CN117014776B - 一种像素发声单元及数字扬声器 - Google Patents

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，以解决振膜的谐振频率较低，工作效率较差的问题。所述像素发声单元包括基底、第一振动件、介质结构和第二振动件，基底的一侧设置有空气后腔；第一振动件固定设置于基底具有空气后腔的一侧；介质结构固定设置于第一振动件远离基底的一侧；第二振动件固定设置于介质结构远离第一振动件的一侧，第二振动件和第一振动件之间形成有振动间隙，在静电作用下，第二振动件朝向第一振动件运动，同时第一振动件朝向第二振动件运动。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提高振动板的振动频率，进而提高发声效果。

Description

一种像素发声单元及数字扬声器

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扬声器包括振膜以及电极板，电极板固定不动，控制振膜往复运动而实现发声，但振膜的谐振频率较低，工作效率较差。

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，用于提高振动板的振动频率，进而提高发声效果。

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，基底的一侧设置有空气后腔，空气后腔与外界大气连通；

第一振动件，第一振动件固定设置于基底具有空气后腔的一侧；

第一振动件，第一振动件固定设置于基底的一侧；

介质结构，介质结构固定设置于第一振动件远离基底的一侧；

第二振动件，第二振动件固定设置于介质结构远离第一振动件的一侧，第二振动件和第一振动件之间形成有振动间隙，在静电作用下，第二振动件朝向第一振动件运动，同时第一振动件朝向第二振动件运动。

相对现有技术，本发明提供的一种像素发声单元在第一振动件和第二振动件通电后的吸合过程中，第一振动件和第二振动件双向吸合移动，使得电场作用力更强，能够增大振膜吸合时的运动加速度，在第一振动件和第二振动件的各自的振幅较小的情况下，即可满足对空气的推动作用，实现发声；在第一振动件和第二振动件停止通电后的分离过程中，第一振动件和第二振动件振幅较小，在各自的弹性力作用下，相较于原有的单振膜的结构，第一振动件和第二振动件分离的速度更快，另外，空气后腔与外界大气连通平衡静压，空气后腔用于使像素单元的第二振动件前后声短路，保证发声效果。相对现有技术中电极板固定、振膜振动的方式，本发明实施例提供的像素发声单元的第一振动件和第二振动件同频振动，在对空气完成相同的推动作用效果的情况下，第一振动件和第二振动件所需的振幅更小，振动频率更高，振动速度更快，提升了音量，进而提高发声效果。

可选地，上述的像素发声单元中，第一振动件包括：

第一边缘部，第一边缘部与介质结构固定连接；

第一弹性悬臂，第一弹性悬臂的一端与第一边缘部固定连接；

第一中间部，第一中间部与第一弹性悬臂的另一端固定连接，第一中间部与第一边缘部之间形成有第一间隙。

可选地，上述的像素发声单元中，第一中间部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，第二振动件包括：

第二边缘部，第二边缘部与介质结构固定连接；

第二弹性悬臂，第二弹性悬臂的一端与第二边缘部固定连接；

第二中间部，第二中间部与第二弹性悬臂的另一端固定连接，第二中间部与第二边缘部之间形成有第二间隙。

可选地，上述的像素发声单元中，第一振动件靠近第二振动件的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构；

和/或，第二振动件靠近第一振动件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，第一振动件的厚度小于或等于30μm；

和/或，第二振动件的厚度小于或等于30μm。

可选地，上述的像素发声单元中，第一振动件和第二振动件之间的间距为0.5μm~50μm。

可选地，上述的像素发声单元中，介质结构的材质为绝缘材料。

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。

相对现有技术，本发明提供的一种数字扬声器的每个像素发声单元的第一振动件和第二振动件同频振动，振动频率更高，振动速度更快，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。

附图标记：

1-基底；11-空气后腔；2-第一振动件；21-第一边缘部；22-第一弹性悬臂；23-第一中间部；231-通孔；3-振动间隙；4-介质结构；5-第二振动件；51-第二边缘部；52-第二弹性悬臂；53-第二中间部。

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扬声器包括振膜以及电极板，电极板固定不动，控制振膜往复运动而实现发声，但振膜的谐振频率较低，工作效率较差。

为了解决上述问题，如图1和图2所示，本发明实施例提供为了实现上述目的，本发明提供了一种像素发声单元，包括依次层叠的基底1、第一振动件2、介质结构4和第二振动件5，基底1的一侧设置有空气后腔11，空气后腔11与外界大气连通；第一振动件2固定设置于基底具有空气后腔的一侧；介质结构4固定设置于第一振动件2远离基底1的一侧；第二振动件5固定设置于介质结构4远离第一振动件2的一侧，第二振动件5和第一振动件2之间形成有振动间隙3，在静电作用下，第二振动件5朝向第一振动件2运动，同时第一振动件2朝向第二振动件5运动。

