CN114827856A - 一种静电式微型发声装置 - Google Patents

Abstract

一种静电式微型发声装置，包括底座和固定在底座上的振动发声部件，振动发声部件包括振膜、第一电极结构、第二电极结构和应力传动层。底座呈中间具有空腔、四边连接的框型结构，第一电极结构和应力传动层的数量分别为两个，两个第一电极结构互相平行且向外的一端分别连接应力传动层的一端，应力传动层的另一端与底座的其中两边连接，第二电极结构位于两个第一电极结构的中间且两端与底座的另外两边连接，振膜贴附于第一电极结构、第二电极结构和应力传动层上。本发明的发声装置采用静电驱动代替压电驱动，利用电极结构相互运动趋势产生的应力及对应力的约束产生间接的面外翘曲，驱动效率更高，发声面更大。

Description

一种静电式微型发声装置

技术领域

本发明涉及声电技术领域，特别是涉及一种静电式微型发声装置。

背景技术

微型发声装置（扬声器）广泛应用于智能手机、音响、可穿戴设备等场景。随着消费类电子设备的小型化、智能化和一体化，对微型扬声器的体积、加工成本等提出越来越苛刻的要求，传统的精密加工微型扬声器将逐渐被基于MEMS（微机电系统）的扬声器芯片所替代。无论何种扬声器，其发声原理均为机械振动推动空气发声。从驱动原理来看，微型扬声器可分为电磁驱动扬声器、静电驱动扬声器、热电驱动扬声器和压电驱动扬声器；具体到MEMS扬声器芯片，其加工基于类似IC的半导体工艺平台。电磁驱动需要线圈和磁体结构，MEMS芯片不易形成；热电驱动本身具有受温度影响大、非线性、响应延迟等缺陷；静电驱动虽然技术成熟，但是其驱动力较小，单位时间排空量不足，不易获得较好的声学性能。目前市场上的方案以压电驱动居多；MEMS压电扬声器结构简单、易加工，也可以获得较大的位移量，从而获得较高的SPL（sound pressure level，声压级，衡量扬声器声学性能的重要指标）。但其驱动器中的压电材料性能会随时间逐渐漂移，特别是常用于压电扬声器的PZT（锆钛酸铅），其压电系数d31会逐渐退化，从而导致产品性能随着使用时间增加而逐渐降低。

图1为现有主流的压电MEMS扬声器基本结构单元的剖面图，为悬臂梁结构，其固定端安置在底座上，自由端悬空，可以翘曲变形。悬臂梁至少包括底电极层-压电层-顶电极层组成的三明治结构及另一层振动梁（薄膜），其中振动梁的刚度必须与三明治压电结构的刚度有显著差异。在压电层的上下电极层上施加交流电压，由于逆压电效应，压电层薄膜会发生水平方向的伸缩变形（图中水平箭头），但与压电层相邻的振动梁会约束其变形，且由于二者刚度有明显差异，悬臂梁整体会发生翘曲变形，若施加的电压包含音频信号，则悬臂梁往复振动，即可还原出声音。图2即为一个现有典型压电扬声器剖面图，包括至少一对悬臂梁，其自由端相邻，共同推动面外空气发声。

该类结构的扬声器存在以下缺点：1、非线性，压电材料的压电系数会随悬臂梁的弯曲而逐渐变化，因此其推动空气量与音频信号电压值的关系是非线性的，会造成谐波失真，从而影响其音质；2、退化特性，适合用于制作压电扬声器的压电材料PZT的压电系数会随时间推移逐渐下降，从而导致其音频性能逐渐恶化，使用寿命较低；3、直接运动的驱动力太小，位移量不足，不足以产生足够的排空量以产生足够的声音。

基于上述现象，实有必要设计一种全新驱动原理的MEMS发声装置。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有装置的不足，提供一种静电式微型发声装置，采用静电驱动代替压电驱动，利用电极结构相互运动趋势产生的应力及对应力的约束产生间接的面外翘曲，驱动效率更高，发声面更大。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种静电式微型发声装置，包括底座和固定在所述底座上的振动发声部件，所述振动发声部件包括振膜、第一电极结构、第二电极结构和应力传动层。

