CN116828371A - 一种发声单元和发声设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发声单元和发声设备，涉及发声设备技术领域，以解决发声单元能效和工作频率较低的问题。所述发声单元包括依次层叠设置的振膜、介质层和电极层，介质层将振膜和电极层隔开，振膜上设置有第一压电电极、压电材料、第二压电电极以及第一静电电极，电极层上设置有第二静电电极；第一压电电极、压电材料和第二压电电极共同组成用于带动振膜运动的压电结构层，第一静电电极和第二静电电极共同组成用于带动振膜运动的静电结构层。所述发声设备包括上述方案所提的发声单元。

Description

一种发声单元和发声设备

技术领域

本发明涉及发声设备技术领域，尤其涉及一种发声单元和发声设备。

背景技术

扬声器是一种能够把电信号转换为声信号的换能器件。扬声器是制作音响、声学有源降噪设备等的基础，因此，扬声器的性能对声学设备的制作具有关键性的影响。MEMS扬声器(MicroElectroMechanical System)，即微电机系统扬声器，其相对传统的音圈式扬声器具有一致性好、功耗低、尺寸小、价格低等优势。

目前常用的MEMS扬声器为静电扬声器，静电扬声器包括振膜、电极层以及两个分别设置于振膜和电极层上的静电电极，通过两个静电电极组成电容，可以带动振膜进行往复运动实现发声。但是，这种扬声器中振膜和电极层相距较远时，二者间的静电力较小，振膜吸附较慢，导致振膜往复运动的频率较慢且功耗较大，进而影响扬声器的工作频率和能效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发声单元和发声设备，以提高扬声器的工作频率和能效。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种发声单元，包括依次设置的振膜、介质层和电极层，介质层将振膜和电极层隔开，振膜上设置有第一压电电极、压电材料、第二压电电极以及第一静电电极，电极层上设置有第二静电电极；

第一压电电极、压电材料和第二压电电极共同组成用于带动振膜运动的压电结构层，第一静电电极和第二静电电极共同组成用于带动振膜运动的静电结构层。

采用上述技术方案的情况下，发声单元包括依次层叠设置的振膜、介质层和电极层，介质层将振膜和电极层隔开，使得振膜和电极层之间可以形成振膜的运动空间，振膜可以在运动空间内振动实现发声；振膜上设置有第一压电电极、压电材料、第二压电电极以及第一静电电极，电极层上设置有第二静电电极，第一压电电极、压电材料和第二压电电极共同组成用于带动振膜运动的压电结构层，第一静电电极和第二静电电极共同组成用于带动振膜运动的静电结构层。采用这种结构，当振膜需要振动发声时，第一压电电极和第二压电电极可以对压电材料施加电压，此时，压电材料在逆压电效应的作用下能够发生形变和延展，从而带动振膜运动发声，通过第一压电电极和第二压电电极反复对压电材料施加电压，可以控制振膜进行往复运动实现振动发声；第一静电电极和第二静电电极可以对振膜施加静电力以带动振膜进行往复运动实现振动发声；通过压电结构层和静电结构层配合驱动振膜运动，使得振膜在距离电极层较远的位置时，振膜可以在压电结构层的作用下快速运动以靠近电极层，减少振膜运动至电极层时形成吸附效果所用的时间，提高振膜的振动频率和振动速度，进而提高发声单元的工作效率和能效，提高发声单元的发声效果。

在一些可能的实现方式中，还包括振动板，振动板上开设有分割槽，分割槽将振动板分割为振膜、固定部以及连接振膜和固定部的悬臂结构，悬臂结构上设置有压电结构层。

在一些可能的实现方式中，第二压电电极和第一静电电极为同一个电极结构或两个不同的电极结构。

在一些可能的实现方式中，第一压电电极、压电材料和第二压电电极沿垂直于振膜上表面的方向依次层叠设置，第一静电电极设置于振膜的下表面，第二静电电极设置于电极层的上表面。

