CN109756832B - 空气脉冲产生元件及发声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空气脉冲产生元件及发声装置，设置于一发声装置，包括一振膜，设置于一音腔；以及多个阀，沿着所述音腔内的所述振膜设置，用来根据多个阀控制信号，封闭所述音腔的多个开口；其中，所述振膜及所述多个阀皆制造于一第一层。在本发明提供的空气脉冲产生元件及发声装置中，阀与振膜制造于同一层上，其可降低生产成本及产量损失率。

Description

空气脉冲产生元件及发声装置
技术领域
本发明是指一种空气脉冲产生元件及发声装置，尤指一种生产制造复杂度低及产量损失率(yield loss rate)低的空气脉冲产生元件及发声装置。
背景技术
扬声器驱动器和音箱是扬声器产业的两大设计挑战。对传统扬声器来说，单一扬声器难以涵盖所有的音频(从20Hz至20KHz)，因一振膜位移D与频率平方成反比(即D∝1/f2)。另一方面，传统音箱需要足够大的体积/尺寸，才能达到高音质。
为了解决上述技术问题，申请人于美国专利16/125,761提出一种空气脉冲产生元件(air pulse generating element)以及一种发声装置(sound producing device)，其可藉由以一脉冲率发出多个空气脉冲进而发出声音，其中脉冲率高于一最高音频，而该多个空气脉冲可视为将一输入音频信号经过振幅调变(amplitude modulated)而得。由于外在环境以及人耳构造可形成的低通滤波效果，人耳可听见对应于该输入音频信号的乐音。美国专利16/125,761中的发声装置可涵盖所有的音频，而音箱的体积/尺寸可大幅减少。
然而，于美国专利16/125,761中的空气脉冲产生元件在生产制造上较为复杂，因其需要3层来生产制造多个阀及其振膜，而带来较高的低产量损失率(yield loss rate)。具体来说，图1为美国专利16/125,761中一空气脉冲产生元件10的剖面图。空气脉冲产生元件10包括阀101-104、一振膜105、一前面板106以及一后面板107。振膜105将一音腔108分割成一前子音腔108_f及一后子音腔108_b。空气脉冲产生元件10为一微机电(Micro-Electrical Mechanical System，MEMS)装置。阀101及103制造于一第一层Layer 1，振膜105制造于一第三层Layer 3，阀102及104制造于一第五层Layer 5。阀101-104及振膜105因分别制造于第一、三、五层，而需要较高的晶圆成本。另外，第一、三、五层中单一层的产量损失(yield loss)会导致整个空气脉冲产生元件10失效。因此，分3层制造的空气脉冲产生元件10具有较高的产量损失率(yield loss rate)。
因此，如何降低空气脉冲产生元件的生产复杂度为本领域欲解决的课题。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种生产制造复杂度低及产量损失率(yieldloss rate)低的空气脉冲产生元件及发声装置。
本发明实施例揭露一种空气脉冲产生元件设置于一发声装置。空气脉冲产生元件包括一振膜，设置于一音腔；以及多个阀，沿着所述音腔内的所述振膜设置，用来根据多个阀控制信号，封闭所述音腔的多个开口；其中，所述振膜及所述多个阀皆制造(fabricated)于一第一层。
本发明实施例另揭露一种发声装置，包括多个空气脉冲产生元件，其中一空气脉冲产生元件包括一振膜，设置于一音腔；以及多个阀，沿着所述音腔内的所述振膜设置，用来根据多个阀控制信号，封闭所述音腔的多个开口；其中，所述振膜及所述多个阀皆制造于一第一层；以及一控制单元，用来产生所述多个阀控制信号。
在本发明提供的空气脉冲产生元件及发声装置中，阀与振膜制造于同一层上，其可降低生产成本及产量损失率。
附图说明
图1为现有一空气脉冲产生元件的示意图。
图2为本发明实施例一空气脉冲产生元件的上视图。
图3为图2空气脉冲产生元件的第一剖面图。
图4为图2空气脉冲产生元件的第二剖面图。
图5为本发明实施例阀控制信号及一振膜驱动电压的时序图。
图6为本发明实施例一空气脉冲产生元件的上视图。
图7为图6空气脉冲产生元件的第一剖面图。
图8为图6空气脉冲产生元件的第二剖面图。
图9为本发明实施例一振膜致动器的示意图。
图10为本发明实施例一阀的示意图。
图11为本发明实施例一发声装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
Figure BDA0001853791590000031
具体实施方式