其中，所述底座呈中间具有空腔、四边连接的框型结构，所述第一电极结构和所述应力传动层的数量分别为两个，两个第一电极结构互相平行且向外的一端分别连接应力传动层的一端，应力传动层的另一端与底座的其中两边连接，所述第二电极结构位于两个第一电极结构的中间且两端与底座的另外两边连接，所述振膜贴附于第一电极结构、第二电极结构和应力传动层上。原理是利用在相对极板之间加电压后，通过静电吸引力驱动机械结构的运动，并不会直接采用极板之间受静电力产生的平移位移变形来驱动空气，而是要在电极结构的表面增加一层振膜，其刚度与电极结构有显著差异。因此当电极结构受到静电力作用产生位移时被振膜阻碍，由于刚度不同，电极结构与振动膜一起发生面外翘曲，并推动空气振动发声。

作为优选，所述第一电极结构包括第一梳齿梁，第一梳齿梁向内的一侧设有一定数量均匀分布的第一梳齿，第二电极结构包括第二梳齿梁，第二梳齿梁两侧分别设有一定数量与第一梳齿交错分布的第二梳齿。

作为优选，所述第二梳齿梁两端设有互相平行的连接梁，连接梁的两端及外侧与底座轮廓相对应。第二梳齿梁和连接梁形成“工”字结构。

作为优选，两个所述应力传动层的表面分别设有传动阻滞层，所述第二电极结构的厚度为应力传动层与传动阻滞层的厚度之和。传动阻滞层轮廓尺寸与应力传动层轮廓尺寸相匹配，第二电极结构的厚度大于第一电极结构的厚度。

作为优选，所述应力传动层与所述第一电极结构材料相同，或者，所述应力传动层与所述第一电极结构材料不相同，且两者的刚度近似，或所述应力传动层的刚度略大于所述第一电极结构的刚度，以确保应力由第一电极结构向应力传动层传递。

作为优选，所述传动阻滞层的刚度大于所述应力传动层的刚度的两倍，或小于所述应力传动层的刚度的二分之一。

作为优选，所述第一电极结构的宽度小于所述底座的空腔宽度，且第一电极结构完全落于底座空腔范围内，可避免两者发生干涉。

作为优选，所述振膜完全覆盖所述底座的空腔范围，以确保不发生声短路效应。

作为优选，所述第一电极结构、第二电极结构位于所述底座和所述振膜之间，或者所述振膜位于所述底座和所述第一电极结构、第二电极结构之间。不限定第一/第二电极结构和振膜的空间位置关系，其连接顺序可以为底座-第一/第二电极结构-振膜，也可以是底座-振膜-第一/第二电极结构，这些空间位置的改变对发声装置的功能不产生影响。

作为优选，所述底座和振动发声部件之间设有绝缘隔离层，以确保电极结构上施加的电信号不受外界影响。

作为优选，所述第一电极结构和第二电极结构采用半导体材料或者金属材料，所述半导体材料为晶体硅、掺杂三五族元素的硅或石英。

本发明的有益效果在于：1、本装置采用静电驱动代替压电驱动，利用电极结构相互运动趋势产生的应力及对应力的约束产生间接的面外翘曲，驱动效率更高，发声面更大。

2、本装置相比压电驱动器，有低制作成本的优势，且线性度远远优于压电驱动器。

本发明的的发声装置在平面内实现力与位移的解耦，即：梳齿电极对只产生振动所需的力，而并不参与发声所需的面外翘曲振动。静电驱动只是用以提供面内驱动力，振动力通过应力传动层传导，并经过传动阻滞层作用后换向，最终产生作用于振膜上的面外位移，力与位移之间完全解耦，由面内的张紧-压缩力转换为挠性翘曲力，从而将平面内的运动转换为垂直平面方向上的振动发声。这种力与位移的空间解耦可以解决静电力直接驱动下位移行程不足的问题，并继承静电驱动的高线性度，从而达到优异的声学性能。

