TWI571137B

TWI571137B - 壓電式平面揚聲器及其製造方法

Info

Publication number: TWI571137B
Application number: TW102131951A
Authority: TW
Inventors: 莊承鑫; 賴炯憲
Original assignee: 南臺科技大學
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2017-02-11
Also published as: TW201511582A

Description

壓電式平面揚聲器及其製造方法

本發明係關於一種壓電式平面揚聲器及其製造方法，尤指同時採取兩種壓電材料並依同軸心結合於振膜，藉以提高整體頻段聲壓值之揚聲器者。

隨著時代的進步與消費者對於便攜性之需求，使消費性電子產品日漸朝輕、薄及微型化發展，而企業為因應此趨勢亦逐漸以「便攜性」為電子產品開發之目標，以揚聲器(Londspeaker)而言亦是如此。

而揚聲器係能將電子訊號轉換為聲音訊號，故目前已廣泛運用於各式交通工具與電子產品中，並成為現代生活中不可或缺之角色。一般揚聲器依運作原理主要可分為動圈式(Dynamic)、電磁式(Electromagnetic)、靜電式(Electrostatic)及壓電式(Piezoelectric)，其中，動圈式具有結構簡單、成本低廉、尺寸多元及發展技術成熟...等優點，因此，仍為目前最被廣泛使用之類型，而動圈式揚聲器其基本原理係依據佛萊明左手定律(Fleming's left hand rule)，其係將線圈置於磁鐵中並將線圈前端固定於紙盆或振膜上，使音頻電流通過線圈而令磁場產生變化，並使線圈隨電流變化而形成軸向運動並推動振膜發聲，但該種結構需配合永久磁鐵、線圈及音箱組成，而面對電子產品微形及薄形化之設計趨勢，使動圈式揚聲器容易受體積約制而無法有進一步的發展。

電磁式係於一U形的磁鐵中間設可移動之電樞，使電流經過線圈後電樞受磁化而與磁鐵產生吸斥現象，並帶動振膜運動，但此種結構雖具成本低廉之優點，但由於成效不佳，故僅能運用於少數產品。而靜電式為單一振膜，不僅構造簡單且無磁極，其基本原理係依據庫倫定律(Coulomb rule)，以塑膠質之膜片加上鋁等電感性材料真空汽化處理，使兩膜片於靜電力協同作用下前後移動，並伴隨音頻訊號源而振動發聲，由於靜電揚聲器其振膜質量輕薄，並具絕佳的解析力與動態反應，因此，能更迅速、直接的捕捉聲音中的細膩變化並反應出極佳的音質，但靜電式揚聲器仍具有面積龐大、造價不斐及效率不高之缺點而無法廣泛被應用。

壓電式揚聲器其結構簡單且不需外置音箱，而運作原理係利用逆壓電效應使多層壓電陶瓷片與金屬薄片所組成之振動薄膜產生形變，當電壓交替變化時，振動薄膜即會隨電壓與頻率之變化而產生雙向振動，並藉以推動空氣輻射出聲音，由於壓電式揚聲器無需線圈亦無電磁幅射，因此，散熱佳壽命亦較長，尤其振膜極為纖薄且外形幾乎不受限制，故能固定於有限的空間內，為發展微形化電子產品應用之首選，然而，壓電式揚聲器需藉高壓驅動，且仍無法發出較大的振幅，因此，僅能於高音頻範圍獲得優越的表現，對於低音頻之表現效能不佳且失真率高，故多應用於蜂鳴器、警報器...等高音頻電子產品，使其發展受限。

故如何使揚聲器於體積縮小之條件下仍能保有高音質、高聲壓、高感度、高頻寬、高效能、低驅動電壓及低失真之優勢已為產業界努力改進之目標。如美國第9,796,680號專利，即揭露一種質量輕巧且能於低頻表現絕佳聲壓水平之揚聲器，其係包含一具撓性之膜片，並藉該膜片之彈性將邊緣拉撐固定於環形支撐結構以形成聲膜，而位於支撐結構內部係設有致動器，該致動器具有一緩衝墊，且一端接觸於聲膜另一端則固定於堅固之表面，當電壓施加於壓電型致動器，其電流即於膜片內軸向移動，使膜片於低頻範圍內共振而獲得較高之聲壓。

