CN116996821A - 一种像素发声单元及数字扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种像素发声单元及数字扬声器，涉及数字发声芯片技术领域，以解决振膜振幅较小，导致扬声器的声压较低，发声效果较差的问题。所述像素发声单元包括基底、振膜和驱动板，基底上设置有凹腔；振膜固定设置于基底的上方，且振膜的第一侧边与基底固定连接，振膜的其他侧边与基底的内壁之间形成有悬臂缝隙；驱动板固定设置于基底的凹腔内，驱动板与基底之间形成有空气后腔，驱动板与振膜之间存在振动间隙，且空气后腔连通。所述数字扬声器包括上述技术方案所提的像素发声单元。本发明提供的像素发声单元及数字扬声器用于增大振膜振幅，提高像素发声单元所发出脉冲声波的声压级，保证发声效果。
Description
技术领域
本发明涉及数字发声芯片技术领域，尤其涉及一种像素发声单元及数字扬声器。
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(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。
目前常用的MEMS扬声器都是通过振膜的运动推动空气实现模拟发声的，通常，MEMS扬声器内的振膜为一整块的膜结构，振膜的周侧与基座或绝缘介质固定连接，通过振膜发生形变实现发声，但是，由于与振膜的周侧固定连接的基座或绝缘介质会对振膜产生支撑力，从而限制振膜的形变，导致振膜的振幅较小，对空气的压缩作用较弱，进而导致扬声器的声压较低，发声效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种像素发声单元及数字扬声器，用于增大振膜振幅，提高像素发声单元所发出脉冲声波的声压级，保证发声效果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种像素发声单元，包括：
基底，基底上设置有凹腔；
振膜，振膜固定设置于基底的上方，且振膜的第一侧边与基底固定连接，振膜的其他侧边与基底的内壁之间形成有悬臂缝隙；
驱动板，驱动板固定设置于基底的凹腔内，驱动板与基底之间形成有空气后腔，驱动板与振膜之间存在振动间隙，且振动间隙与空气后腔连通。
相对现有技术，本发明提供的一种像素发声单元的振膜只有第一侧边与基底固定连接，振膜的其他侧边与基底的内壁之间形成有悬臂缝隙，在电场的作用下，振膜产生朝向驱动板的作用力时，基底只限制振膜的第一侧边，对振膜的其他侧边并无支撑作用，因此振膜远离第一侧边的部分的形变幅度更大，进而能够增大振幅。相对现有技术中的振膜的四周均与基底固定连接的方式，本发明提供的一种像素发声单元的振膜为悬臂式振膜，只有第一侧边与基底固定连接，其他侧边为自由端，基底与自由端无直接连接，不会限制自由端的运动形变，进而使得振膜的自由端能够在电场作用下产生较大位移，带动振膜产生较大幅度的形变，进而能够增大振膜的振幅，且能够增大振膜发生形变的面积，在基底、驱动板和振膜整体尺寸和其他参数相同的情况下，能够增强对振动间隙内空气的压缩作用，进而提高像素发声单元所发出脉冲声波的声压级，保证发声效果，而且，在振膜的其他侧边与基底的内壁之间形成有悬臂缝隙的结构简单，加工制造简单。
可选地，上述的像素发声单元中，悬臂缝隙的宽度为0.1μm~10μm。
可选地，上述的像素发声单元中，驱动板的至少一个侧边与基底的内壁固定连接，至少一个侧边与基底的内壁形成有流通间隙，流通间隙用于连通振动间隙与空气后腔。
可选地，上述的像素发声单元中，驱动板上设置有至少一个通孔。
可选地，上述的像素发声单元中，通孔的孔径为1μm~10μm。
可选地，上述的像素发声单元中，驱动板靠近振膜的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构；
和/或，振膜靠近驱动板的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构。
可选地，上述的像素发声单元中，第一绝缘凸结构至少设置于振膜在驱动板上的正投影的靠近悬臂缝隙的区域内。
可选地，上述的像素发声单元中，第二绝缘凸结构至少设置于驱动板在振膜上的正投影的靠近悬臂缝隙的区域内。
可选地，上述的像素发声单元中，驱动板与振膜之间的间距为0.5μm~50μm。
本发明还提供一种数字扬声器，包括多个上述的像素发声单元，多个像素发声单元呈阵列分布或线形分布。
与现有技术相比，本发明提供的一种数字扬声器的每个像素发声单元的振膜只有第一侧边与基底固定连接，其他侧边为自由端，能够产生较大幅度的形变，进而能够增大振膜的振幅，且能够增大振膜发生形变的面积，进而提高像素发声单元所发出脉冲声波的声压级，多个像素发声单元呈阵列分布或线形分布组合后，能够提升数字扬声器的音量，进而提高发声效果。
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为本发明实施例提供的一种像素发声单元的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种像素发声单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的再一种像素发声单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种数字扬声器的结构示意图。
