CN110572756A - 定向薄膜换能器及其制备方法、扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定向薄膜换能器及其制备方法、扬声器，属于薄膜换能器技术领域。本发明的一种定向薄膜换能器，包括：基底、设置在所述基底上的振元单元；所述振元单元包括：第一电极、第二电极和设置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电膜层；设置于所述振元单元背离所述基底一侧的绝缘层，所述绝缘层具有与所述振元单元对应设置的空腔，所述空腔贯穿所述绝缘层。

Description

定向薄膜换能器及其制备方法、扬声器

技术领域

本发明属于换能器技术领域，具体涉及一种定向薄膜换能器及其制备方法、扬声器。

背景技术

传统的扬声器由于声波向各个方向传播，其声场近似球场分布，声波传播的指向性较差，容易引起隐私泄漏和噪音污染等问题。

薄膜定向扬声器借助超声波在空气中传播的高指向性的特点解决了传统扬声器的不足，同时，定向薄膜扬声器又可以广泛的应用在手机等移动多媒体设备上。

薄膜定向扬声器主要由调制器、放大器和定向换能器三部分组成。定向换能器借助压电材料的逆压电效应，当其接收到电信号时，可以将电信号转换为机械能引起压电材料的震动从而产生超声波，并通过空腔传播。

现有技术中，通过刻蚀工艺在玻璃上刻蚀形成空腔，在基底上形成振元单元，并通过将形成有振元单元的基底与形成有空腔的玻璃进行贴合来制备形成定向薄膜换能器。

发明人发现现有技术存在以下问题：振元单元所产生的机械波在向空腔传播过程中穿透的膜层数较多，能量损耗较大。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种声波能量损耗较小的定向薄膜换能器。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种定向薄膜换能器，包括：基底、设置在所述基底上的振元单元；所述振元单元包括：第一电极、第二电极和设置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电膜层；

设置于所述振元单元背离所述基底一侧的绝缘层，所述绝缘层具有与所述振元单元对应设置的空腔，所述空腔贯穿所述绝缘层。

优选的，所述绝缘层包括柔性绝缘层。

进一步优选的，所述柔性绝缘层的材料包括聚酰亚胺。

优选的，所述基底包括柔性基底。

优选的，定向薄膜换能器还包括：声波反射层，其设置于所述振元单元与所述基底之间，用于反射所述振元单元产生的声波。

优选的，所述振元单元还包括：设置于所述压电膜层靠近所述基底一侧的绝缘保护层。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种定向薄膜换能器的制备方法，用于制备上述任意一种所述定向薄膜换能器，所述制备方法包括：

提供基底；

在基底上形成振元单元，所述振元单元包括：第一电极、第二电极和设置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电膜层；

在形成有所述振元单元的基底上形成绝缘层，所述绝缘层具有与所述振元单元对应设置的空腔，所述空腔贯穿所述绝缘层。

优选的，所述在形成有所述振元单元的基底上形成绝缘层的步骤包括：

通过涂覆工艺在形成有所述振元单元的基底上形成绝缘材料层；

通过刻蚀工艺对所述绝缘材料层的对应所述振元单元的位置进行刻蚀，以形成所述空腔。

优选的，所述基底的材料包括柔性绝缘材料；

所述提供基底的步骤包括：

在衬底基板上形成柔性绝缘材料，并通过固化工艺使所述柔性绝缘材料固化形成基底；

所述制备方法还包括：将形成有所述空腔的所述基底从所述衬底基板上剥离。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种扬声器，包括上述任意一种定向薄膜换能器。

附图说明

图1为本发明的实施例的定向薄膜换能器的结构示意图；

其中附图标记为：1、基底；21、第一电极；22、第二电极；23、压电膜层；24、绝缘保护层；3、绝缘层；31、空腔；4、信号线。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

现有技术中的定向薄膜换能器中，通过刻蚀工艺在玻璃上刻蚀形成空腔31，在基底1上形成振元单元，并通过将形成有振元单元的基底1与形成有空腔31的玻璃进行贴合来制备形成定向压电换能器。

如图1所示，本实施例提供一种定向薄膜换能器，包括：基底1、设置在基底1上的振元单元和绝缘层3，其中，振元单元包括：第一电极21、第二电极22和设置于第一电极21与第二电极22之间的压电膜层23。绝缘层3设置于振元单元背离基底1一侧，绝缘层3具有与振元单元对应设置的空腔31，空腔31贯穿绝缘层3。