图2为本发明实施例一空气脉冲产生元件20的上视图，图3为空气脉冲产生元件20沿着图2中一A-A’线的剖面图，图4为空气脉冲产生元件20沿着图2中一B-B’线的剖面图。空气脉冲产生元件20包括阀(valve)201-204、一振膜(membrane)205、一前面板206以及一后面板207。阀201-204分别沿着一音腔(chamber)208内的振膜205的四个侧边s1-s4设置，振膜205将音腔208分割成一前子音腔208_f及一后子音腔208_b。阀201-204可分别由多个阀控制信号所控制。空气脉冲产生元件20为一微机电(Micro-Electrical MechanicalSystem，MEMS)装置。于图2-图4所示的实施例中，前面板206设置于一第一层Layer 1；阀201-204及振膜205皆制造(fabricated)且设置于一第三层Layer 3；后面板207设置于一第五层Layer 5；支撑元件223、224制造且设置于一第二层Layer 2；支撑元件221、222制造且设置于一第四层Layer 4。
开口211及213形成于前面板206，开口212及214形成于后面板207。于一实施例中，阀201受控于一阀控制信号G而向上运动以封闭开口211，阀202受控于一阀控制信号H而向下运动以封闭开口212，阀203受控于阀控制信号H而向上运动以封闭开口211，阀204受控于阀控制信号G而向下运动以封闭开口214。
于前述实施例中，阀控制信号G、H用来控制阀201-204，以进行一开启或关闭动作。当阀控制信号G控制阀201、204为开启时(记为“G＝1”)，开口211、214并未封闭而空气可流经开口211、214；当阀控制信号G控制阀201、204为关闭时(记为“G＝0”)，开口211、214已封闭而空气无法流经开口211、214；当阀控制信号H控制阀202，203为开启时(记为“H＝1”)，开口212、213并未封闭而空气可流经开口212、213；当阀控制信号H控制阀202，203为关闭时(记为“H＝0”)，开口212、213已封闭而空气无法流经开口212、213。
另外，振膜205受控于一振膜驱动电压VMBN以向上运动(即由后往前)或是向下运动(即由前往后)。换句话说，阀控制信号G、H用来控制阀201-204以进行开启或关闭动作，而振膜驱动电压VMBN用来驱动振膜以进行一向上或向下运动。当振膜205向上运动时，前子音腔208_f的一瞬时前气压(instantaneous front air pressure)增加而后子音腔208_b的一瞬时后气压(instantaneous back air pressure)减少；当振膜205向下运动时，前子音腔208_f的瞬时前气压减少而后子音腔208_b的瞬时后气压而增加。
图5为本发明实施例阀控制信号G、H及一振膜驱动电压VMBN的时序图。于图5中，于阀控制信号G、H的时序图的六边形代表其对应的阀为开启(即G＝1或H＝1)，于阀控制信号G、H的时序图的直线代表其对应的阀为关闭(即G＝0或H＝0)。阀控制信号G、H与振膜驱动电压VMBN彼此相互同步(mutually synchronized)。
脉冲周期114a的起始状态为G＝1且H＝0。若于脉冲周期114a中振膜驱动电压VMBN驱动振膜205向上运动(即由后往前)，空气由前子音腔208_f通过开口211被推至(pushed)一前方环境，同时空气由一后方环境通过开口214被拉进(pulled)后子音腔208_b，因此(于一由后往前方向上)产生一正向空气脉冲；若于脉冲周期114a中振膜驱动电压VMBN驱动振膜205向下运动(即由前往后)，空气由前方环境通过开口211被拉进前子音腔208_f，同时空气由后子音腔208_b通过开口214被推至后方环境，因此(于一由前往后方向上)产生一负向空气脉冲。
换句话说，于起始状态为G＝1且H＝0(即阀201、204为开启且阀202、203为关闭)的脉冲周期114a中，对应于振膜205的振膜运动方向与空气脉冲方向大致相同。
脉冲周期114b的起始状态为G＝0且H＝1。若于脉冲周期114b中振膜驱动电压VMBN驱动振膜205向上运动，空气由前子音腔208_f通过开口212被推至后方环境，同时空气由前方环境通过开口213被拉进后子音腔208_b，因此产生一负向空气脉冲；若于脉冲周期114b中振膜驱动电压VMBN驱动振膜205向下运动，空气由后方环境通过开口212被拉进前子音腔208_f，同时空气由后子音腔208_b通过开口213被推至前方环境，因此产生一正向空气脉冲。
换句话说，于起始状态为G＝0且H＝1(即阀201、204为关闭且阀202、203为开启)的脉冲周期114b中，对应于振膜205的振膜运动方向与空气脉冲方向大致相反。
空气脉冲产生元件20的运作(空气脉冲方向)列举于表I。
表I
Figure BDA0001853791590000051