美國第12,696,935號專利，係揭露一種壓電式微型揚聲器，其係包含一基板，該基板具有一腔體，並於腔體內設有一振膜，位於振膜上設置有壓電致動器並使振膜連接一活塞膜片，而能藉壓電致動器驅動振膜振動，並使穿過振膜而連接於活塞膜片之活塞桿在腔體中進行活塞運動，以利用活塞膜片之活塞運動而發出聲音，當連接於振膜中心之活塞膜片藉增加活塞桿運動而達到最大位移值時，則能達到增進聲壓之功效。

美國第12,878,293號專利，係揭露一種可提高低頻聲壓並減少失真之壓電揚聲器製造方法，其係包含一壓電薄膜，並分別於壓電薄膜之上、下方形成上電極及下電極，且於下電極下方設有阻尼材質層，而聲膜係藉阻尼材質層與具傾斜結構之壓電薄膜連接，最後以高彈性黏著材料將聲膜固定於骨架，而能藉此使壓電薄膜於聲膜中水平翻轉，進而防止駐波，降低失真。

台灣公告第I381747號專利，係揭露一種能改善低頻聲壓不足且具可撓性之微型揚聲器，其係包含兩環型壓電材料，並於兩環型壓電材料之間夾合一振膜，而能以振膜中央作為聲音輸出之工作區域，並可增加聲膜振動幅度，改善音壓不足之現象。

上述專利雖能藉所揭露之方法與結構來改善壓電式薄型或微型揚聲器普遍存在的低頻效能不佳之現象，但微型揚聲器對於高音質的表現上仍具有極大之改進空間。

發明人係專門從事於揚聲器之研究與開發工作，深知傳統壓電式微型揚聲器於低音頻段之表現效能不佳，遂乃依據多年之工作經驗積極進行改良，終於歷經數次的試驗與改進後，研擬出可提高整體聲壓值之壓電式平面揚聲器。

本發明之目的乃是利用軟性基板為振膜，並採取分別對於高音頻及低音頻具優勢之兩種壓電材料，以改善傳統壓電式揚聲器低頻效能差且失真率高之缺點。

本發明之另一目的乃是利用軟性基板配合兩種壓電材料，使揚聲器能縮小體積，並得適用於各式小型電子發聲產品及穿戴式電子。

為達前揭目的，本發明提供一種壓電式平面揚聲器，其結構包括：一軟性基板，該軟性基板鍍有金屬導體並以該軟性基板為振膜；一第一壓電材料，係結合於振膜中央；一第二壓電材料，呈中空環狀，並置於第一壓電材料外環；以及一支撐座，該支撐座呈中空環狀並置於第二壓電材料外環。其中，該第一壓電材料與第二壓電材料依同軸心結合於振膜上，並以第一壓電材料及第二壓電材料與振膜間之接觸面為接地電極，而第一壓電材料及第二壓電材料與空氣之接觸面為輸入訊號電極，且該第一壓電材料及該第二壓電材料分別對於高音頻段及低音頻段具優越效能。

而達成上述目的之揚聲器其製造流程如下：利用鍍有金屬導體之軟性基板作為軟性電路板，並於軟性電路板上使用標準光學微影製程定義其電極位置與圖案，再經光阻塗佈、軟烤、曝光、顯影、硬烤和蝕刻後，得到與光罩相同之圖案，接著，在第一壓電材料及第二壓電材料之上、下表面鍍上金屬電極層，並將第二壓電材料及支撐座切割為中空環狀，最後將切割完成之第一壓電材料、第二壓電材料及支撐座接合於軟性基板上，並使軟性基板置於最底層以作為振膜，振膜中央為第一壓電材料，位於第一壓電材料外環為第二壓電材料，而第二壓電材料外環則是支撐座，並進一步使第一壓電材料及第二壓電材料形成同軸，即完成揚聲器之製作，且能藉此同時驅動兩種壓電材料，並利用第一壓電材料及第二壓電材料各自的材料特性來提高該揚聲器整體頻段之聲壓值。