在具体工作过程中，第一振动件2和第二振动件5通电后产生电场，在电场的作用下，第一振动件2和第二振动件5相互吸引，第二振动件5朝向第一振动件2运动至如图2所示的虚线位置处，同时第一振动件2朝向第二振动件5运动至如图2所示的虚线位置处，然后停止给第一振动件2和第二振动件5通电后，第一振动件2和第二振动件5均回弹恢复原位，反复通电与停止通电，使得第一振动件2和第二振动件5同频振动，在第一振动件2和第二振动件5相互吸合和分离的过程中推动振动间隙3和空气后腔11内的空气，完成发声。

通过上述像素发声单元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在第一振动件2和第二振动件5通电后的吸合过程中，第一振动件2和第二振动件5双向吸合移动，使得电场作用力更强，能够增大振膜吸合时的运动加速度，在第一振动件2和第二振动件5的各自的振幅较小的情况下，即可满足对空气的推动作用，实现发声；在第一振动件2和第二振动件5停止通电后的分离过程中，第一振动件2和第二振动件5振幅较小，在各自的弹性力作用下，相较于原有的单振膜的结构，第一振动件2和第二振动件5分离的速度更快，另外，空气后腔11与外界大气连通平衡静压，空气后腔11用于使像素单元的第二振动件5前后声短路，保证发声效果。相对现有技术中电极板固定、振膜振动的方式，本发明实施例提供的像素发声单元的第一振动件2和第二振动件5同频振动，在对空气完成相同的推动作用效果的情况下，第一振动件2和第二振动件5所需的振幅更小，振动频率更高，振动速度更快，提升了音量，进而提高发声效果。

作为一种可能实现的方式，如图1和图2所示，上述的像素发声单元中，第一振动件2包括第一边缘部21、第一弹性悬臂22和第一中间部23，第一边缘部21与介质结构4固定连接；第一弹性悬臂22的一端与第一边缘部21固定连接；第一中间部23与第一弹性悬臂22的另一端固定连接，第一中间部23与第一边缘部21之间形成有第一间隙；空气后腔11通过第一间隙与振动间隙3连通。在工作过程中，在电场作用下，第一中间部23朝向第二振动件5运动，进而带动第一弹性悬臂22产生形变，第一弹性悬臂22的弹性模量大于第一振动件2的第一中间部23，进而在相同电场的作用下，第一弹性悬臂22的形变量更大，使第一振动件2的振幅更大，从而进一步提高像素发声单元所发出脉冲声波的声压级。

进一步地，如图2所示，上述的像素发声单元中，第一中间部23上设置有至少一个通孔231。利用了空气的热粘性边界层特性，当被挤压的空气从通孔231中流过时，孔壁面对气体产生阻尼作用，通孔231的数量少、直径大时，其阻尼小，通过改变设置在第一中间部23上的通孔231的数目及直径的不同，进而调节像素发声单元的振动阻尼特性。

进一步地，上述的像素发声单元中，通孔231的孔径为1μm~10μm；示例性地，通孔231的孔径为1μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm等。当通孔231的孔径为1μm~10μm时，空气通过通孔231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，提高像素发声单元的发声效果。

作为一种可能实现的方式，上述的像素发声单元中，第二振动件5包括第二边缘部51、第二弹性悬臂52和第二中间部53，第二边缘部51与介质结构4固定连接；第二弹性悬臂52的一端与第二边缘部51固定连接；第二中间部53与第二弹性悬臂52的另一端固定连接，第二中间部53与第二边缘部51之间形成有第二间隙；振动间隙3通过第二间隙与外界大气连通。在工作过程中，在电场作用下，第二中间部53朝向第一振动件2运动，进而带动第二弹性悬臂52产生形变，第二弹性悬臂52的弹性模量大于第二振动件5的第二中间部53，进而在相同电场的作用下，第二弹性悬臂52的形变量更大，使第二振动件5的振幅更大，从而进一步提高像素发声单元所发出脉冲声波的声压级。

在一些实施例中，第一振动件2的第一中间部23与第一边缘部21之间形成有第一间隙，第二振动件5的第二中间部53与第二边缘部51之间形成有第二间隙，基底1的底部为封闭结构，空气后腔11、第一间隙、振动间隙3、第二间隙、外界大气依次连通。