附图说明

图1是现有压电扬声器的结构单元的剖视图；

图2是现有压电扬声器的剖视图；

图3是本发明的立体图；

图4是本发明的爆炸示意图；

图5是本发明的侧视图；

图6是图5中A-A向的剖视图；

图7是本发明的底视图；

图8是图7中B-B向的剖视图；

图9是图7中C-C向的剖视图；

图10是本发明中第一电极结构及应力传动层的示意图；

图11是本发明中第二电极结构的示意图。

图中主要元件符号说明：10、底座；20、振膜；30、第一电极结构；31、第一梳齿梁；32、第一梳齿；40、第二电极结构；41、第二梳齿梁；42、第二梳齿；43、连接梁；50、应力传动层；60、传动阻滞层；70、绝缘隔离层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：如图3-9所示，一种静电式微型发声装置，包括底座10和固定在所述底座10上的振动发声部件，所述振动发声部件包括振膜20、第一电极结构30、第二电极结构40和应力传动层50。在所述底座10和振动发声部件之间设有绝缘隔离层70。

所述底座10呈中间具有空腔、四边连接的框型结构。所述第一电极结构30和所述应力传动层50的数量分别为两个，两个第一电极结构30互相平行且向外的一端分别连接应力传动层50的一端，应力传动层50的另一端与底座10的其中两边连接。所述第二电极结构40位于两个第一电极结构30的中间且两端与底座10的另外两边连接。

其中，所述第一电极结构30的宽度小于所述底座10的空腔宽度，且第一电极结构30完全落于底座10空腔范围内。所述振膜20贴附于第一电极结构30、第二电极结构40和应力传动层50上，并且振膜20完全覆盖所述底座10的空腔范围。

结合图6、图8和图10-11所示，电极采用静电梳齿结构，所述第一电极结构30包括第一梳齿梁31，第一梳齿梁31向内的一侧设有一定数量均匀分布的第一梳齿32，第二电极结构40包括第二梳齿梁41，第二梳齿梁41两侧分别设有一定数量与第一梳齿32交错分布的第二梳齿42。

另外，所述第二梳齿梁41两端设有互相平行的连接梁43，连接梁43的两端及外侧与底座10轮廓相对应。

电极结构之间相互绝缘，第一电极结构30和第二电极结构40通过施加电信号能产生相互吸引的静电力，由于其中的每一极电极均通过平板或梁等固支结构固定于底座10上，以及贴附于电极上的振膜20的存在所产生的约束力，而不能发生自由的面内位移，但可产生沿电场方向的拉伸应力应变，且应力在电极和振膜20间传递。

由于电极对本身与振膜20的刚度存在差异，二者相贴附的结构会产生应力适配，沿电场方向的应力应变在其间传递的过程中会受到阻碍，从而导致整体结构（即振动发声部件）发生翘曲，即形成了面外位移运动。当施加在电极上的电信号发生改变时，翘曲程度不断变化，振动发声部件就会持续来回的振动并激发出声波，从而实现其功能。

实施例二：与实施例一的区别在于，电极采用平行板电容结构，在第一电极结构30和第二电极结构40上并没有梳齿，而是互相平行的平板。

在实施例一和实施例二中，第一电极结构30、第二电极结构40和应力传动层50三者的厚度相同。

实施例三：如图3-9所示，在实施例一和实施例二的基础上，两个所述应力传动层50的表面分别设有传动阻滞层60，所述第二电极结构40的厚度为应力传动层50与传动阻滞层60的厚度之和。传动阻滞层60轮廓尺寸与应力传动层50轮廓尺寸相匹配，同时贴覆振膜20时保持振膜20的平整。振膜20、第一电极结构30、第二电极结构40、应力传动层50和传动阻滞层60相互配合共同实现了力与位移的空间解耦，同时继承了静电驱动的高线性驱动性能。

在本实施例三中，第二电极结构40的厚度大于第一电极结构30的厚度，这样无论第一电极结构30如何振动，第一梳齿32和第二梳齿42的重合面积始终不变，保持其高线性度。

