TWI583201B - 耳機 - Google Patents

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TWI583201B
TWI583201B TW101144941A TW101144941A TWI583201B TW I583201 B TWI583201 B TW I583201B TW 101144941 A TW101144941 A TW 101144941A TW 101144941 A TW101144941 A TW 101144941A TW I583201 B TWI583201 B TW I583201B
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林曉陽
姜開利
范守善
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鴻海精密工業股份有限公司
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Description

耳機
本發明涉及一種耳機，尤其係一種採用矽基底的耳機。
先前技術中的耳機一般包括殼體及設置於殼體內部的發聲裝置、一耳機控制器如耳機線控及一耳機插頭。發聲裝置一般由訊號輸入裝置和發聲元件組成，通過訊號輸入裝置輸入訊號到該發聲元件，進而發出聲音。
熱致發聲裝置為發聲裝置中的一種，其為基於熱聲效應的一種發聲裝置，該熱致發聲裝置通過向一導體中通入交流電來實現發聲。該導體具有較小的熱容(Heat capacity)，較薄的厚度，且可將其內部產生的熱量迅速傳導給周圍氣體介質的特點。當交流電通過導體時，隨交流電電流強度的變化，導體迅速升降溫，而和周圍氣體介質迅速發生熱交換，促使周圍氣體介質分子運動，氣體介質密度隨之發生變化，進而發出聲波。
然，先前熱致發聲裝置中奈米碳管膜厚度為奈米級，容易破損且不易加工、難以應用於耳機等小型化器件，並且，先前耳機的驅動模式亦無法適用於熱致發聲裝置的驅動。因此，如何解決上述問題係使上述熱致發聲裝置能夠應用於耳機並實現產業化及實際應用的關鍵。
有鑒於此，提供一種易加工、能夠實現小型化並可實現產業化的耳機實為必要。
一種耳機，其包括：一耳機頭，所述耳機頭包括一殼體及一熱致發聲裝置，該熱致發聲裝置設置於所述殼體內，其中，進一步包括：一訊號處理器，所述訊號處理器輸出訊號給所述熱致發聲裝置；及一音頻訊號輸入接口和一驅動訊號輸入接口，所述音頻訊號輸入接口和所述驅動訊號輸入接 口分別與所述訊號處理器電連接，分別輸入音頻訊號與驅動訊號給訊號處理器；所述熱致發聲裝置進一步包括一基底，所述基底具有一表面，該表面形成有複數凹槽；及一熱致發聲元件設置於所述基底的該表面並覆蓋所述複數凹槽，對應凹槽位置處的熱致發聲元件懸空設置。
一種耳機，其包括：一耳機頭，所述耳機頭包括一殼體及一設置於殼體內的熱致發聲裝置，其中，進一步包括：一訊號處理器，所述訊號處理器通過有線或無線方式輸出訊號給所述熱致發聲裝置；及一音頻訊號輸入接口和一驅動訊號輸入接口，所述音頻訊號輸入接口和所述驅動訊號輸入接口分別向所述訊號處理器輸入音頻訊號和驅動訊號，所述訊號處理器將輸入的音頻訊號與驅動訊號進行處理後輸出給所述熱致發聲裝置，驅動所述熱致發聲裝置發聲。
與先前技術相比較，所述耳機的熱致發聲裝置中，基底表面具有複數凹部，相鄰凹部之間形成一凸部支撐奈米碳管膜，保護奈米碳管膜能實現較好發聲效果的同時不易破損，另一方面，通過分別設置音頻訊號輸入接口及驅動訊號輸入接口分別與所述一訊號處理器電連接，能夠方便的驅動所述熱致發聲裝置發聲，工藝簡單，有利於耳機的產業化及實用化。
10，20，30‧‧‧耳機
11‧‧‧能量供應裝置
12‧‧‧殼體
13‧‧‧訊號處理器
14‧‧‧熱致發聲裝置
15‧‧‧耳機頭
16‧‧‧音頻訊號輸入接口
17‧‧‧耳機線
18‧‧‧驅動訊號輸入接口
100‧‧‧基底
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧凹部
103‧‧‧第二表面
104‧‧‧凸部
105‧‧‧凹槽
106‧‧‧第一電極
110‧‧‧熱致發聲元件
112‧‧‧第一區域
114‧‧‧第二區域
116‧‧‧第二電極
120‧‧‧絕緣層
121‧‧‧前半外殼單元
122‧‧‧第一絕緣層
