扬声器的膜片的俯视图的简化图示。

作为选项，可以在前面附图的细节的背景下查看图3的膜片。然而，当然，可以在任意期望环境的背景下查看图3的膜片。此外，上述定义同等地适用于下面的描述。

如图3所示，膜片可以包括由绝缘材料隔开的多个区域或导电区域。例如，图4的膜片包括具有1个导电圆和3个导电环的形式的4个区域，3个隔离绝缘环位于这4个区域之间。应当理解，膜片可以具有不同的形状，并且可以被分割成任意数量的各种形状的区域。

根据一个示例性实施例，现在介绍图4，图4是具有图3的膜片的静电扬声器的侧视图的简化图示。

作为选项，可以在前面附图的细节的背景下查看图4的静电扬声器。然而，当然，可以在任意期望环境的背景下查看图4的静电扬声器。此外，上述定义同等地适用于下面的描述。

如图4所示，膜片弯曲是电场和V_speaker的函数。圆状形状的静电扬声器可以具有圆形(circular)区域，但不同的机械结构可具有不同形状的导电区域。

假设由公式2给出弯曲的形状：

公式2 y＝Ax²

对于初始距离h₀的三分之一，得到或者

现在，可以看出在这种情况下膜片上的总电荷Q为：

其中当驱动电路不存在输入信号时，项表示正常静电扬声器的实施的Q，且项表示从膜片到导电格栅测量的径向板静电扬声器的电容。空气击穿电压为B＝300万伏特/米。项表示由参考图3和图4所示和所述的膜片的使用引起的Q的增加。

因此，根据公式5，Q的理论增加为1.25。

根据由John Borwick发表、由焦点出版社(Focal Press)出版、由作为瑞德教育专业出版社(Reed Educational and Professional Publishing Ltd)的分公司的Butterworth-Heinemann公司(Linacre House,Jordan Hill,Oxford 0X2 8DP,225Wildwood Avenue,Woburn,MA 01801-2041)承印的“扬声器和耳机手册(Loudspeakerand headphone handbook)”的第110页的公式3.2，膜片上出现的力由公式6表示：

其中，是使用图1A至1D的符号和标记的力，因此，如公式7所给出，图3和图4的静电扬声器可以提供力或声压的大约2dB的增加：

公式7 20log₁₀(1.25)＝1.9328dB

根据一个示例性实施例，现在介绍图5，图5是具有驱动电路的电气示意图的图3和图4的静电扬声器的实施的简化图示。

作为选项，可以在前面附图的细节的背景下查看图5的图示和电气示意图。然而，当然，可以在任意期望环境的背景下查看图5的图示和电气示意图。此外，上述定义同等地适用于下面的描述。

如图5所示，每个导电环(在该示例中所示的4个环)可接收不同的V_speaker电压。电信号+AS(t)和-AS(t)可产生可使膜片向上或向下移动的力。

每个环可以接收根据纳入有该环相对于上部和下部导电格栅的距离的公式1的几乎最大的电压。

为了产生不同的V_speaker电压，如图4所示的实施可以使用DC-DC电荷泵(这些电荷泵具有高效率并且能够在芯片上简单实现)。增加另一个DC-DC电荷泵来产生信号驱动放大器所需的负电压VEE。信号驱动放大器可以在V_dc＝0附件工作，并且可以产生正电压和负电压。因此，需要负VEE和正VCC电压作为驱动放大器+A和–A的电源电压。

如参照图1A至1D所示和所述，驱动放大器直接连接到上部和下部导电格栅。

通过使用高电阻的偏置电阻器RB，膜片环可消耗很少的功率。然后，可以仅使用一个电荷泵(而不是4个)，该电荷泵可以根据最高的所需电压来设计，并然后可以使用电阻器作为用于所需的较低电压的电压分压器。