在一些可能的实现方式中，压电结构层为轴对称结构或中心对称结构，振膜为圆形或正多边形，压电结构层为圆环形或正多边形环。

在一些可能的实现方式中，第一压电电极和/或第二压电电极为金属镀层，压电材料为高分子材料或陶瓷材料。

在一些可能的实现方式中，第一静电电极和/或第二静电电极为金属镀层。

在一些可能的实现方式中，电极层上设置有用于避免振膜与电极层粘连的绝缘凸台，绝缘凸台设置有多个且呈阵列分布。

在一些可能的实现方式中，电极层上设置有多个通孔，且通孔为圆孔或弧形孔。

第二方面，本发明还提供一种发声设备，包括上述方案所提的发声单元。

采用上述技术方案的情况下，由于发声设备包括上述方案所提的发声单元，因此能够提高扬声器的工作频率和能效，提高发声单元的发声效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中发声单元的示意图一；

图2为本发明中发声单元的示意图二；

图3为本发明中发声单元的示意图三；

图4为本发明中振动板的示意图；

图5为本发明中压电结构层的示意图一；

图6为本发明中压电结构层的示意图二；

图7为本发明中压电结构层的示意图三；

图8为本发明中电极层的示意图一；

图9为本发明中电极层的示意图二；

图10为本发明中电极层的示意图三。

附图标记：

1-振膜，2-介质层，3-电极层，31-通孔，4-基底，5-压电结构层，51-第一压电电极，52-压电材料，53-第二压电电极，6-第一静电电极，7-第二静电电极，8-绝缘凸台，9-悬臂结构，10-固定部，11-分割槽。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图10，本发明实施例提供一种发声单元，包括依次设置的振膜1、介质层2和电极层3，介质层2将振膜1和电极层3隔开，振膜1上设置有第一压电电极51、压电材料52、第二压电电极53以及第一静电电极6，电极层3上设置有第二静电电极7；第一压电电极51、压电材料52和第二压电电极53共同组成用于带动振膜1运动的压电结构层5，第一静电电极6和第二静电电极7共同组成用于带动振膜1运动的静电结构层。示例性的，本实施例中的发声单元可以为MEMS扬声器，MEMS扬声器(Micro Electro Mechanical System)，即微电机系统扬声器，其相对传统的音圈式扬声器具有一致性好、功耗低、尺寸小、价格低等优势。示例性的，振膜1可以为高分子材料、硅或硅合金等。

采用上述技术方案的情况下，发声单元包括依次层叠设置的振膜1、介质层2和电极层3，介质层2将振膜1和电极层3隔开，使得振膜1和电极层3之间可以形成振膜1的运动空间，振膜1可以在运动空间内振动实现发声；振膜1上设置有第一压电电极51、压电材料52、第二压电电极53以及第一静电电极6，电极层3上设置有第二静电电极7，第一压电电极51、压电材料52和第二压电电极53共同组成用于带动振膜1运动的压电结构层5，第一静电电极6和第二静电电极7共同组成用于带动振膜1运动的静电结构层。采用这种结构，当振膜1需要振动发声时，第一压电电极51和第二压电电极53可以对压电材料52施加电压，此时，压电材料52在逆压电效应的作用下能够发生形变和延展，从而带动振膜1运动发声，通过第一压电电极51和第二压电电极53反复对压电材料52施加电压，可以控制振膜1进行往复运动实现振动发声；第一静电电极6和第二静电电极7可以对振膜1施加静电力以带动振膜1进行往复运动实现振动发声，通过压电结构层5和静电结构层配合驱动振膜1运动，使得振膜1在距离电极层3较远的位置时，振膜1可以在压电结构层5的作用下快速运动以靠近电极层3，减少振膜1运动至电极层3时形成吸附效果所用的时间，提高振膜1的振动频率和振动速度，进而提高发声单元的工作效率和能效，提高发声单元的发声效果。

示例性的，如图1和图2所示，发声单元还包括基底4，振膜1、介质层2、电极层3以及基底4依次层叠设置，电极层3与基底4之间形成有空气后腔，振膜1能够在压电结构层5和静电结构层的驱动作用下进行往复运动并推动空气实现模拟发声。