123‧‧‧後半外殼單元
124‧‧‧第二絕緣層
125‧‧‧外接電極
126‧‧‧第三絕緣層
127‧‧‧金屬網罩
128‧‧‧承載元件
132‧‧‧音頻處理模組
134‧‧‧電流處理模組
182‧‧‧外殼
184‧‧‧電源輸入接口
圖1為本發明第一實施例提供的耳機的結構示意圖。
圖2為圖1所示的耳機結構的分解示意圖。
圖3為圖1所示耳機中訊號處理器的訊號處理的流程圖。
圖4為圖1所示的耳機中熱致發聲裝置的結構示意圖。
圖5為圖4所述的熱致發聲裝置沿V-V方向的剖面圖。
圖6為圖4所述的熱致發聲裝置的照片。
圖7為本發明第一實施例提供的耳機的聲壓級-頻率的曲線圖。
圖8為本發明第一實施例提供的耳機的發聲效果圖。
圖9為所述熱致發聲裝置中絕緣層為多層結構的結構示意圖。
圖10為圖1所述的耳機結構中熱致發聲元件的光學顯微鏡照片。
圖11為本發明耳機中奈米碳管膜的結構示意圖。
圖12為本發明耳機中非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。
圖13為本發明耳機中扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。
圖14為本發明第二實施例提供的耳機的結構示意圖。
圖15為本發明第三實施例提供的耳機的結構示意圖。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的耳機。
請參閱圖1及圖2，本發明第一實施例提供一種耳機10，所述耳機包括一耳機頭15，一訊號處理器13、一音頻訊號輸入接口16及一驅動訊號輸入接口18，所述驅動訊號輸入接口18通過耳機線17與所述耳機頭15連接，所述音頻訊號輸入接口16通過耳機線17與所述驅動訊號輸入接口18連接。所述音頻訊號輸入接口16電連接所述訊號處理器13，以提供音頻訊號；所述驅動訊號輸入接口18電連接所述訊號處理器13，以提供驅動電壓；所述耳機頭15連接所述訊號處理器13以還原音頻訊號。
所述耳機頭15包括一殼體12及一熱致發聲裝置14，所述殼體12為一中空結構，所述熱致發聲裝置14設置於所述殼體12內。所述殼體12的材料為品質較輕並具有一定強度的材料，如：塑膠、樹脂、合金等。所述殼體12與人耳大小相當，其形狀為允許將耳機10安裝在外耳凹槽大小的橢圓形狀。所述殼體12具有一開口作為所述耳機頭15的出聲部，所述熱致發聲裝置14與所述殼體12的出聲部面對且間隔設置。可以理解，所述耳機10也可為入耳式耳機。所述殼體12包括一前半外殼單元121及一後半外殼單元123，兩者通過在對接表面的對接環(圖未示)之間的結合彼此連接形成所述封閉的殼體。所述後半外殼單元123為一封閉的殼體，即所述後半外殼單元123除與前半外殼單元121對接的接口，及耳機線17的入口，不含有其他通孔。所述前半外殼單元121具有一開口作為所述出聲部，且所述前半外殼單元121進一步包括一金屬網罩127覆蓋所述出聲部，所述金屬網罩127用於保護殼體12內的熱致發聲裝置14及防塵等，並將熱致發聲裝置14發出的聲音傳導至殼體12外部，繼而傳入人耳。所述熱致發聲裝置14容置於所述殼體12內，其位置不限，只要保證所述熱致發聲裝置14能夠從出聲部發聲即可。本實施例中，所述熱致發聲裝置14設置於所述後半外殼單元123中，具體的，所述後半外殼單元123中進一步容納 有一承載元件128，所述承載元件128形狀及材料不限，只要能夠固定所述熱致發聲裝置123即可。本實施例中，所述承載元件128固定於所述後半外殼單元123中，所述承載元件128用於固定所述熱致發聲裝置14。所述承載元件128為一PCB(Printed Circuit Board)板，所述PCB板卡入所述後半外殼單元123中並固定，具體的，所述熱致發聲裝置14通過黏結劑固定於所述PCB板的表面。所述PCB板進一步設置有複數外接電極125，所述外接電極125連接耳機線17與所述熱致發聲裝置14的電極，以實現熱致發聲裝置14與訊號處理器13的電連接。
請一併參閱圖3，所述驅動訊號輸入接口18包括一外殼182及包覆於外殼182中的一電源輸入接口184，所述電源輸入接口184的形式不限，只要能夠通過接入電源獲取驅動訊號即可。本實施例中，所述驅動訊號輸入接口18為一USB插頭，所述電源輸入接口184為一USB接口，所述USB接口通過插入電腦上的USB插口或者與其他電源設備的USB口電連接獲取電流。