附图标记：
1-像素发声单元；11-基底；12-振膜；121-第一侧边；13-悬臂缝隙；14-驱动板；141-通孔；15-空气后腔；16-流通间隙；17-第一绝缘凸结构。
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。
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(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。目前常用的MEMS扬声器都是通过振膜的运动推动空气实现模拟发声的，通常，MEMS扬声器内的振膜为一整块的膜结构，振膜的周侧与基座或绝缘介质固定连接，通过振膜发生形变实现发声，但是，由于与振膜的周侧固定连接的基座或绝缘介质会对振膜产生支撑力，从而限制振膜的形变，导致振膜的振幅较小，对空气的压缩作用较弱，进而导致扬声器的声压较低，发声效果较差。
为了解决上述问题，如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供了一种像素发声单元1，包括基底11、振膜12和驱动板14，基底11上设置有凹腔；振膜12固定设置于基底11的上方，且振膜12的第一侧边121与基底11固定连接，振膜12的其他侧边与基底11的内壁之间形成有悬臂缝隙13；驱动板14固定设置于基底11的凹腔内，驱动板14与基底11之间形成有空气后腔15，驱动板14与振膜12之间存在振动间隙，且空气后腔15连通。
在具体工作过程中，振膜12和驱动板14通电后产生电场，在电场的作用下，振膜12产生朝向驱动板14的作用力使振膜12产生朝向驱动板14的形变，停止通电后，振膜12回弹恢复原位，反复通电与停止通电，使得振膜12振动，进而推动振动间隙和空气后腔15内的空气，完成发声。
通过上述像素发声单元1的结构和具体实施过程可知，本发明实施例提供的一种像素发声单元1的振膜12只有第一侧边121与基底11固定连接，振膜12的其他侧边与基底11的内壁之间形成有悬臂缝隙13，在电场的作用下，振膜12产生朝向驱动板14的作用力时，基底11只限制振膜12的第一侧边121，对振膜12的其他侧边并无支撑作用，因此振膜12远离第一侧边121的部分的形变幅度更大，进而能够增大振幅。相对现有技术中的振膜12的四周均与基底11固定连接的方式，本发明实施例提供的一种像素发声单元1的振膜12为悬臂式振膜，只有第一侧边121与基底11固定连接，其他侧边为自由端，基底11与自由端无直接连接，不会限制自由端的运动形变，进而使得振膜12的自由端能够在电场作用下产生较大位移，带动振膜12产生较大幅度的形变，进而能够增大振膜12的振幅，且能够增大振膜12发生形变的面积，在基底11、驱动板14和振膜12整体尺寸和其他参数相同的情况下，能够增强对振动间隙内空气的压缩作用，进而提高像素发声单元1所发出脉冲声波的声压级，保证发声效果，而且，在振膜12的其他侧边与基底11的内壁之间形成有悬臂缝隙13的结构简单，加工制造简单。
具体地，上述的像素发声单元1中，悬臂缝隙13的宽度为0.1μm~10μm；示例性地，悬臂缝隙13的宽度为0.1μm、1μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm等。如此设置，保证空气后腔15和振动间隙通过悬臂缝隙13与外界大气连通的情况下，避免空气后腔15的压力过多的从悬臂缝泄露出去，提高像素发声单元1的发声效果。
作为一种可能实现的方式，如图1和图3所示，上述的像素发声单元1中，驱动板14的至少一个侧边与基底11的内壁固定连接，至少一个侧边与基底11的内壁形成有流通间隙16，流通间隙16用于连通振动间隙与空气后腔15。如此设置，保证空气后腔15能够通过流通间隙16与振动间隙连通，保证像素发声单元1的发声效果。
进一步地，如图2所示，上述的像素发声单元1中，驱动板14上设置有至少一个通孔141。利用了空气的热粘性边界层特性，当被挤压的空气从通孔141中流过时，孔壁面对气体产生阻尼作用，通孔141的数量少、直径大时，其阻尼小，通过改变设置在驱动板14上的通孔141的数目及直径的不同，进而调节像素发声单元1的振动阻尼特性。
进一步地，上述的像素发声单元1中，通孔141的孔径为1μm~10μm。示例性地，通孔141的孔径为1μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm等。当通孔141的孔径为1μm~10μm时，空气通过通孔141的壁面后能够产生阻尼，从而能够实现振动系统的阻尼效果，提高像素发声单元1的发声效果。
