CN116320938B - 一种静电薄膜超声换能器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电薄膜超声换能器及其制作工艺，所述换能器包括至少一个超声发声单元，每个超声发声单元包括上下层叠设置的振动层和基层，振动层和基层之间设置有至少一个支撑结构，振动层和基层之间通过支撑结构的支撑形成有空气间隙；振动层采用第一电路板，基层采用第二电路板，第一电路板为柔性电路板。本发明通过用电路板作为换能器的振动层和固定基层，简化换能器的结构，且通过成熟的电路板工艺来制作该静电薄膜超声换能器，简化其制作工艺，从而减少了产品开发和生产周期，降低成本。

Description

一种静电薄膜超声换能器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种静电薄膜超声换能器技术领域，具体涉及一种静电薄膜超声换能器及其制作工艺。

背景技术

静电薄膜超声换能器也称电容式薄膜超声换能器，它利用上下电极产生的静电力驱动薄膜振动，从而辐射超声波。

常见的静电薄膜超声换能器100结构如图1所示，静电薄膜超声换能器100包括从上至下依次设置的薄膜101、顶电极102、支撑柱103、绝缘层104、底电极105、固定底板106等结构，顶电极102与绝缘层104之间形成空气间隙107。在顶电极102和底电极105之间通入直流偏置电压Vdc以及交流电压Vac，驱动薄膜振动发声。

但是，上述的静电薄膜超声换能器100的制作工艺相对复杂，导致开发和生产周期相对较长，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简化了结构及降低制作工艺复杂度的静电薄膜超声换能器及其制作工艺。

为实现上述目的，一方面，本发明提出了一种静电薄膜超声换能器，包括至少一个超声发声单元，每个所述超声发声单元包括上下层叠设置的振动层和基层，所述振动层和基层之间设置有至少一个支撑结构，所述振动层和基层之间通过所述支撑结构的支撑形成有空气间隙；所述振动层采用第一电路板，所述基层采用第二电路板，所述第一电路板为柔性电路板。

在一优选实施例中，所述柔性电路板包括柔性基材层和第一电极层，所述第一电极层形成于所述柔性基材层靠近基层的底面上。

在一优选实施例中，所述柔性基材层为聚酰亚胺层，所述第一电极层为铜层，所述铜层胶粘或者镀于所述聚酰亚胺层靠近基层的底面上。

在一优选实施例中，所述第二电路板为硬质电路板或软硬结合板，且所述硬质电路板或所述软硬结合板为单面板、双面板、多层板中的任意一种。

在一优选实施例中，所述第二电路板为硬质电路板，所述硬质电路板包括硬质基材层和第二电极层，所述第二电极层形成于所述硬质基材层靠近振动层的顶面上。

在一优选实施例中，所述超声换能器还包括用于将所述振动层和基层绝缘开来的绝缘层，所述绝缘层形成于所述第二电极层靠近振动层的顶面上或者形成于所述第一电极层靠近基层的底面上。

在一优选实施例中，所述硬质基材层为FR4材料层，所述第二电极层为铜层，所述绝缘层为形成于所述第二电极层靠近振动层的顶面上的绿油层。

在一优选实施例中，所述支撑结构形成于硬质电路板的硬质基材层上且与硬质电路板的第二电极层相绝缘隔离开。

在一优选实施例中，所述支撑结构与第二电极层接触的区域设置间隙，通过所述间隙与第二电极层隔离开来。

在一优选实施例中，每个所述支撑结构采用焊锡或其他杨氏模量大于1GPa的硬质材料，所述焊锡通过焊盘焊于所述硬质基材层上。

在一优选实施例中，所述间隙的宽度为0.1mm~0.5mm。

在一优选实施例中，所述换能器包括多个呈阵列排布的超声发声单元。

另一方面，本发明提出了一种静电薄膜超声换能器的制作工艺，包括：

S1，在柔性基材层上形成第一电极层，制作形成所述振动层；

S2，在硬质基材层上形成第二电极层，再在所述第二电极层上形成绝缘层，之后在硬质基材层上再形成所述支撑结构，所述支撑结构与所述第二电极层之间绝缘隔离开，制成所述基层；