所述訊號處理器13輸出訊號給所述熱致發聲裝置14，所述輸出訊號的方式不限，例如可通過有線或無線(如：藍牙)等方式輸出訊號。本實施例中，所述訊號處理器13通過一耳機線17輸出訊號給所述熱致發聲裝置14。所述可集成於所述驅動訊號輸入接口18的外殼182中，具體的，所述訊號處理器13設置於所述電源輸入接口184後端的一PCB板上，並密封於所述外殼182中。所述電源輸入接口184可通過焊接的方式與所述PCB板上的訊號處理器13連接，並且通過外殼182與所述訊號處理器13形成一一體結構。本實施例中，由於所述驅動訊號輸入接口18為一USB插頭，所述USB插頭具有一外殼及設置於外殼的USB接口，因此所述訊號處理器13可封裝於所述USB插頭的外殼中，並通過所述USB接口獲取驅動訊號。通過將所述訊號處理器13集成於所述驅動訊號輸入接口18內，可以減少各元件之間導線的使用，提高集成度，進而降低成本，同時降低耳機10的阻抗，降低驅動電壓。本實施例中，所述驅動電壓為5V。
所述訊號處理器13內設置有訊號處理器，包括一音頻處理模組132及電流處理模組134。所述音頻訊號輸入接口16與所述音頻處理模組132電連接以輸入音頻訊號，所述驅動訊號輸入接口18與所述電流處理模組134 電連接以輸入驅動訊號。所述訊號處理器13將輸入的音頻訊號及驅動訊號處理後，輸入所述熱致發聲裝置14使其發聲。所述音頻處理模組132對音頻訊號具有功率放大作用，用於將輸入的音頻訊號放大後輸入至該熱致發聲裝置14。所述電流處理模組134用於對從驅動訊號輸入接口18中的電源輸入接口184輸入的直流電流進行偏置，從而解決音頻電訊號的倍頻問題，為所述熱致發聲裝置14提供穩定的輸入電流，以驅動所述熱致發聲裝置14正常工作。所述訊號處理器13的尺寸和形狀不限，由於所述訊號處理器13僅用於實現功率放大及直流偏置的作用，面積可以小於1平方釐米，如49平方毫米，25平方毫米，9平方毫米或更小，從而可以方便的集成於所述驅動訊號輸入接口18中。可以理解，所述訊號處理器13也可通過耳機線分別與所述音頻訊號輸入接口16、驅動訊號輸入接口18電連接，即所述訊號處理器13也可作為單獨元件設置於驅動訊號輸入接口18外部。所述訊號處理器13還可集成於所述耳機10的耳機控制器(圖未示)中。
所述音頻訊號輸入接口16通過耳機線17連接入所述驅動訊號輸入接口18內的訊號處理器13，從而將音頻訊號輸入所述音頻處理模組132。所述音頻訊號輸入接口16的形式不限，本實施例中，所述音頻訊號輸入接口16可為一身歷聲耳機插頭，如2.5毫米耳機插頭、3.5毫米耳機插頭等，本實施例中，所述音頻訊號輸入接口16為一3.5毫米身歷聲耳機插頭，將從播放設備中輸出的音頻訊號輸入到所述音頻處理模組132中，經訊號處理後，輸入所述熱致發聲裝置14中，然後經熱致發聲裝置14還原出來。
請一併參閱圖4、圖5及圖6，所述熱致發聲裝置14為包括一基底100、一熱致發聲元件110、一絕緣層120、至少一第一電極106及至少一第二電極116。所述熱致發聲元件110與所述前半外殼單元121中的金屬網罩127間隔且面對設置，即所述熱致發聲元件110的表面面對所述殼體12的出聲部。該第一電極106及第二電極116間隔設置並與該熱致發聲元件110電連接，並且所述第一電極106及第二電極116與所述PCB板上的外接電極125電連接，從而使所述熱致發聲元件110與所述訊號處理器13電連接。該基底100包括一第一表面101及與該第一表面101相對的第二表面103，所述第一表面101具有複數凸部104，相鄰的凸部104之間形成一凹部102，所述絕緣層120設置於所述基底100的第一表面101，該熱致發聲元件110 設置於所述第一表面101並通過絕緣層120與所述基底100絕緣設置。所述熱致發聲元件110具有一第一區域112及一第二區域114，所述第一區域112的熱致發聲元件110懸空設置於所述凹部102，並與所述凹部102的底面間隔設置。所述第二區域114的熱致發聲元件110設置於所述凸部104的頂面，並通過絕緣層120與所述凸部104絕緣設置。