本实施例提供的定向薄膜换能器中，通过分别对第一电极21和第二电极22施加电信号，使压电膜层23在电信号的激励下产生振动波，该振动波通过空腔31进行传播。

根据非线性声学理论，当两列平面波在不均匀介质中传播时，两者会发生交互作用，并产生出差频、和频和二次谐波。将两频率分别为f1和f2的电信号施加到超声换能器上，使其产生机械振动，在空气中产生出两列频率分别为f1、f2的超声波，两列波在传播过程中受空气非线性交互作用影响，产生出频率为f1、f2、f1+f2、f1-f2、2f1、2f2等多次声波，由于空气声衰减系数ɑ与频率的平方成正比，随着传播距离的增加，频率较高的超声波信号f1、f2、f1+f2、2f1、2f2很快被空气吸收而衰减完毕，剩下的频率较低的差频信号f1-f2在空气中继续传播。因此，通过合理选择f1、f2，可使差频信号f1-f2处于可听声频率范围内，从而可利用超声波的高指向特性及其非线性传播效应产生出高指向性的可听声波。也就是说，本实施例中，通过向定向薄膜换能器的第一电极21和第二电极22施加相应的电信号，使压电膜层23振动产生机械波，并在空腔31中产生超声波，经空腔31传播最终发出在可听声频率范围内的所需频率的声波。

本实施例提供的定向薄膜换能器中，绝缘层3直接设置于振元单元背离基底1的一侧，也即空腔31直接设置于振元单元背离基底1的一侧。振元单元产生机械波后，机械波直接传播入空腔31而产生声波。相对于现有技术中的机械波传播路径，本实施例提供的薄膜定向换能器所产生的机械波不需要经过基底1、粘合胶等多层结构才能进入空腔31，故相对于现有技术，本实施例提供的定向薄膜换能器所产生的机械波在向空腔31传播过程中穿透的膜层数较少，能量损耗较小。

本实施例提供的定向薄膜换能器中，第一电极21与第二电极22的材料可包括导电金属、氧化铟锡(ITO)等导电材料。压电膜层23可包括聚偏氟乙烯(PVDF)。可以理解的是，定向薄膜换能器为现有的技术比较成熟的产品，其中的各层结构的具体设置可参考相关资料，本实施例中对此不再详述。

优选的，本实施例中还包括信号线4，第一电极21及第二电极22与信号线4连接，控制单元可通过信号线4向第一电极21和第二电极22输入相应的电信号。其中可以理解的是，与第一电极21和第二电极22连接的信号线4为不同的信号线4，且彼此之间绝缘设置。优选的，本实施例中，信号线4与第一电极21同层设置。第二电极22可通过过孔与电连接。

优选的，定向薄膜换能器还包括设置于压电膜层23靠近基底1一侧的绝缘保护层24。本实施例中，可利用绝缘保护层24在制备压电膜层23的过程中对第一电极21进行保护，以使第一电极21在压电膜层23的制备过程中收到损伤。优选的，绝缘保护层24的材料包括氮化硅。在此需要说明的是，绝缘保护层24的材料要能够在保护第一电极21的同时，还要求尽量不影响机械波的传播。

优选的，定向薄膜换能器的基底1包括柔性基底1。具体的，柔性基底1的材料可包括聚酰亚胺等柔性材料。

绝缘层3包括柔性绝缘层3。进一步的，柔性绝缘层3的材料也可包括聚酰亚胺。

本实施例提供的定向薄膜换能器中，可以通过将基底1与绝缘层3都设为柔性结构，从而可使该定向薄膜换能器为柔性定向薄膜换能器。使其能够应用于柔性产品中，扩大定向薄膜换能器的应用前景。

优选的，定向薄膜换能器还包括：声波反射层，其设置于振元单元与基底1之间，用于反射振元单元产生的声波。本实施例中，声波反射层设置于定向薄膜换能器靠近基底1的一侧。可以理解的是，当振元单元产生机械波后，机械波的传播方向是双向的，沿朝向基底1及背离基底1两个方向传播，其中沿背离基底1方向传播的机械波传入空腔31后产生声波。本实施例中，通过反射层的设置，将沿朝向基底1方向传播的声波反射至空腔31，以使该部分声波也能够在空腔31中产生声波，增强定向薄膜换能器的产声性能。

实施例2：

本实施例提供一种扬声器，包括实施例1提供的任意一种定向薄膜换能器。

由于本实施例提供的扬声器包括实施例1提供的定向薄膜换能器，故该扬声器产生的振动波在传播过程中的能量损耗较小。

实施例3：

本实施例提供一种定向薄膜换能器的制备方法，可用于制备实施例1提供的任意一种定向薄膜换能器。该制备方法包括：

S1、提供基底1。

本实施例中的基底1可以为柔性基底1，也可以为硬质基底1。

优选的，基底1的材料包括柔性绝缘材料。步骤S1具体可包括：在衬底基板上形成柔性绝缘材料，并通过固化工艺使柔性绝缘材料固化形成基底1。

本步骤中，可通过涂覆工艺在衬底基板上形成柔性绝缘材料层，并通过固化工艺使柔性绝缘材料固化，从而形成柔性基底1。其中，柔性绝缘材料可包括聚酰亚胺(Polyimide；PI)。