另外，于脉冲周期114a或114b中，若振膜驱动电压VMBN为定值而振膜205维持静止而不向上运动或向下运动，此时产生一零脉冲(null pulse)。
需注意的是，前子音腔208_f内的气流方向是顺着(阀201与阀202之间的)A-A’方向，后子音腔208_b内的气流方向是顺着(阀203与阀204之间的)B-B’方向。
因此，空气脉冲产生元件20可与空气脉冲产生元件10(其揭示于美国专利16/125,761)具有相同功能。类似于空气脉冲产生元件10，空气脉冲产生元件20可根据阀控制信号G、H及振膜驱动电压VMBN以一脉冲率产生多个空气脉冲，其中所述多个空气脉冲的所述脉冲率高于一最高音频。不同于空气脉冲产生元件10，阀201-204与振膜205之间为共平面(coplanar)，也就是说，阀201-204及振膜205皆设置且制造于同一层，可降低生产成本以及提升良率(yield rate)。
图6为本发明实施例一空气脉冲产生元件60的上视图，图7为空气脉冲产生元件60沿着图6中一C-O线及一O’-C’线的剖面图，图8为空气脉冲产生元件60沿着图6中一D-P线及一P’-D’线的剖面图。沿C-O线的剖面图绘示于图7的左半部，沿O’-C’线的剖面图绘示于图7的右半部；沿D-P线的剖面图绘示于图8的右半部，沿P’-D’线的剖面图绘示于图8的左半部。空气脉冲产生元件60亦为一MEMS装置。
类似于空气脉冲产生元件20，空气脉冲产生元件60包括阀601-604、一振膜605、一前面板606以及一后面板607。振膜605将音腔608分割成一前子音腔608_f及一后子音腔608_b。于图6-图8所示的实施例中，前面板606设置于第一层Layer 1；阀601-604及振膜605皆制造且设置于第三层Layer 3；后面板607设置于第五层Layer5；支撑元件623，624制造且设置第二层Layer 2；支撑元件621，622制造且设置第四层Layer 4。开口611及613形成于前面板606；开口612及614形成于后面板607。阀601及604受控于阀控制信号G以分别封闭开口611及614；阀602及603受控于阀控制信号H以分别封闭开口612及613。
若于脉冲周期114a(其起始状态为G＝1且H＝0)中振膜605被驱动至向上运动，空气由前子音腔608_f通过开口611被推至一前方环境，同时空气由一后方环境通过开口614被拉进后子音腔608_b，因此产生一正向空气脉冲；若于脉冲周期114a(其起始状态为G＝1且H＝0)中振膜605被驱动至向下运动，空气由前方环境通过开口611被拉进前子音腔608_f，同时空气由后子音腔608_b通过开口614被推至后方环境，因此产生一负向空气脉冲。
若于脉冲周期114b(其起始状态为G＝0且H＝1)中振膜605被驱动至向上运动，空气由前子音腔608_f通过开口612被推至后方环境，同时空气由前方环境通过开口613被拉进后子音腔608_b，因此产生一负向空气脉冲；若于脉冲周期114b(其起始状态为G＝0且H＝1)中振膜605被驱动至向下运动，空气由后方环境通过开口612被拉进前子音腔608_f，同时空气由后子音腔608_b通过开口613被推至前方环境，因此产生一正向空气脉冲。
前子音腔608_f内的气流方向是顺着阀601与阀602之间的方向，后子音腔608_b内的气流方向是顺着阀603与阀604之间的方向。
不同于空气脉冲产生元件20，阀601、604设置于振膜605的一侧边s1’，阀602、603设置于振膜605的一侧边s2’。
需注意的是，如图2所示，空气脉冲产生元件20的四个角落区域为闲置的。相较于空气脉冲产生元件20，空气脉冲产生元件60因不具有闲置区域于其四个角落，而具有较佳的面积使用率。另外，振膜605的振膜面积相对于空气脉冲产生元件60的全部面积的一比例较高，也就是说，在空气脉冲产生元件60与空气脉冲产生元件20具有相同面积的情况下，振膜605的振膜面积可大于振膜205的振膜面积。
然而，相较于空气脉冲产生元件60，气流于前子音腔208_f及后子音腔208_b中更为顺畅，因此，空气脉冲产生元件20较空气脉冲产生元件60损耗较少的能量或热损失(heatloss)，而具有较佳的能量效益(energy efficiency)。
于一实施例中，阀201-204、601-604以及振膜205、605的材质可为单晶硅(singlecrystal silicon)。阀201-204以及振膜205可制造于同一单晶硅层(如图2中所示的第三层Layer 3)，阀601-604以及振膜605亦然。阀201-204以及振膜205可利用SOI晶圆(SOI(silicon on insulator)wafer)制成，阀601-604以及振膜605亦然。