該基底100為一平面片狀結構，形狀不限，可為圓形、方形或矩形等，也可以為其他形狀。所述基底100的面積為25平方毫米~100平方毫米，具體可選擇為如36平方毫米、64平方毫米或80平方毫米等。所述基底100的厚度為0.2毫米~0.8毫米。可以理解，所述基底100並不限於上述平面片狀結構，只要確保所述基底100具有一表面承載所述熱致發聲元件110即可，也可選擇為塊狀結構、弧面結構、曲面結構等。所述基底100的材料可為單晶矽、多晶矽或其他半導體材料，只要保證所述材料能夠形成一承載表面以承載熱致發聲元件110即可。進一步的，所述半導體材料可適用於先前微電子加工工藝。所述基底100具有良好的導熱性能，從而可將所述熱致發聲元件110在工作中產生的熱量及時的傳導到外界，延長熱致發聲元件110的使用壽命。本實施例中，該基底100為一邊長為8毫米的正方形平面片狀結構，厚度為0.6毫米，材料為單晶矽。
所述複數凹部102設置於所述基底100將承載所述熱致發聲元件110的表面，即第一表面101。該複數凹部102均勻分佈、以一定規律分佈或隨機分佈於所述第一表面101。優選地，該複數凹部102相互間隔設置。該複數凹部102可以為通孔結構、盲槽結構或盲孔結構中的一種或複數。在所述凹部102從基底100的第一表面101向基底100內部延伸的方向上，所述每一凹部102具有一底面及與該底面相鄰的側面。相鄰的凹部102之間為所述凸部104，相鄰凹部102之間的基底100的表面為所述凸部104的頂面。所述第一區域112的熱致發聲元件110對應於所述凹部102位置，第一區域112的熱致發聲元件110懸空設置，即，所述第一區域112的熱致發聲元件110不與所述凹部102的側面和底面接觸。
請一併參閱圖7及圖8，所述凹部102的深度可根據實際需要及所述基底100的厚度進行選擇，優選地，所述凹部102的深度為100微米~200微米，使基底100在起到保護熱致發聲元件110的同時，又能確保所述熱致 發聲元件110與所述基底100之間形成足夠的間距，防止工作時產生的熱量直接被基底100吸收而無法完全實現與周圍介質熱交換造成音量降低，並保證所述熱致發聲元件110在各發聲頻率均有良好的發聲效果，並且也避免所述凹部102深度過大時產生聲音干涉，影響發聲品質。當所述凹部102為凹槽時，所述凹部102在所述第一表面101延伸的長度可小於所述基底100的邊長。該凹部102在其延伸方向上的橫截面的形狀可為V形、長方形、梯形、多邊形、圓形或其他不規則形狀。所述凹槽的寬度(即所述凹部102橫截面的最大跨度)為大於等於0.2毫米小於1毫米。當所述凹槽橫截面的形狀為倒梯形時，所述凹槽跨寬隨凹槽的深度增加而減小。所述倒梯形凹槽底角α的角度大小與所述基底100的材料有關，具體的，所述底角α的角度大小與所述基底100中單晶矽的晶面角相等。優選地，所述複數凹部102為複數相互平行且均勻間隔分佈的凹槽設置於基底100的第一表面101，每相鄰兩個凹槽之間的槽間距d1為20微米~200微米，從而保證後續第一電極106及第二電極116通過絲網印刷的方法製備，且能夠充分利用所述基底100表面，同時保證蝕刻的精確，從而提高發聲的品質。本實施例中，該基底100第一表面101具有複數平行等間距分佈的倒梯形凹槽，所述倒梯形凹槽在第一表面101的寬度為0.6毫米，所述凹槽的深度為150微米，每兩個相鄰的凹槽之間的間距d1為100微米。所述倒梯形凹槽底角α的大小為54.7度。
所述絕緣層120可為一單層結構或者一多層結構。當所述絕緣層120為一單層結構時，所述絕緣層120可僅設置於所述凸部104的頂面，也可貼附於所述基底100的整個第一表面101。所述“貼附”係指由於所述基底100的第一表面101具有複數凹部102及複數凸部104，因此所述絕緣層120直接覆蓋所述凹部102及所述凸部104，對應凸部104位置處的絕緣層120貼附在所述凸部104的頂面；對應凹部102位置處的絕緣層120貼附在所述凹部102的底面及側面，即所述絕緣層120的起伏趨勢與所述凹部102及凸部104的起伏趨勢相同。無論哪種情況，所述絕緣層120使所述熱致發聲元件110與所述基底100絕緣。
所述絕緣層120的材料可為二氧化矽、氮化矽或其組合，也可以為其他絕緣材料，只要能夠確保所述絕緣層120能夠使熱致發聲元件110與所 述基底100絕緣即可。所述絕緣層120的整體厚度可為10奈米~2微米，具體可選擇為50奈米、90奈米或1微米等，本實施例中，所述絕緣層的厚度為1.2微米。