作为一种可能实现的方式，如图3所示，上述的像素发声单元1中，驱动板14靠近振膜12的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构17；和/或，振膜12靠近驱动板14的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构。示例性地，驱动板14靠近振膜12的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构17；或者，振膜12靠近驱动板14的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构；或者，驱动板14靠近振膜12的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构17，且振膜12靠近驱动板14的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构。如此设置，使得振膜12和驱动板14靠近时，第一绝缘凸结构17或第二绝缘凸结构会防止振膜12和驱动板14直接接触，进而防止振膜12和驱动板14导通，影响发声效果；另外，防止振膜12和驱动板14因为表面范德华力粘接。
进一步地，上述的像素发声单元1中，第一绝缘凸结构17至少设置于振膜12在驱动板14上的正投影的靠近悬臂缝隙13的区域内。振膜12靠近悬臂缝隙13的侧边为自由端，在电场作用下的形变较大，容易与驱动板14抵接，在振膜12在驱动板14上的正投影的靠近悬臂缝隙13的区域内设置第一绝缘凸结构17，能够保证振膜12无法与驱动板14直接接触。
进一步地，上述的像素发声单元1中，第二绝缘凸结构至少设置于驱动板14在振膜12上的正投影的靠近悬臂缝隙13的区域内。振膜12靠近悬臂缝隙13的侧边为自由端，在电场作用下的形变较大，容易与驱动板14抵接，在驱动板14在振膜12上的正投影的靠近悬臂缝隙13的区域内设置第二绝缘凸结构，能够保证振膜12无法与驱动板14直接接触。
在一些实施例中，上述的像素发声单元1中，驱动板14与振膜12之间的间距为0.5μm~50μm；示例性地，驱动板14与振膜12之间的间距为0.5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm等。如此设置，能够根据力学振动方程、谐振频率方程和阻尼方程确定驱动板14与振膜12之间的间距，保证振膜12的振幅和振动频率。
如图4所示，本发明实施例还提供一种数字扬声器，包括多个上述的像素发声单元1，多个像素发声单元1呈阵列分布或线形分布。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种数字扬声器的每个像素发声单元1的振膜12只有第一侧边121与基底11固定连接，其他侧边为自由端，能够产生较大幅度的形变，进而能够增大振膜12的振幅，且能够增大振膜12发生形变的面积，进而提高像素发声单元1所发出脉冲声波的声压级，多个像素发声单元1呈阵列分布或线形分布组合后，能够提升数字扬声器的音量，进而提高发声效果。
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 (9)
1.一种像素发声单元，其特征在于，包括：
基底，所述基底上设置有凹腔；
振膜，所述振膜固定设置于所述基底的上方，且所述振膜的第一侧边与所述基底固定连接，所述振膜的其他侧边与所述基底的内壁之间形成有悬臂缝隙；
驱动板，所述驱动板固定设置于所述基底的凹腔内，所述驱动板与所述基底之间形成有空气后腔，所述驱动板与所述振膜之间存在振动间隙，且所述振动间隙与所述空气后腔连通。
2.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述悬臂缝隙的宽度为0.1μm~10μm。
3.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述驱动板的至少一个侧边与所述基底的内壁固定连接，至少一个侧边与所述基底的内壁形成有流通间隙，所述流通间隙用于连通所述振动间隙与所述空气后腔。
4.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述驱动板上设置有至少一个通孔。
5.根据权利要求4所述的像素发声单元，其特征在于，所述通孔的孔径为1μm~10μm。
6.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述驱动板靠近所述振膜的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构；
和/或，所述振膜靠近所述驱动板的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构。
7.根据权利要求6所述的像素发声单元，其特征在于，所述第一绝缘凸结构至少设置于所述振膜在所述驱动板上的正投影的靠近所述悬臂缝隙的区域内。
8.根据权利要求6所述的像素发声单元，其特征在于，所述第二绝缘凸结构至少设置于所述驱动板在所述振膜上的正投影的靠近所述悬臂缝隙的区域内。
9.一种数字扬声器，其特征在于，包括多个如权利要求1至8任一项所述的像素发声单元，所述多个像素发声单元呈阵列分布或线形分布。
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