另外，本发明的空气脉冲产生元件可包括一振膜致动器(membrane actuator)，其设置于振膜上。如图9所示，振膜致动器900设置于一振膜905上，振膜905可为振膜205或振膜605。振膜致动器900可接收振膜驱动电压VMBN，当振膜驱动电压VMBN施加于振膜致动器900时，振膜致动器900可产生形变而向上弯曲或向下弯曲，而带动振膜905向上弯曲或向下弯曲。振膜致动器900可被一压电力、一静电力、一电磁力或一电热力所驱动，而不限于此。
例如，振膜致动器900可为一压电致动器，其包括一压电层，压电层夹设于两个电极之间，而驱动电压VMBN施加在两个电极间。压电层可由但不限于以锆钛酸铅(leadzirconate titanate,PZT)或钪掺杂氮化铝(scandium doped aluminum nitride,AlScN)所制。PZT(特别是epi-PZT)因其具有高ε31值而可为较佳的压电材料。另一方面，AlScN具有对称的双极驱动特性，其可简化空气脉冲产生元件的设计。
例如，振膜致动器900可为一电磁致动器，其包括线圈，电流于电磁致动器900中可由一特定方向流动(如B-B’方向)，而磁场可施加于另一特定方向(如A-A’方向)，因此可生成一洛伦兹力(Lorentz force)而振膜905可被带动至向上运动或向下运动。
另外，本发明的空气脉冲产生元件可包括一阀致动器。图10为本发明实施例一阀A0的示意图。阀A0可为阀201-204、601-604的一种实现方式。阀A0包括一悬臂(cantilever)结构A2以及一封盖(cap)结构A4，阀致动器A6设置于悬臂结构A2之上。阀致动器A6接收阀控制信号，阀控制信号可为阀控制信号G或H。当阀控制信号施加于阀致动器A6时，封盖结构A4被带动以至于向上(或向下)运动，以封闭对应于阀A0的一开口。阀致动器A6亦可为一压电致动器(piezoelectric actuator)、一静电致动器(electrostatic actuator)、一电磁致动器(electromagnetic actuator)或一电热致动器(electrothermal actuator)。阀致动器A6的运作原理与阀致动器900相同，于此不再赘述。另外，为了方便说明，结构A2示例性地为一悬臂式结构(即一端固定另端自由式(clamped-free type))，而不限于此。全固定式(Clamped-clamped type)、全自由式(free-free type)或其组合结构皆可应用于本发明，而属于本发明的范畴。
空气脉冲产生元件20/60可应用/设置于一发声装置。图11为本发明实施例一发声装置(sound producing device)B0的示意图。发声装置B0包括多个空气脉冲产生元件B4以及一控制单元B2，多个空气脉冲产生元件B4可分组成为标示为P0、P1、P2、F1-F5的空气脉冲产生群组。控制单元B2用来产生阀控制信号G、H以及振膜驱动电压VMBN。关于发声装置B0的细节，可参考美国专利16/125,761，于此不再赘述。
综上所述，于本发明的空气脉冲产生元件中，阀与振膜为共平面，或制造于同一层上，其可降低生产成本及产量损失率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种空气脉冲产生元件，设置于一发声装置，其特征在于，包括：
一振膜，设置于一音腔；以及
多个阀，沿着所述音腔内的所述振膜设置，用来根据多个阀控制信号，封闭所述音腔的多个开口，其中所述多个阀包括：
一第一阀，用来根据一第一阀控制信号封闭所述音腔的一第一开口，其中所述第一开口形成于所述空气脉冲产生元件的一第一面板，所述第一面板设置于一第二层；
一第二阀，用来根据一第二阀控制信号封闭所述音腔的一第二开口，其中所述第二开口形成于所述空气脉冲产生元件的一第二面板，所述第二面板设置于一第三层；
一第三阀，用来根据一第三阀控制信号封闭所述音腔的一第三开口，其中所述第三开口形成于所述第一面板；以及
一第四阀，用来根据一第四阀控制信号封闭所述音腔的一第四开口，其中所述第四开口形成于所述空气脉冲产生元件的所述第二面板；
其中，所述振膜及所述多个阀共平面且皆制造而设置于一第一层。
2.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，
所述第一阀设置于所述振膜的一第一侧边；
所述第二阀设置于所述振膜的一第二侧边；
所述第三阀设置于所述振膜的一第三侧边；以及
所述第四阀设置于所述振膜的一第四侧边。
3.如权利要求2所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，所述第一侧边相对于所述第二侧边，所述第三侧边相对于所述第四侧边。
4.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，
所述第一阀及所述第四阀设置于所述振膜的一第一侧边；以及