進一步的，如圖9所示，所述熱致發聲裝置14中，所述絕緣層120為一多層結構。所述多層結構的絕緣層120中，所述絕緣層120可僅設置於所述凸部104的表面；也可貼附於所述基底100的第一表面101；也可某一單層只貼附於凸部104的表面，而其他層則貼附於所述基底100的整個第一表面101。本實施例中，所述絕緣層120包括一第一絕緣層122，第二絕緣層124及第三絕緣層126。所述第一絕緣層122及第二絕緣層124為一不連續的結構，且依次層疊貼附於所述凸部104的頂面；所述第三絕緣層126為一連續的層狀結構，貼附於所述第二絕緣層124的表面及所述凹部102的底面及側面。所述第一絕緣層122的材料為二氧化矽，所述第二絕緣層124的材料為氮化矽，所述第三絕緣層126的材料為二氧化矽。
所述絕緣層120由多層絕緣材料組成的多層結構時，每一層的絕緣材料可相同或不同。所述每一層的絕緣材料的厚度可為10奈米~1微米，可根據具體元件的需要選擇。本實施例中，所述絕緣層120由三層材料組成，所述第一絕緣層122的材料為二氧化矽，厚度為100奈米；所述第二絕緣層124的材料為氮化矽，厚度為90奈米；所述第三絕緣層126的材料為二氧化矽，厚度為1微米。所述多層設置的絕緣層120可充分的保證所述熱致發聲元件110與所述基底100的電絕緣，並且可減少或避免所述矽基底100在製備過程中被氧化的現象。
請一併參閱圖10，所述熱致發聲元件110設置於所述基底100的第一表面101，具體的，所述熱致發聲元件110設置於所述絕緣層120的表面。即所述熱致發聲元件110的第一區域112懸空設置於所述凹部102上，所述熱致發聲元件110的第二區域114設置於所述凹部102頂面的絕緣層120表面。可以理解，為使該奈米碳管膜更好的固定於該基底100的第一表面101，可在所述凸部104的頂面設置一黏結層或黏結點，從而使熱致發聲元件110通過該黏結層或黏結點固定於該基底100的第一表面101。先前技術領域的人可以想到，為實現特定的功能，如上述固定功能，該熱致發聲元件110可不直接與該基底100的第一表面101接觸，而係設置於一中間元 件表面，該中間元件設置於該基底100的第一表面101與該熱致發聲元件110之間。
所述熱致發聲元件110具有較小的單位面積熱容。本發明實施例中，該熱致發聲元件110的單位面積熱容小於2×10-4焦耳每平方釐米開爾文。具體地，該熱致發聲元件110為一具有較大比表面積及較小厚度的導電結構，從而使該熱致發聲元件110可以將輸入的電能轉換為熱能，並與周圍介質充分快速的進行熱交換。優選地，該熱致發聲元件110應為自支撐結構，所謂“自支撐結構”即該熱致發聲元件110無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。因此，該自支撐的熱致發聲元件110可部份懸空設置。該自支撐結構的熱致發聲元件110可充分的與周圍介質接觸並進行熱交換。該熱致發聲元件110可為一膜狀結構或線狀結構，如一熱致發聲膜。
所述熱致發聲元件110可包括一層狀奈米碳管結構，所述層狀奈米碳管結構可由複數奈米碳管組成。即所述奈米碳管結構為層狀結構，厚度優選為0.5奈米~1毫米。當該奈米碳管結構厚度比較小時，例如小於等於10微米，該奈米碳管結構有很好的透明度。所述奈米碳管結構為自支撐結構。該自支撐的奈米碳管結構中複數奈米碳管間通過凡得瓦力相互吸引，從而使奈米碳管結構具有特定的形狀。故該奈米碳管結構部份通過基底100支撐，並使奈米碳管結構其他部份懸空設置。所述層狀奈米碳管結構包括複數沿同一方向延伸的奈米碳管，所述奈米碳管的延伸方向與所述凹槽的延伸方向形成一夾角。
所述層狀奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜或奈米碳管線或其組合。所述熱致發聲元件110為單層的奈米碳管膜時，該奈米碳管膜設置於該基底100的第一表面101，包括懸空設置於凹部102的第一區域112及設置於凸部104頂面的第二區域114。所述奈米碳管膜的厚度為50奈米，光透過率為67%~95%。所述奈米碳管膜從奈米碳管陣列中直接拉取獲得。該奈米碳管膜的厚度為0.5奈米~100微米，單位面積熱容小於1×10-6焦耳每平方釐米開爾文。所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管和多壁奈米碳管中的一種或複數。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，雙壁奈米碳管的直徑為1奈米~50奈米，多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。