如图2和图3所示，进一步地，发声单元还包括振动板，振动板上开设有分割槽11，分割槽11将振动板分割为振膜1、固定部10以及连接振膜1和固定部10的悬臂结构9，悬臂结构9上设置有压电结构层5，即悬臂结构9上设置有第一压电电极51、压电材料52、第二压电电极53。示例性的，振动板上开设有围设排布的至少两条分割槽11，相邻两条分割槽11中，其中一条的端部与另一条的端部沿由振动板的中心点向外延伸的射线方向依次设置，以在围设排布的方向上形成交叠，交叠的分割槽11之间形成悬臂结构9，分割槽11将振动板分割为位于分割槽11的围设区域内的振膜1以及位于分割槽11的围设区域外的固定部10；振膜1和固定部10通过悬臂结构9弹性连接，且振膜1、固定部10和悬臂结构9为一体化结构。采用这种结构，压电结构层5可以通过带动悬臂结构9运动以带动振膜1运动，通过悬臂结构9带动振膜1运动，可以提高振膜1运动的稳定性，提高发声单元的发声效果，同时可以通过调整悬臂结构9的长度、宽度、厚度以快速修改振膜1的刚度，使得振膜1的发声效果更好。

其中，压电结构层5和静电结构的具体结构可以为以下两种实施例所示：

实施例一：如图1所示，第二压电电极53和第一静电电极6为两个不同的电极结构。此时，第二压电电极53和第一静电电极6相互分离，即压电结构层5和静电结构层相互分离。采用这种结构，压电结构层5可以设置于振膜1的上侧，第一静电电极6可以设置于振膜1的下侧，避免二者相互干扰。

实施例二：如图2所示，第二压电电极53和第一静电电极6为同一个电极结构。此时，第二压电电极53和第一静电电极6可以共用一个电极，采用这种结构，发声单元结构简单，加工和安装方便。

如图1和图2所示，进一步地，第一压电电极51、压电材料52和第二压电电极53沿垂直于振膜1上表面的方向依次层叠设置，第一静电电极6设置于振膜1的下表面，第二静电电极7设置于电极层3的上表面。采用这种结构，第一静电电极6和第二静电电极7距离较近，振膜1振动靠近电极层3时，第一静电电极6和第二静电电极7相互靠近并产生较大的静电力，能够限制振膜1的进一步运动，避免振膜1碰触电极层3后发生回弹产生噪音，进一步提高发声单元的发声效果。

如图5至图7所示，进一步地，压电结构层5为轴对称结构或中心对称结构，振膜1为圆形或正多边形，压电结构层5为圆环形或正多边形环。示例性的，振膜1可以为正方形或正六边形，压电结构层5可以为正四边形环或正六边形环。采用这种结构，沿振膜1的周向方向，压电结构层5均可以带动振膜1运动，提高振膜1振动的效率和稳定性。

在一些实施例中，压电材料52为高分子材料，例如PVDF（聚偏氟乙烯）等；或者压电材料52为为陶瓷材料，例如PZT（锆钛酸铅压电陶瓷），第一压电电极51和/或第二压电电极53为金属镀层。采用这种结构，压电材料52可以在电场的作用下发生形变和延展，进而带动振膜1运动，第一电电极和第二压电电极53可以导电并对压电材料52施加电压，以使压电材料52能够发生形变。

在一些可选方式中，第一静电电极6和/或第二静电电极7为金属镀层。采用这种结构，第一静电电极6和第二静电电极7可以导电并形成电容结构，电容结构可以对振膜1施加静电力以驱动振膜1运动并避免振膜1发生回弹产生噪音，提高发声单元的发声效果和工作效率。

如图1和图2所示，进一步地，电极层3上设置有用于避免振膜1与电极层3粘连的绝缘凸台8，绝缘凸台8设置有多个且呈阵列分布。采用这种结构，振膜1往复运动进行发声时，电极层3和振膜1之间可以通过绝缘凸台8进行隔离，避免振膜1与电极层3产生较大的分子间作用力而影响振膜1的振动，使得振膜1与电极层3分离更加容易，提高振膜1的发声效果。