所述第二阀及所述第三阀设置于所述振膜的一第二侧边。
5.如权利要求4所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，所述第一侧边相对于所述第二侧边。
6.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，
所述振膜将所述音腔分割成一第一子音腔及一第二子音腔；
于所述第一子音腔的一第一气流方向是于所述第一阀与所述第二阀之间；以及
于所述第二子音腔的一第二气流方向是于所述第三阀与所述第四阀之间。
7.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，所述第三阀控制信号等于所述第二阀控制信号，所述第四阀控制信号等于所述第一阀控制信号。
8.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，于一脉冲周期之间，当所述振膜被驱动而往一第一方向移动时，产生朝向一第一空气脉冲方向的一脉冲，该脉冲周期的起始状态为所述第一阀及所述第四阀为开启且所述第二阀及所述第三阀为关闭，所述第一空气脉冲方向与所述第一方向相同。
9.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，于一脉冲周期之间，当所述振膜被驱动而往一第二方向移动时，产生朝向一第二空气脉冲方向的一脉冲，该脉冲周期的起始状态为所述第一阀及所述第四阀为关闭且所述第二阀及所述第三阀为开启，所述第二空气脉冲方向与所述第二方向相反。
10.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，还包括：
一振膜致动器，设置于所述振膜之上；以及
多个阀致动器，设置于所述多个阀之上；
其中，所述振膜致动器为一压电力、一静电力、一电磁力或一电热力所驱动；
其中，所述多个阀致动器为一压电力、一静电力、一电磁力或一电热力所驱动。
11.如权利要求1所述的空气脉冲产生元件，其特征在于，所述空气脉冲产生元件根据多个阀控制信号以一脉冲率产生多个空气脉冲，所述多个空气脉冲的所述脉冲率高于一最高音频。
12.一种发声装置，其特征在于，包括：
多个空气脉冲产生元件，其中一空气脉冲产生元件包括：
一振膜，设置于一音腔；以及
多个阀，沿着所述音腔内的所述振膜设置，用来根据多个阀控制信号，封闭所述音腔的多个开口，其中所述多个阀包括：
一第一阀，用来根据一第一阀控制信号，封闭所述音腔的一第一开口，其中所述第一开口形成于所述空气脉冲产生元件的一第一面板，所述第一面板设置于一第二层；
一第二阀，用来根据一第二阀控制信号，封闭所述音腔的一第二开口，其中所述第二开口形成于所述空气脉冲产生元件的一第二面板，所述第二面板设置于一第三层；
一第三阀，用来根据所述第二阀控制信号，封闭所述音腔的一第三开口，
其中所述第三开口形成于所述空气脉冲产生元件的所述第一面板；以及
一第四阀，用来根据所述第一阀控制信号，封闭所述音腔的一第四开口，
其中所述第四开口形成于所述空气脉冲产生元件的所述第二面板；
其中，所述振膜及所述多个阀共平面且皆制造而设置于一第一层；以及
一控制单元，用来产生所述多个阀控制信号。
13.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，
所述第一阀设置于所述振膜的一第一侧边；
所述第二阀设置于所述振膜的一第二侧边；
所述第三阀设置于所述振膜的一第三侧边；以及
所述第四阀设置于所述振膜的一第四侧边。
14.如权利要求13所述的发声装置，其特征在于，所述第一侧边相对于所述第二侧边，所述第三侧边相对于所述第四侧边。
15.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，
所述第一阀及所述第四阀设置于所述振膜的一第一侧边；以及
所述第二阀及所述第三阀设置于所述振膜的一第二侧边。
16.如权利要求15所述的发声装置，其特征在于，所述第一侧边相对于所述第二侧边。
17.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，
所述振膜将所述音腔分割成一第一子音腔及一第二子音腔；
于所述第一子音腔的一第一气流方向是于所述第一阀与所述第二阀之间；以及
于所述第二子音腔的一第二气流方向是于所述第三阀与所述第四阀之间。
18.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述空气脉冲产生元件根据多个阀控制信号以一脉冲率产生多个空气脉冲，所述多个空气脉冲的所述脉冲率高于一最高音频。
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