該奈米碳管膜長度不限，寬度取決於奈米碳管陣列的寬度。請參閱圖 11，每一奈米碳管膜係由複數奈米碳管組成的自支撐結構。所述複數奈米碳管為基本沿同一方向擇優取向排列，且所述奈米碳管的延伸方向與所述凹槽的延伸方向形成一夾角。所述擇優取向係指在奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜的表面。進一步地，所述奈米碳管膜中多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述自支撐為奈米碳管膜不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管膜置於(或固定於)間隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管膜中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部份接觸。該複數奈米碳管大致平行且大致平行於所述基底100的第一表面101。當所述奈米碳管膜的寬度較小時，該奈米碳管結構包括複數奈米碳管膜共面的鋪設於基底100的第一表面101。另外，該奈米碳管結構可包括多層相互重疊的奈米碳管膜，相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管之間具有一交叉角度α，α大於等於0度且小於等於90度。
所述奈米碳管膜具有較強的黏性，故該奈米碳管膜可直接黏附於所述凸部104位置處絕緣層120的表面。所述奈米碳管膜中奈米碳管的延伸方向與所述凹部102的延伸方向形成一定夾角，優選的，所述奈米碳管的延伸方向垂直於所述凹部102的延伸方向。進一步地，當將所述奈米碳管膜黏附於凸部104的頂面後，可使用有機溶劑處理黏附在基底100上的奈米碳管膜。具體地，可通過試管將有機溶劑滴落在奈米碳管膜表面浸潤整個 奈米碳管膜。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，微觀上，該奈米碳管膜中的部份相鄰的奈米碳管會收縮成束。奈米碳管膜與基體的接觸面積增大，從而可以更緊密地貼附在凸部104的頂面。另外，由於部份相鄰的奈米碳管收縮成束，奈米碳管膜的機械強度及韌性得到增強，且整個奈米碳管膜的表面積減小，黏性降低。宏觀上，該奈米碳管膜為一均勻的膜結構。
本實施例中，所述熱致發聲元件110包括複數平行且間隔設置的奈米碳管線。所述複數奈米碳管線相互平行且間隔設置形成的一層狀奈米碳管結構，所述奈米碳管線的延伸方向與所述凹部102的延伸方向交叉形成一定角度，且奈米碳管線中奈米碳管的延伸方向平行於所述奈米碳管線的延伸方向，從而使所述奈米碳管線對應凹部102位置部份懸空設置。優選的，所述奈米碳管線的延伸方向與所述凹部102的延伸方向垂直。相鄰兩個奈米碳管線之間的距離為1微米~200微米，優選地，為50微米~150微米。本實施例中，所述奈米碳管線之間的距離為120微米，所述奈米碳管線的直徑為1微米。
所述奈米碳管線可以為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。所述非扭轉的奈米碳管線與扭轉的奈米碳管線均為自支撐結構。具體地，請參閱圖12，該非扭轉的奈米碳管線包括複數沿平行於該非扭轉的奈米碳管線長度方向延伸的奈米碳管。具體地，該非扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。非扭轉的奈米碳管線為將上述奈米碳管膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述奈米碳管膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管膜中的相互平行的複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，從而使奈米碳管膜收縮為一非扭轉的奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。通過有機溶劑處理的非扭轉的奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比，比表面積減小，黏性降低。