S3,将所述基层和振动层相边框贴合。

在一优选实施例中，所述S2中，所述支撑结构的制作过程包括：采用曝光显影工艺在第二电极层上显影出用于绝缘隔离焊盘和第二电极层的间隙，再将间隙刻蚀出，之后再在焊盘上焊锡形成支撑结构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过采用电路板作为振动层和固定基层，直接在两个电路板之间增加中间的支撑结构，形成静电薄膜超声换能器，简化了换能器的结构。

2、本发明采用电路板工艺制作静电薄膜超声换能器，简化了其制作工艺，减少了产品开发和生产周期，降低成本。

附图说明

图1为现有静电薄膜超声换能器100的结构示意图；

图2为本发明静电薄膜超声换能器的结构示意图；

图3为本发明一超声发声单元的具体结构示意图；

图4为本发明多个超声发声单元的具体结构示意图；

图5为本发明静电薄膜超声换能器的制作工艺的流程示意图。

附图标记为：

100、静电薄膜超声换能器，101、薄膜，102、顶电极，103、支撑柱，104、绝缘层，105、底电极，106、固定底板，107、空气间隙，1、柔性电路板，11、柔性基材层，12、第一电极层，2、支撑结构，3、硬质电路板，31、硬质基材层，32、第二电极层，33、绝缘层，4、空气间隙，5、间隙，6、焊盘。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本发明所揭示的一种静电薄膜超声换能器及其制作工艺，通过用电路板作为换能器的振动层和固定基层，简化换能器的结构，且通过成熟的电路板工艺来制作该静电薄膜超声换能器，简化其制作工艺，从而减少了产品开发和生产周期，降低成本。

如图2和图3所示，本发明实施例所揭示的一种静电薄膜超声换能器，包括至少一个超声发声单元，每个超声发声单元包括柔性电路板1、支撑结构2和硬质电路板3，其中，柔性电路板1堆叠在硬质电路板3上，支撑结构2位于柔性电路板1和硬质电路板3之间，使得柔性电路板1和硬质电路板3之间形成有空气间隙4。

具体地，本实施例中，柔性电路板1具体可以是FPC（Flexible Printed Circuit，简称FPC），其具体包括柔性基材层11和第一电极层12，实施时，柔性基材层11常用聚酰亚胺（PI）材料，其厚度可以采用12.5um~15um，第一电极层12形成于柔性基材层11的底面上，实施时，第一电极层12可以采用铜层，铜层作为顶电极，聚酰亚胺层和铜层一起作为静电薄膜超声换能器的振动层。制作时，铜层可以采用胶粘于聚酰亚胺层的底面上，铜层厚度可以是10um~15um，胶可以采用硬的UV胶，胶厚为13um~15um，也可以直接镀于聚酰亚胺层的底面上。在其他可替换实施例中，也可以采用基材层+第一电极层+基材层的结构，也就是在第一电极层12的底面上再设置一层柔性基材层11，也就是说，实施时，柔性电路板不限于这里实施例所限定的基材层+第一电极层的结构和材料。在其他实施例中，柔性基材层11也可以替换为PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PEI（聚醚酰亚胺）、PEEK（聚醚醚酮）、PVDF（聚偏二氟乙烯）等柔性材料。第一电极层12也可以替换为如银、金、锌、金包铜、铝、铜包铝等其他导电材质。

硬质电路板3可以是硬质印刷电路板（PCB），本实施例中，其具体包括硬质基材层31、第二电极层32和绝缘层33，其中，硬质基材层31位于最底层，作为固定底板，其常用FR-4环氧玻璃布层压板，第二电极层32设置于硬质基材层31靠近柔性电路板1的顶面上，实施时，第二电极层32也可以采用铜层，铜层作为底电极，与第一电极层12相同，第二电极层32也可以采用胶粘或者直接镀于硬质基材层31靠近柔性电路板1的顶面上。绝缘层33形成于第二电极层32靠近柔性电路板1的顶面上，实施时，绝缘层33可采用绿油层。也就是说，柔性基材层11、第一电极层12、绝缘层33、第二电极层32（18~35um）和硬质基材层31从上往下依次层叠设置。在其他实施例中，硬质基材层31也可改用其他硬质电路板材料，如陶瓷板、CEM-1/3（玻纤和纸的复合基板）、FR-1（纸基覆铜板）、金属基覆铜板 （诶铝基板 ）、玻璃纤维布 、树脂等。