在另一些实施例中，第二振动件5为整体结构时，第一振动件2具有第一间隙或者通孔，基底1的底部具有通气孔，振动间隙3通过第一间隙或者通孔与空气后腔11连通，空气后腔11通过通气孔与外界大气连通。

作为一种可能实现的方式，上述的像素发声单元中，第一振动件2靠近第二振动件5的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构；和/或，第二振动件5靠近第一振动件2的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构；示例性地，第一振动件2靠近第二振动件5的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构；或者，第二振动件5靠近第一振动件2的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构；或者，第一振动件2靠近第二振动件5的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构，且第二振动件5靠近第一振动件2的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构。如此设置，使得第一振动件2和第二振动件5靠近时，第一绝缘凸结构或第二绝缘凸结构会防止第一振动件2和第二振动件5直接接触，进而防止第一振动件2和第二振动件5导通，影响发声效果；另外，防止第一振动件2和第二振动件5因为表面范德华力粘接。

在一些实施例中，第一绝缘凸结构设置于第一振动件2的第一中间部23靠近第二振动件5的一侧，第二绝缘凸结构设置于第二振动件5的第二中间部53靠近第一振动件2的一侧。

在一些实施例中，上述的像素发声单元中，第一振动件2的厚度小于或等于30μm；和/或，第二振动件5的厚度小于或等于30μm；示例性地，第一振动件2的厚度小于或等于30μm；或者，第二振动件5的厚度小于或等于30μm；或者，第一振动件2的厚度小于或等于30μm，且第二振动件5的厚度小于或等于30μm。如此设置，能够保证第一振动件2和第二振动件5具有良好的弹性性能且使像素发声单元具有良好的声学性能。

在一些实施例中，上述的像素发声单元中，第一振动件2和第二振动件5之间的间距为0.5μm~50μm；示例性地，第一振动件2和第二振动件5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第一振动件2和第二振动件5之间的间距，保证第一振动件2和第二振动件5的振幅和振动频率。

具体地，上述的像素发声单元中，介质结构4的材质为绝缘材料。如此设置，能够防止第一振动件2和第二振动件5导通，影响发声效果。

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，本发明实施例提供的一种数字扬声器的每个像素发声单元的第一振动件2和第二振动件5同频振动，振动频率更高，振动速度更快，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。

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)

1.一种像素发声单元，其特征在于，包括：

基底，所述基底的一侧设置有空气后腔，所述空气后腔与外界大气连通；

第一振动件，所述第一振动件固定设置于所述基底具有所述空气后腔的一侧；

介质结构，所述介质结构固定设置于所述第一振动件远离所述基底的一侧；

第二振动件，所述第二振动件固定设置于所述介质结构远离所述第一振动件的一侧，所述第二振动件和所述第一振动件之间形成有振动间隙，在静电作用下，所述第一振动件和所述第二振动件相互吸引，所述第二振动件朝向所述第一振动件运动，同时所述第一振动件朝向所述第二振动件运动，在所述第一振动件和所述第二振动件相互吸合和分离的过程中推动所述振动间隙和所述空气后腔内的空气，完成发声。

2.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述第一振动件包括：

第一边缘部，所述第一边缘部与所述介质结构固定连接；

第一弹性悬臂，所述第一弹性悬臂的一端与所述第一边缘部固定连接；

第一中间部，所述第一中间部与所述第一弹性悬臂的另一端固定连接，所述第一中间部与所述第一边缘部之间形成有第一间隙。

3.根据权利要求2所述的像素发声单元，其特征在于，所述第一中间部上设置有至少一个通孔。

4.根据权利要求3所述的像素发声单元，其特征在于，所述通孔的孔径为1μm~10μm。

5.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述第二振动件包括：

第二边缘部，所述第二边缘部与所述介质结构固定连接；

第二弹性悬臂，所述第二弹性悬臂的一端与所述第二边缘部固定连接；

第二中间部，所述第二中间部与所述第二弹性悬臂的另一端固定连接，所述第二中间部与所述第二边缘部之间形成有第二间隙。

6.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述第一振动件靠近所述第二振动件的一侧设置有至少一个第一绝缘凸结构；

和/或，所述第二振动件靠近所述第一振动件的一侧设置有至少一个第二绝缘凸结构。

7.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述第一振动件的厚度小于或等于30μm；

和/或，所述第二振动件的厚度小于或等于30μm。

8.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述第一振动件和所述第二振动件之间的间距为0.5μm~50μm。

9.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述介质结构的材质为绝缘材料。

10.一种数字扬声器，其特征在于，包括多个如权利要求1至9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。