所述扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將上述奈米碳管膜沿奈米碳管延伸方向的兩端依照相反方向扭轉獲得。請參閱圖13，該扭轉的奈米碳管線包括複數繞該扭轉的奈米碳管線軸向螺旋延伸的奈米碳管。具體地，該扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小，密度及強度增大。
所述奈米碳管線及其製備方法請參見申請人於2002年9月16日申請的，於2008年8月20日公告的第CN100411979C號中國大陸公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司，及於2005年12月16日申請的，於2009年6月17日公告的第CN100500556C號中國大陸公告專利“奈米碳管絲及其製作方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。
所述至少一第一電極106及至少一第二電極116分別與所述熱致發聲元件110電連接，以使該熱致發聲元件110接入一音頻電訊號。本實施例中，所述熱致發聲裝置14包括複數第一電極106及複數第二電極116交替設置於所述凸部104的絕緣層120表面，所述複數第一電極106彼此電連接形成一梳狀電極並與外接電極125電連接，所述複數第二電極116彼此電連接形成一梳狀電極並與所述外接電極125電連接。該第一電極106及第二電極116由導電材料形成，其形狀及結構不限。具體地，該第一電極106及第二電極116可選擇為細長的條狀、棒狀、或其他形狀。該第一電極106及第二電極116的材料可選擇為金屬、導電聚合物、導電膠、金屬性奈米碳管或銦錫氧化物(ITO)等。可以理解，所述第一電極106及第二電極116也可設置於所述熱致發聲元件110遠離基底100的表面，並直接壓緊該熱致發聲元件110將其固定於基底100上。
由於奈米碳管沿軸向具有優異導電性，當奈米碳管結構中的奈米碳管 為沿一定方向有序排列時，優選地，所述第一電極106及第二電極116的設置應確保所述奈米碳管結構中奈米碳管沿第一電極106至第二電極116的方向延伸。優選地，所述第一電極106及第二電極116之間應具有一基本相等的間距，從而使第一電極106及第二電極116之間區域的奈米碳管結構能夠具有一基本相等的電阻值，並且，所述第一電極106及第二電極116的長度大於等於奈米碳管結構的寬度，從而可以使整個奈米碳管結構均得到利用。本實施例中，所述奈米碳管沿基本垂直該第一電極106及第二電極116長度方向排列，所述第一電極106及第二電極116相互平行設置。所述音頻電訊號通過該第一電極106及第二電極116輸入該奈米碳管結構。
可以理解，由於該熱致發聲元件110的發聲原理為“電-熱-聲”的轉換，故該熱致發聲元件110在發聲的同時會發出一定熱量。本實施例中，該凹槽結構有利於增進該熱致發聲元件110的散熱效果。進一步地，所述熱致發聲裝置14可包括一散熱裝置(圖未示)設置於該基底100遠離該熱致發聲元件110的表面。
進一步的，所述訊號處理器13還可集成設置在所述耳機頭15的殼體12內，例如可設置於所述基底100的第二表面103或第一表面101，並密封於所述殼體12內，所述基底100的第二表面103具有至少一凹槽(圖未示)，所述訊號處理器13嵌入所述凹槽內。可以理解，所述訊號處理器13也可集成與所述承載元件128表面並密封於所述殼體12內。
由於所述基底100的材料為矽，因此所述訊號處理器13可直接形成於所述基底100中，即直接通過研磨、拋光、氧化、擴散、光刻、外延生長、蒸發等一整套平面工藝技術，在所述基底上製造電晶體、二極體、電阻和電容等元件，形成所述訊號處理器13，所述訊號處理器13中的電路、微電子元件等直接集成於基底100的第二表面103。所述基底100作為電子線路及微電子元件的載體，所述訊號處理器13與所述基底100為一體結構。從而能夠最大限度的減少單獨設置訊號處理器而佔用的空間，減小熱致發聲裝置14的體積，利於小型化及集成化。並且，所述基底100具有良好的散熱性，從而能夠將訊號處理器13及熱致發聲元件110產生的熱量及時傳導到外界，減少因熱量的聚集造成的失真。進一步的，所述訊號處理器13進 一步包括一第三電極(圖未示)及一第四電極(圖未示)分別與所述第一電極106及第二電極116電連接，向所述熱致發聲元件110提供訊號輸入。所述第三電極及所述第四電極可位於所述基底100的內部，並穿過所述基底100的厚度方向，與所述第一電極106及第二電極116電連接輸入訊號。所述第三電極及第四電極表面包覆有絕緣層，從而與所述基底100絕緣。