如图1和图2所示，进一步地，电极层3上设置有多个通孔31，且通孔31为圆孔或弧形孔。其中，如图8所示，多个通孔31的分布方式可以为等角分布，如图7所示，多个通孔31的分布方式可以为正交分布，如图9所示，多个通孔31的分布方式可以为正交分布，如图10所示，通孔31为弧形孔，沿电极层3中心向外延伸的方向上，弧形孔设置有多个且多个弧形孔的孔径依次增大。采用这种结构，能够使电极层3和振膜1之间的空气压力分布更加均匀，进一步提高振膜1的发声效果。

本发明实施例还提供一种发声设备，包括上述实施例所提的发声单元。其中，发声单元的数量为多个，且呈阵列分布或线形分布，每个发声单元均能够单独控制音频和音量，通过多个发声单元相互匹配，可以实现声音的数字化控制，本实施例多个发声单元的分布结构不限于阵列分布或线形分布，还可以采用其他的分布结构。

采用上述技术方案的情况下，发声单元包括依次层叠设置的振膜1、介质层2和电极层3，介质层2将振膜1和电极层3隔开，使得振膜1和电极层3之间可以形成振膜1的运动空间，振膜1可以在运动空间内振动实现发声；振膜1上设置有第一压电电极51、压电材料52、第二压电电极53以及第一静电电极6，电极层3上设置有第二静电电极7，第一压电电极51、压电材料52和第二压电电极53共同组成用于带动振膜1运动的压电结构层5，第一静电电极6和第二静电电极7共同组成用于带动振膜1运动的静电结构层。采用这种结构，当振膜1需要振动发声时，第一压电电极51和第二压电电极53可以对压电材料52施加电压，此时，压电材料52在逆压电效应的作用下能够发生形变和延展，从而带动振膜1运动发声，通过第一压电电极51和第二压电电极53反复对压电材料52施加电压，可以控制振膜1进行往复运动实现振动发声；第一静电电极6和第二静电电极7可以对振膜1施加静电力以带动振膜1进行往复运动实现振动发声，通过压电结构层5和静电结构层配合驱动振膜1运动，使得振膜1在距离电极层3较远的位置时，振膜1可以在压电结构层5的作用下快速运动以靠近电极层3，减少振膜1运动至电极层3时形成吸附效果所用的时间，提高振膜1的振动频率和振动速度，进而提高发声单元的工作效率和能效，提高发声单元的发声效果。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种发声单元，包括依次设置的振膜、介质层和电极层，所述介质层将所述振膜和所述电极层隔开，其特征在于，所述振膜上设置有第一压电电极、压电材料、第二压电电极以及第一静电电极，所述电极层上设置有第二静电电极；

所述第一压电电极、压电材料和第二压电电极共同组成用于带动所述振膜运动的压电结构层，所述第一静电电极和所述第二静电电极共同组成用于带动所述振膜运动的静电结构层。

2.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，还包括振动板，所述振动板上开设有分割槽，所述分割槽将所述振动板分割为振膜、固定部以及连接所述振膜和所述固定部的悬臂结构，所述悬臂结构上设置有所述压电结构层。

3.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，所述第二压电电极和所述第一静电电极为同一个电极结构或为两个不同的电极结构。

4.根据权利要求3所述的发声单元，其特征在于，所述第一压电电极、压电材料和第二压电电极沿垂直于所述振膜上表面的方向依次层叠设置，所述第一静电电极设置于所述振膜的下表面，所述第二静电电极设置于所述电极层的上表面。

5.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，所述压电结构层为轴对称结构或中心对称结构，所述振膜为圆形或正多边形，所述压电结构层为圆环形或正多边形环。

6.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，所述第一压电电极和/或所述第二压电电极为金属镀层，所述压电材料为高分子材料或陶瓷材料。

7.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，所述第一静电电极和/或所述第二静电电极为金属镀层。

8.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，所述电极层上设置有用于避免所述振膜与所述电极层粘连的绝缘凸台，所述绝缘凸台设置有多个且呈阵列分布。

9.根据权利要求1所述的发声单元，其特征在于，所述电极层上设置有多个通孔，且所述通孔为圆孔或弧形孔。

10.一种发声设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的发声单元。