本發明：

1‧‧‧揚聲器

2‧‧‧軟性基板

3‧‧‧第一壓電材料

31‧‧‧金屬電極層

4‧‧‧第二壓電材料

41‧‧‧金屬電極層

5‧‧‧支撐座

6‧‧‧接地電極

7‧‧‧訊號輸入電極

8‧‧‧揚聲器

81‧‧‧軟性電路板

811‧‧‧PI軟性基板

812‧‧‧銅導體

813‧‧‧光阻

82‧‧‧光罩

83‧‧‧PVDF薄膜

84‧‧‧PZT薄膜

85‧‧‧銀電極

86‧‧‧Acrylic材料

87‧‧‧黏著層

S1‧‧‧以鍍有金屬導體之軟性基板為軟性電路板

S2‧‧‧塗佈光阻，進行曝光顯影工作

S3‧‧‧蝕刻

S4‧‧‧去光阻

S5‧‧‧於壓電材料上、下表面鍍銀電極

S6‧‧‧裁剪壓電材料

S7‧‧‧裁剪Acrylic材料

S8‧‧‧接合

第1圖係本發明實施例之立體分解圖。

第2圖係本發明實施例之立體圖。

第3圖係本發明實施例之剖視圖。

第4圖係本發明實施例之示意圖。

第5圖係本發明實施例揚聲器製作方法之流程圖。

第6圖係本發明實施例最佳模擬結果之聲壓頻譜圖。

第7圖係本發明實施例最佳實測結果之聲壓頻譜圖。

為使貴審查委員瞭解本發明欲達成目的所運用之技術、手段及功效，茲舉一較佳之實施例並配合圖式，詳細說明如后：首先，請參閱第1圖並配合第2圖所示，本實施例之揚聲器1結構包含一軟性基板2、一第一壓電材料3、一第二壓電材料4及一支撐座5。該軟性基板2為有機高分子材料聚亞醯胺(Polyimide,PI)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環烯烴共聚物(COC)或氧化銦鋅(IZO)之其中一種材料，而本實施例是利用聚亞醯胺(PI)作為軟性基板2，藉其輕、薄及耐撓曲之特性來協助揚聲器1平面化之實現，並以軟性基板2作為振膜；第一壓電材料3，為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride,PVDF)、鋯鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈦酸鋇(BT)、石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3)或鉭酸鋰(LiTaO3)之其中一種所構成，這當中又以鋯鈦酸鉛具良好之壓電特性、電光特性及熱電特性而被廣泛應用，故本實施例是利用鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷材料作為第一壓電材料3來展現高音頻段之良好效能；第二壓電材料4，具中空環狀結構，其材料為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride,PVDF)、鋯鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈦酸鋇(BT)、石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3)或鉭酸鋰(LiTaO3)之其中一種所構成，而本實施例是以高分子壓電材料聚偏二氟乙烯(PVDF)作為第二壓電材料4，藉以表現低音頻段之極佳效能；而支撐座5為中空之環狀，並能以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA,Acrylic)或由金、銀、銅、鋁、鐵、不銹鋼及其合金所組成之群組或其中一種材料構成，而本實施例是利用聚甲基丙烯酸甲酯(Acrylic)作為支撐座5之材料。

其次，請繼續參閱第3圖所示，係本發明實施例之剖視圖，主要是以軟性基板2為振膜，並將第一壓電材料3結合於振膜中央，而第二壓電材料4亦結合於振膜並置於第一壓電材料3之外環，使第一壓電材料3與第二壓電材料4依同軸心置振膜上，再將支撐座5結合於振膜並置於第二壓電材料4之外環，其中，該第一壓電材料3及第二壓電材料4之上、下表面鍍有金屬電極層31及41，並以軟性基板2與第一壓電材料3及第二壓電材料4之接觸面間設定為接地電極6(配合參閱第4圖)，而振膜中央之第一壓電材料3及第二壓電材料4與空氣之接觸面設定為訊號輸入電極7，使訊號輸入後，第一壓電材料3及第二壓電材料4激振其振動薄膜而產生聲音。