支撑结构2位于柔性电路板1和硬质电路板3之间，使柔性电路板1和硬质电路板3之间形成柔性电路板1振动所需的空气间隙4。实施时，支撑结构2可以设置一个或多个，多个时一般是呈规则形状分布的，如在硬质电路板3的四个顶角上各设一支撑结构2，这样四个支撑结构2呈方形分布，当然本发明对每个超声发声单元上多个支撑结构的排布方式不限。

支撑结构2可以设置在柔性电路板1靠近硬质电路板3的一面上，或者设置在硬质电路板3靠近柔性电路板1的一面上。本实施例中，具体设置在硬质电路板3上，且与第二电极层32绝缘隔离开来。具体地，支撑结构2采用焊锡实现，由于焊锡导电，而第一电极层12和第二电极层32需要绝缘隔离开来，所以当支撑结构2设置在硬质电路板3上时，需将支撑结构2与第二电极层32隔离开来。也就是需将支撑结构2与第二电极层32相接触的区域设置为是绝缘的。同理，当将支撑结构2设置在柔性电路板1上时，需将支撑结构2与第一电极层12相接触的区域设置为是绝缘的。

实施时，可以将支撑结构2与第二电极层32相接触的区域的第二电极层32刻蚀掉，使支撑结构2与第二电极层32绝缘开来。本实施例中，具体是将支撑结构2与第二电极层32接触的区域设置间隙5，通过该间隙5与第二电极层32隔离开来。制作时，可以在FR-4环氧玻璃布层压板上镀好铜层后，根据曝光显影图案，将在铜层上支撑结构2所在的区域与第二电极层32相接触区域的第二电极层32显影出，然后再刻蚀掉，形成间隙5，如在铜层上刻蚀出多个环状间隙，环状间隙内的内环部分作为焊锡的焊盘6，在焊盘6上设置焊锡，形成支撑结构2，焊锡高于绿油层，也就是说其凸出于绿油层的顶面。实施时，焊锡可以呈半球状或者半椭圆状等，本发明对此不作限定。在其他替换实施例中，支撑结构2除使用焊锡外，也可以采用其他杨氏模量大于1GPa的硬质材料。另外，除设置间隙5外，也可以在间隙5内填充绝缘材料，或者其他可将支撑结构2与第二电极层32绝缘隔离开来的方式均适用本发明。刻蚀好环状间隙后，再在铜层上形成一层绿油，之后在焊盘上焊锡，形成支撑结构2。在其他实施例中，除再焊盘上焊锡形成支撑结构2外，还可采用植球工艺形成支撑结构2。

优选地，上述间隙5的设置大小与输入电压有关，一般优选设置在0.1mm~0.5mm之间。

另外，上述焊锡可以与柔性电路板1的第一电极层12焊接固定起来，实现柔性电路板1和硬质电路板3的固定。

在其他替换实施例中，上述硬质电路板3可以替换为软硬结合板，且不管是硬质电路板还是软硬结合板，可以是单面板，也可以是双面板，或者是多层板，当是双面板或者是多层板时，可以将换能器所需的功放等电路部分也整合集成到电路板上，提高换能器的集成度。

工作时，通过在第一电极层12和第二电极层32之间通入直流偏置电压Vdc以及交流电压Vac，驱动柔性电路板1振动发声。

另外，如图4所示，静电薄膜超声换能器可以包括上述多个超声发声单元，也就是可以延伸拓展多个超声发声单元，多个超声发声单元可以按阵列形式分布，如方形阵列，圆形阵列等，也就是将多个静电式薄膜超声发声单元组合在一起，可应用于参量阵扬声器。

对应的，如图5所示，本发明还揭示了一种静电薄膜超声换能器的制作工艺，包括以下步骤：

S1，在柔性基材层11上形成第一电极层12，制作形成振动层。

具体地，本实施例中，具体是在聚酰亚胺基材层上贴一层铜层，制作成的柔性电路板1作为振动层。

S2，在硬质基材层31上形成第二电极层32，再在第二电极层32上形成

绝缘层33，之后在硬质基材层31上再形成支撑结构2，支撑结构2与第二电极层32之间绝缘隔离开，制成基层。

具体地，本实施例中，在FR-4材料层上镀一层铜层，之后在铜层上通过曝光显影工艺显影出间隙5，之后再刻蚀出间隙5，刻蚀出间隙5后，再在铜层上铺设一层绿油层，之后再在间隙5内的铜层（该铜层作为支撑结构2的焊盘）上焊锡形成支撑结构。