S2在基底1上形成振元单元，振元单元包括：第一电极21、第二电极22和设置于第一电极21与第二电极22之间的压电膜层23。

步骤S2具体可包括以下步骤：

S21、在柔性基底1上形成第一电极21。本步骤中，可通过构图工艺在基底1上形成第一电极21。其中，第一电极21的材料可包括导电金属、氧化铟锡等导电材料。

优选的，形成第一电极21之后，还包括在基底1上形成绝缘保护层24的步骤。具体的，绝缘保护层24可通过沉积等工艺形成。

S22、在柔性基底1压电膜层23。以压电膜层23材料为PVDF为例，本步骤中具体可先在基底1上形成PVDF膜层，并将其在电场中进行极化，以使PVDF膜层具有压电性能。

S23、在形成有压电膜层23的基底1上形成第二电极22。第二电极22的形成方式可参考第一电极21，在此不再详述。

在此需要说明的是，定向薄膜换能器通常为多个一起工作。本实施例中同步形成多个振元单元。具体的，可在形成每层结构(具体为第一电极21、压电膜层23、第二电极22等层结构)时，利用掩膜板进行图案化工艺一次形成所需的多个图案。

S3、在形成有振元单元的基底1上形成绝缘层3，绝缘层3具有与振元单元对应设置的空腔，空腔贯穿绝缘层3。

优选的，在形成有振元单元的基底1上形成绝缘层3的步骤包括：

S31、通过涂覆工艺在形成有振元单元的基底1上形成绝缘材料层。优选的，绝缘材料包括柔性绝缘材料，具体可为PI。

S32、通过刻蚀工艺对绝缘材料层的对应振元单元的位置进行刻蚀，以形成空腔。

优选的，本步骤中也可通过掩膜板进行图案化工艺，一次形成多个空腔。每个空腔与每个振元单元一一对应。

优选的，当基底1为柔性基底1时，本实施例的制备方法还包括：将形成有空腔的基底1从衬底基板上剥离。当基底1为柔性基底1时，可将柔性基底1从衬底基板上剥离，从而形成柔性定向薄膜换能器。

本实施例提供的定向薄膜换能器的制备方法中，通过直接在形成有振元单元的基底1上形成具有空腔的绝缘层3，相对现有技术减少了在玻璃上形成空腔的步骤，同时也省去了将形成有振元单元的基底1与形成有空腔的玻璃进行贴合的步骤，故本实施例提供的定向薄膜换能器的制备工艺更为简单。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种定向薄膜换能器，其特征在于，包括：基底、设置在所述基底上的振元单元；所述振元单元包括：第一电极、第二电极和设置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电膜层；

设置于所述振元单元背离所述基底一侧的绝缘层，所述绝缘层具有与所述振元单元对应设置的空腔，所述空腔贯穿所述绝缘层。

2.根据权利要求1所述的定向薄膜换能器，其特征在于，所述绝缘层包括柔性绝缘层。

3.根据权利要求2所述的定向薄膜换能器，其特征在于，所述柔性绝缘层的材料包括聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的定向薄膜换能器，其特征在于，所述基底包括柔性基底。

5.根据权利要求1所述的定向薄膜换能器，其特征在于，还包括：声波反射层，其设置于所述振元单元与所述基底之间，用于反射所述振元单元产生的声波。

6.根据权利要求1所述的定向薄膜换能器，其特征在于，所述振元单元还包括：设置于所述压电膜层靠近所述基底一侧的绝缘保护层。

7.一种定向薄膜换能器的制备方法，用于制备权利要求1至6中任意一项所述的定向薄膜换能器，其特征在于，所述制备方法包括：

提供基底；

在基底上形成振元单元，所述振元单元包括：第一电极、第二电极和设置于所述第一电极与所述第二电极之间的压电膜层；

在形成有所述振元单元的基底上形成绝缘层，所述绝缘层具有与所述振元单元对应设置的空腔，所述空腔贯穿所述绝缘层。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在形成有所述振元单元的基底上形成绝缘层的步骤包括：

通过涂覆工艺在形成有所述振元单元的基底上形成绝缘材料层；

通过刻蚀工艺对所述绝缘材料层的对应所述振元单元的位置进行刻蚀，以形成所述空腔。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述基底的材料包括柔性绝缘材料；

所述提供基底的步骤包括：

在衬底基板上形成柔性绝缘材料，并通过固化工艺使所述柔性绝缘材料固化形成基底；

所述制备方法还包括：将形成有所述空腔的所述基底从所述衬底基板上剥离。

10.一种扬声器，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的定向薄膜换能器。