根据一个示例性实施例，现在介绍图6，图6是具有使用单个电荷泵的驱动电路的电气示意图的图5的静电扬声器的简化图示。

作为选项，可以在前面附图的细节的背景下查看图6的静电扬声器和驱动电路。然而，当然，可以在任意期望环境的背景下查看图6的静电扬声器和驱动电路。此外，上述定义同等地适用于下面的描述。

如图6所示，单个DC-DC电荷泵可以用于产生较低电压V_spk4<V_spk3<V_spk2<V_spkl。较高电压V_spkl可以被施加到膜片的外部导电环。电阻分压器对RB2和RA2可以生成V_spk2，使得V_spkl*RA2/(RA2+RB2)＝V_spk2。然后，V_spk2可以被施加到第一(内部)导电弹性环(如图3所定义)。类似地，电阻器RB3和RA3可以生成V_spk3，使得V_spkl*RA3/(RA3+RB3)＝V_spk3。然后，V_spk3可以被施加到第二(内部)导电弹性环(如图3所定义)。最后，电阻器RB4和RA4可以生成V_spk4，使得V_spkl*RA4/(RA4+RB4)＝V_spk4。然后，V_spk4被施加到内部导电弹性圆(如图3所定义)。

根据一个示例性实施例，现在介绍图7，图7是具有使用单个电荷泵和梯形电压分压器的驱动电路的电气示意图的图5或图6的静电扬声器的简化图示。

作为选项，可以在前面附图的细节的背景下查看图7的静电扬声器和驱动电路。然而，当然，可以在任意期望环境的背景下查看图7的静电扬声器和驱动电路。此外，上述定义同等地适用于下面的描述。

如图7所示，为了从V_spkl中生成V_spk4<V_spk3<V_spk2<V_spkl，使用梯形分压器。梯形分压器可包括4个电阻器RB1、RB2、RB3和RB4，使得：

V_spk2＝V_spkl*(RB2+RB3+RB4)/(RB1+RB2+RB3+RB4)，

V_spk3＝V_spkl*(RB3+RB4)/(RBl+RB2+RB3+RB4)，以及

V_spk4＝V_spkl*(RB4)/(RBl+RB2+RB3+RB4)。

电阻器RB1、RB2、RB3和RB4可以在l00M欧姆至500M欧姆的范围内。在这种情况下，即使使用150V的V_spkl，电阻网络的电流消耗仍可不存在问题。

图5、图6和图7描述了用于产生静电扬声器的膜片的导电区域所需的偏置电压的三种方法。应当理解，可以使用产生这些偏置电压的其他方式，例如，使用开关调节器(switching regulator)。

应当理解，尽管图3、图4、图5、图6和图7讨论了圆状形状的静电扬声器和/或圆状形状的膜片，但是还可以使用其他的扬声器形状和/或膜片形状，例如，正方形的扬声器和/或膜片以及多线式(multi-line)的扬声器和/或膜片。

应当理解，尽管根据高度区域来定义本说明书中的导电区域，但是应当理解的是，导电区域和/或区域也可以使用其他标准。术语“高度”可以指该区域与至少一个导电格栅之间的距离。特别地，术语“高度”可以指该区域与至少一个导电格栅之间的最小距离。术语“相等高度”可以指该区域与至少一个导电格栅之间的代表性距离。该距离可以是该区域与至少一个导电格栅之间的最小距离。

应当理解，为清楚起见在单独实施例的背景下描述的某些特征也可以组合地提供在单个实施例中。相反，为了简洁起见在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以单独地提供或提供在任何合适的子组合中。

虽然上面已经结合其具体实施方案进行了描述，但是很明显，许多替代方案、修改和变更对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，本申请旨在包含落在所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这样的替代方案、修改和变化。本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本说明书中，在同样程度上，如果每一个单独的出版物、专利或专利申请均被具体地和单独地指明通过引用并入本文。此外，本申请中引用或识别的任何参考文献，不应被解释为承认此类参考可作为现有技术获得。

Claims (16)