S3,将基层和振动层相边框贴合。

具体地，本实施例中，将上述焊锡与柔性电路板1的铜层焊接固定起来，实现柔性电路板1和硬质电路板3的固定，并将柔性电路板1和硬质电路板3相边框贴合。在其他替换实施例中，也可以直接将柔性电路板1和硬质电路板3相边框贴合，或者直接将焊锡与柔性电路板1的铜层焊接固定起来即可。

本发明的优点在于，1、本发明通过采用电路板作为振动层和固定基层，直接在两个电路板之间增加中间的支撑结构，形成静电薄膜超声换能器，简化了换能器的结构。2、本发明采用电路板工艺制作静电薄膜超声换能器，简化了其制作工艺，减少了产品开发和生产周期，降低成本。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (14)

1.一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，包括至少一个超声发声单元，每个所述超声发声单元包括上下层叠设置的振动层和基层，所述振动层和基层之间设置有至少一个支撑结构，所述振动层和基层之间通过所述支撑结构的支撑形成有空气间隙；所述振动层采用第一电路板，所述基层采用第二电路板，所述第一电路板为柔性电路板，所述柔性电路板包括柔性基材层和第一电极层，所述柔性基材层和第一电极层一起作为静电薄膜超声换能器的所述振动层；所述第二电路板包括硬质基材层和第二电极层，所述硬质基材层和第二电极层一起作为静电薄膜超声换能器的所述基层。

2.如权利要求1所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述第一电极层形成于所述柔性基材层靠近基层的底面上。

3.如权利要求2所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述柔性基材层为聚酰亚胺层，所述第一电极层为铜层，所述铜层胶粘或者镀于所述聚酰亚胺层靠近基层的底面上。

4.如权利要求2所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述第二电路板为硬质电路板或软硬结合板，且所述硬质电路板或所述软硬结合板为单面板、双面板、多层板中的任意一种。

5.如权利要求4所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述第二电路板为硬质电路板，所述第二电极层形成于所述硬质基材层靠近振动层的顶面上。

6.如权利要求5所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括用于将所述振动层和基层绝缘开来的绝缘层，所述绝缘层形成于所述第二电极层靠近振动层的顶面上或者形成于所述第一电极层靠近基层的底面上。

7.如权利要求6所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述硬质基材层为FR4材料层，所述第二电极层为铜层，所述绝缘层为形成于所述第二电极层靠近振动层的顶面上的绿油层。

8.如权利要求6所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述支撑结构形成于硬质电路板的硬质基材层上且与硬质电路板的第二电极层相绝缘隔离开。

9.如权利要求8所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述支撑结构与第二电极层接触的区域设置间隙，通过所述间隙与第二电极层隔离开来。

10.如权利要求8所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，每个所述支撑结构采用焊锡或其他杨氏模量大于1GPa的硬质材料，所述焊锡通过焊盘焊于所述硬质基材层上。

11.如权利要求9所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述间隙的宽度为0.1mm~0.5mm。

12.如权利要求9所述的一种静电薄膜超声换能器，其特征在于，所述换能器包括多个呈阵列排布的超声发声单元。

13.一种权利要求1~12任意一项所述的静电薄膜超声换能器的制作工艺，其特征在于，所述工艺包括：

S1，在柔性基材层上形成第一电极层，制作形成所述振动层，所述柔性基材层和第一电极层一起作为静电薄膜超声换能器的所述振动层；

S2，在硬质基材层上形成第二电极层，再在所述第二电极层上形成绝缘层，之后在硬质基材层上再形成所述支撑结构，所述支撑结构与所述第二电极层之间绝缘隔离开，制成所述基层，所述硬质基材层和第二电极层一起作为静电薄膜超声换能器的所述基层；

S3,将所述基层和振动层相边框贴合。

14.如权利要求13所述的一种静电薄膜超声换能器的制作工艺，其特征在于，所述S2中，所述支撑结构的制作过程包括：采用曝光显影工艺在第二电极层上显影出用于绝缘隔离焊盘和第二电极层的间隙，再将间隙刻蚀出，之后再在焊盘上焊锡形成支撑结构。