在上述三个实施例中，所述第一电极结构30和第二电极结构40采用半导体材料或者金属材料，其中所述半导体材料可以为晶体硅、掺杂三五族元素的硅或石英。

其中，所述应力传动层50与所述第一电极结构30的材料可以相同，也可以不相同。如果不相同，选择刚度近似的材料，或应力传动层50的刚度略大于所述第一电极结构30的刚度。

其中，所述振膜20的刚度与第一电极结构30和第二电极结构40的刚度有明显差异(具体的，刚度差异应大于50%)，以便在电极结构发生应力应变时，二者之间由于刚度的不一致而产生面外翘曲，形成振动来源。而所述传动阻滞层60的刚度大于所述应力传动层50的刚度的两倍，或小于所述应力传动层50的刚度的二分之一。

需要注意的是，在上述三个实施例中，所述第一电极结构30、第二电极结构40位于所述底座10和所述振膜20之间，或者所述振膜20位于所述底座10和所述第一电极结构30、第二电极结构40之间，即不限定电极结构和振膜20的空间位置关系，其连接顺序可以为底座10-第一/第二电极结构-振膜20，也可以是底座10-振膜20-第一/第二电极结构，这些空间位置的改变对发声装置的功能不产生影响。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种静电式微型发声装置，其特征在于：包括底座（10）和固定在所述底座（10）上的振动发声部件，所述振动发声部件包括振膜（20）、第一电极结构（30）、第二电极结构（40）和应力传动层（50）；

所述底座（10）呈中间具有空腔、四边连接的框型结构；

所述第一电极结构（30）和所述应力传动层（50）的数量分别为两个，两个第一电极结构（30）互相平行且向外的一端分别连接应力传动层（50）的一端，应力传动层（50）的另一端与底座（10）的其中两边连接；

所述第二电极结构（40）位于两个第一电极结构（30）的中间且两端与底座（10）的另外两边连接；

所述振膜（20）贴附于第一电极结构（30）、第二电极结构（40）和应力传动层（50）上。

2.根据权利要求1所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述第一电极结构（30）包括第一梳齿梁（31），第一梳齿梁（31）向内的一侧设有一定数量均匀分布的第一梳齿（32），第二电极结构（40）包括第二梳齿梁（41），第二梳齿梁（41）两侧分别设有一定数量与第一梳齿（32）交错分布的第二梳齿（42）。

3.根据权利要求2所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述第二梳齿梁（41）两端设有互相平行的连接梁（43），连接梁（43）的两端及外侧与底座（10）轮廓相对应。

4.根据权利要求1所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：两个所述应力传动层（50）的表面分别设有传动阻滞层（60），所述第二电极结构（40）的厚度为应力传动层（50）与传动阻滞层（60）的厚度之和。

5.根据权利要求4所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述应力传动层（50）与所述第一电极结构（30）材料相同，或者，所述应力传动层（50）与所述第一电极结构（30）材料不相同，且两者的刚度近似，或所述应力传动层（50）的刚度略大于所述第一电极结构（30）的刚度；

所述传动阻滞层（60）的刚度大于所述应力传动层（50）的刚度的两倍，或小于所述应力传动层（50）的刚度的二分之一。

6.根据权利要求1所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述第一电极结构（30）的宽度小于所述底座（10）的空腔宽度，且第一电极结构（30）完全落于底座（10）空腔范围内。

7.根据权利要求6所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述振膜（20）完全覆盖所述底座（10）的空腔范围。

8.根据权利要求7所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述第一电极结构（30）、第二电极结构（40）位于所述底座（10）和所述振膜（20）之间，或者所述振膜（20）位于所述底座（10）和所述第一电极结构（30）、第二电极结构（40）之间。

9.根据权利要求1所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述底座（10）和振动发声部件之间设有绝缘隔离层（70）。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种静电式微型发声装置，其特征在于：所述第一电极结构（30）和第二电极结构（40）采用半导体材料或者金属材料，所述半导体材料为晶体硅、掺杂三五族元素的硅或石英。

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