而本發明揚聲器8之製作流程，請接著參閱第5圖所示，係本發明實施例揚聲器製作方法之流程圖，主要是藉由標準光學微影製程製作微電極於軟性電路板81上，再將顯影完成之軟性電路板81與兩種壓電材料結合，最後黏接一環形Acrylic材料86以形成揚聲器8之結構，而其詳細步驟包含：步驟S1，以一鍍有銅導體812之PI軟性基板811為軟性電路板(Flexible Printed Circuit,FPC)81；步驟S2，藉曝光技術將完成定義之光罩82圖案進行轉移，其係將軟性電路板81置於割字繪圖機中以裁切為所需尺寸，並於清洗表面粉塵微粒、金屬離子及有機物後，藉塗佈機將光阻813均勻塗佈於軟性電路板81表面(於本實施例中光阻厚度約1~2μm)，再經由軟烤使液態呈現之光阻813轉變為固態薄膜(於本實施例中軟烤溫度及時間分別控制於70℃及30min)，接著藉光線照射以進行曝光動作，並經顯影後保留同光罩82之光阻813圖案，以形成蝕刻罩幕保護層，再透過硬烤增加光阻813與軟性電路板81之間的附著性(於本實施例中硬烤溫度及時間分別控制於75℃及30min)；步驟S3，將顯影完成之軟性電路板81放置於氯化鐵(Ferric Chloride Solution)溶液中進行蝕刻；步驟S4，藉由濕式有機之丙酮溶劑來破壞光阻813之結構，以去除光阻813並得到和光罩82相同之圖案；步驟S5，利用軟性壓電材料聚偏二氟乙烯(PVDF)以形成一PVDF薄膜83，並於該PVDF薄膜83之上、下表面鍍一層銀電極85，但並不以此金屬電極材料為限，再續以割字繪圖機將PVDF薄膜83裁剪出中空之環形結構；步驟S6，利用軟性壓電材料鋯鈦酸鉛(PZT)以形成一PZT薄膜84，並於該PZT薄膜84之上、下表面鍍一層銀電極85，但並不以此金屬電極材料為限；步驟S7，以雷射雕切機將Acrylic材料86切割為中空之環狀；步驟S8，藉黏著層87將切割完成之PVDF薄膜83、PZT薄膜84貼合於軟性電路板81(於本實施例中，該黏著層87為異方性導電膠)，再將Acrylic材料86結合於該軟性電路板81，並使該軟性電路板81置於最底層以形成振膜，振膜中央為PZT薄膜84，該PZT薄膜84外環為PVDF薄膜83，該PVDF薄膜83外環則是Acrylic材料86。

而利用厚度22μm之PI軟性基板811為振膜，並於中央置一厚度0.7mm的PZT薄膜84，PZT薄膜84外環為厚度52μm之PVDF薄膜83，PVDF薄膜83外環則是厚度1mm之Acrylic材料86，並使PZT薄膜 84與PVDF薄膜83為同軸心，以30V_pp正弦週期訊號為驅動電壓，再藉有限元素軟體(COMSOL)進行模擬，其結果請配合參閱第6圖所示，係本發明實施例最佳模擬結果之聲壓頻譜圖，圖面上之橫軸代表人耳能感受之音域頻率，一般以赫茲(Hz)表示；縱軸代表聲壓之數值階層，一般以分貝(dB)表示，而模擬結果顯示PZT薄膜84直徑為40mm時，若以PZT薄膜84為驅動端，於5 kHz至20 kHz高頻下之聲壓值可由80 dB上升至100 dB(如圖中之實線所示)；當驅動源為PVDF薄膜83時，於1 kHz至5 kHz低頻下之聲壓值可由40 dB上升至80 dB(如圖中之虛線所示)，故能有效改善傳統壓電式揚聲器低頻普遍聲壓不足之缺點。

而以上述結構實際測量之結果，請配合參閱第7圖所示，係本發明實施例最佳實測結果之聲壓頻譜圖，當PZT薄膜84直徑為25mm時，若以PZT薄膜84為驅動端，於10 kHz高頻下之聲壓值可由60 dB上升至70 dB(如圖中之實線所示)；當驅動源為PVDF薄膜83時，於800 Hz低頻下之聲壓值可由30 dB上升至50 dB(如圖中之虛線所示)。