1.一种用于静电扬声器的膜片，其包括：

多个导电部；以及

至少一个绝缘部，所述绝缘部在所述导电部之间进行隔离，

其中，所述多个导电部中的每者能够电连接到不同的电压。

2.如权利要求1所述的膜片，其中，所述导电部为圆形、辐射形、圆状形状、环形、四边形、正方形和梯形中的至少一者。

3.如权利要求1所述的膜片，其还包括：

第一导电格栅，所述第一导电格栅位于所述膜片的第一侧；以及

第二导电格栅，所述第二导电格栅位于所述膜片的第二侧。

4.如权利要求3所述的膜片，其中，所述多个导电部中的至少一个导电部的一个尺寸是根据该导电部与所述导电格栅中的至少一者之间的距离来确定的。

5.如权利要求3所述的膜片，其中，所述多个导电部中的每者能够电连接到不同的偏置电压，并且其中，所述偏置电压是根据该导电部与所述导电格栅中的至少一者的距离来确定的。

6.如权利要求1所述的膜片，其还包括：

第一偏置电阻器，所述第一偏置电阻器用于向第一导电部提供最大电压，并且

用于每个其它的导电部的成对的偏置电阻器，所述成对的偏置电阻器电连接成电压分压器，以向每个所述其它的导电部提供合适的电压。

7.如权利要求1所述的膜片，其还包括：

成组的N个电阻器，所述N个电阻器串联连接成电压分压器梯形结构，其中，N为导电部的数量；

其中，第一电阻器的第一端子电连接到电荷泵的输出端和所述多个导电部中的第一导电部；

其中，所述第一电阻器的第二端子电连接到第二电阻器和所述多个导电部中的第二导电部；并且

其中，所述电压分压器梯形结构的所有其它的电阻器和相应的所述导电部的电连接是重复的依照所述第一电阻器和所述第一导电部的电连接。

8.如权利要求1所述的膜片，其还包括：

成组的N个电荷泵，其中，N为导电部的数量；

其中，每个所述电荷泵连接到不同的导电部。

9.一种使用静电扬声器产生声学信号的方法，所述方法包括：

提供所述静电扬声器的膜片，所述膜片包括多个导电部和至少一个绝缘部，所述绝缘部在所述导电部之间进行隔离；且

将不同的偏置电压提供到所述多个导电部中的每者。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述导电部被设置为圆形、辐射形、圆状形状、环形、四边形、正方形和梯形中的至少一者。

11.如权利要求9所述的方法，其还包括：

提供第一导电格栅，所述第一导电格栅位于所述膜片的第一侧；且

提供第二导电格栅，所述第二导电格栅位于所述膜片的第二侧。

12.如权利要求11所述的方法，其还包括：

使被确定的所述多个导电部中的至少一个导电部的至少一个尺寸适配于该导电部与所述导电格栅中的至少一者之间的距离。

13.如权利要求11所述的方法，其还包括：

将所述多个导电部中的每者连接到不同的偏置电压；且

根据该导电部与所述导电格栅中的至少一者之间的距离使被确定的所述偏置电压适配。

14.如权利要求9所述的方法，其还包括：

提供第一偏置电阻器，所述第一偏置电阻器用于向第一导电部提供最大电压；且

为每个其它的导电部提供成对的偏置电阻器，所述成对的偏置电阻器电连接成电压分压器，以向每个所述其它的导电区域提供合适的电压。

15.如权利要求9所述的方法，其还包括：

提供成组的N个电阻器，所述N个电阻器串联连接成电压分压器梯形结构，其中，N为导电部的数量；

将第一电阻器的第一端子连接到电荷泵的输出端和所述多个导电部中的第一导电部；

将所述第一电阻器的第二端子连接到第二电阻器和所述多个导电部中的第二导电部；且

重复依照所述第一电阻器和所述第一导电部的电连接，以用于所述电压分压器梯形结构的所有其它的电阻器和相应的所述导电部。

16.如权利要求9所述的方法，其还包括：

提供成组的N个电荷泵，其中，N为导电部的数量；且

将所述电荷泵中的每者连接到不同的导电部。