經模擬與實測之結果顯示，利用一PI軟性基板811為振膜(請回顧第5圖)，並結合分別對低音頻段及高音頻段具優勢之PVDF薄膜83及PZT薄膜84，使PZT薄膜84置於振膜中央，並令PVDF薄膜83以PZT薄膜84為同軸心置於振膜，而能形成同軸雙聲道，以同時驅動PVDF薄膜83及PZT薄膜84，使揚聲器8於高音頻段時，以PZT薄膜84為驅動源，於低音頻段時，以PVDF薄膜83為驅動源，並藉PVDF薄膜83來提高壓電式揚聲器8於低音頻段之聲壓值，藉PZT薄膜84來保留原有陶瓷壓電材料對高音頻段之絕佳效能，而能有效提高整體頻段之聲壓值，降低失真率。

本發明係利用具撓性之軟性基板11作為振膜並利用兩種薄膜壓電材料(請回顧第2圖)，使製作完成之揚聲器1不僅結構簡單且具有體積纖薄短小之優勢，並能因應科技產品微型及薄型化之趨勢調整內部結構尺寸，以置於有限之產品空間內，而能廣泛應用於各式小型電子發聲產品及穿戴式電子並提高產業利用性。

綜上所述，本發明藉由同時採取兩種壓電材料並依同軸心置於振膜以形成雙聲道，並可改善壓電式揚聲器低頻效能不佳之缺陷，提高整體頻段之聲壓值，實以較傳統壓電式揚聲器更為創新、實用，理應符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。

1‧‧‧揚聲器

2‧‧‧軟性基板

3‧‧‧第一壓電材料

4‧‧‧第二壓電材料

5‧‧‧支撐座

Claims

一種壓電式平面揚聲器，包含：一軟性基板，該軟性基板鍍有金屬導體，並以該軟性基板為振膜；一第一壓電材料，該第一壓電材料之上、下表面各鍍有一金屬電極層，並使該第一壓電材料結合於該振膜中央；一第二壓電材料，該第二壓電材料形成中空環狀，且其上、下表面各鍍有一金屬電極層，並置於該第一壓電材料外環，且與該第一壓電材料依同軸心結合於該振膜；以及一支撐座，該支撐座呈中空環狀並置於該第二壓電材料外環，且結合於該振膜；位於該第一壓電材料及該第二壓電材料與該振膜間之接觸面為接地電極；而該第一壓電材料及該第二壓電材料與空氣之接觸面為輸入訊號電極，且該第一壓電材料及該第二壓電材料為分別對高頻或低頻具良好表現之材料者。
根據申請專利範圍第1項所述之壓電式平面揚聲器，其中，該軟性基板能為聚亞醯胺(Polyimide,PI)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環烯烴共聚物(COC)及氧化銦鋅(IZO)其中之一。
根據申請專利範圍第1項所述之壓電式平面揚聲器，其中，該第一壓電材料能為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride,PVDF)、鋯鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈦酸鋇(BT)、石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)其中之一。
根據申請專利範圍第1項所述之壓電式平面揚聲器，其中，該第二壓電材料能為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride,PVDF)、鋯鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈦酸鋇(BT)、石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)其中之一。
根據申請專利範圍第1項所述之壓電式平面揚聲器，其中，該支撐座能為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA,Acrylic)或由金、銀、銅、鋁、鐵、不銹鋼及其合金所組成之群組。
根據申請專利範圍第1項所述之壓電式平面揚聲器，其中，該金屬電極層之金屬為銀。
一種製造如申請專利範圍第1項所述之壓電式平面揚聲器之方法，包含： S1 採用鍍有金屬導體之軟性基板作為軟性電路板；S2 於軟性電路板塗佈光阻，並進行曝光顯影工作；S3 將顯影完成之軟性電路板進行蝕刻；S4 去除光阻並得到和光罩相同之圖案；S5 分別於兩種壓電材料之上、下表面鍍上金屬電極層；S6 將第二壓電材料裁剪為中空之環形結構；S7 將支撐座裁剪為中空之環形結構；S8 藉黏著層將兩種壓電材料貼合於軟性電路板，再將支撐座結合於該軟性電路板。
根據申請專利範圍第7項所述之壓電式平面揚聲器製造方法，其中，該金屬導體為銅。
根據申請專利範圍第7項所述之壓電式平面揚聲器製造方法，其中，該黏著層為異方性導電膠。
根據申請專利範圍第7項所述之壓電式平面揚聲器製造方法，其中，該兩種壓電材料為分別對於高頻及低頻具良好表現者。