進一步的，所述耳機10還可進一步包括一耳機控制器(圖未示)，所述耳機控制器可通過耳機線17與所述耳機頭15電連接，所述耳機控制器可控制所述輸出音量的大小。所述訊號處理器13可集成於所述耳機控制器內，所述音頻訊號輸入接口16及所述驅動訊號輸入接口18分別與所述訊號處理器13電連接。
本發明提供的耳機具有以下有益效果：首先，上奈米碳管結構具有較小的單位面積熱容和較大的散熱表面，在輸入訊號後，奈米碳管結構可迅速升降溫，產生週期性的溫度變化，並和周圍介質快速進行熱交換，使周圍介質的密度週期性地發生改變，進而發出聲音；其次，所述熱致發聲裝置14採用矽材料作為基底100，因此所述熱致發聲裝置14易加工，可採用成熟的加工工藝，有利於製備微結構、微型器件，且有利於產業化發展；再次，所述基底100具有良好的導熱性，因此所述熱致發聲裝置14具有良好的散熱性，而無需單獨設置散熱元件；最後，所述熱致發聲裝置14相容目前的半導體製程，容易與其他元器件如IC晶片等集成，便於與其他元器件集成，減小佔用空間，十分適用於小尺寸的電子器件。
請參閱圖14，本發明第二實施例提供一種耳機20，所述耳機30包括一耳機頭15，一訊號處理器13，一驅動訊號輸入接口18通過耳機線17與所述耳機頭15連接，所述耳機頭15包括一殼體12及設置於殼體12內的熱致發聲裝置14。
本發明第二實施例提供的耳機20與所述耳機10結構基本相同，其不同在於，所述驅動訊號輸入接口18提供驅動電壓的同時，作為音頻訊號輸入接口，向所述訊號處理器13提供音頻訊號輸入，將外界的音頻訊號通過訊號處理器13處理後形成驅動訊號，輸入到耳機20中。具體的，所述驅動訊號輸入接口18中包括電流輸入線路及音頻訊號輸入線路，當所述驅動訊號輸入接口18與所述音頻輸出設備的輸出接口連接時，所述電流輸入線 路與所述訊號處理器13中的電流處理模組134電連接，用於為所述耳機20提供工作電流，所述音頻訊號輸入線路與所述訊號處理器13中的音頻處理模組132電連接，為所述訊號處理器13提供音頻訊號。所述耳機20無需單獨設置音頻輸入端及耳機線，減少線路產生的阻抗的同時，降低成本。
請參閱圖15，本發明第三實施例提供一種耳機30，所述耳機30包括一耳機頭15，一訊號處理器13，一音頻訊號輸入接口16及一能量供應裝置11。所述訊號處理器13通過一耳機線17與所述耳機頭15連接，所述音頻訊號輸入接口16及能量供應裝置11通過耳機線17與所述訊號處理器13連接。所述耳機頭15包括一殼體12及設置於殼體12內的熱致發聲裝置14。本發明第五實施例提供的耳機30與所述耳機10的結構基本相同，其不同在於，所述耳機30包括一能量供應裝置11，所述能量供應裝置11與所述訊號處理器13中的電流處理模組134電連接輸入驅動訊號，經所述電流處理模組134處理後為耳機頭15的熱致發聲裝置14提供訊號。
所述能量供應裝置11的形式不限，可為一物理式電池如太陽能電池、壓電電池、光敏化電池、熱敏化電池等；也可為一化學式電池如鉛蓄電池、鎳鎘電池、鋅錳電池、鋰電池等等。可為一次性電池也可為二次電池等。所述能量供應裝置11用於為所述耳機30提供驅動電壓，驅動所述熱致發聲裝置14工作。所述能量供應裝置11的具體形式不限，可根據實際需要進行選擇。當所述能量供應裝置11為一鋰電池時，所述鋰電池可集成於所述耳機30的殼體內。優選的，所述能量供應裝置11為一太陽能電池，所述太陽能電池為一平板狀結構或具有一定柔性，因此所述太陽能電池可直接貼附於所述殼體12的表面。所述太能能電池的設置位置不限，只要保證能夠接收太陽光並且不影響所述耳機30正常發聲即可，優選的，所述太陽能電池直接貼附於所述殼體12中後半外殼單元123的外表面，一方面不會影響所述耳機30的正常發聲，另一方面不影響耳機30佩戴的舒適度，並且能夠保證所述太陽能電池板儘量多的接受太陽光。進一步的，所述太陽能電池也可固定於所述殼體12內，並暴露出部份表面以接受太陽光，並將太陽光轉換為電能為所述耳機30提供能量。當所述耳機30包括一耳機控制器(圖未示)時，所述太陽能電池也可貼附於所述耳機控制器的外表面。
通過將所述能量供應裝置11與所述殼體12集成，從而可擺脫耳機30 對固定電源的依賴，可以隨時驅動所述耳機進行工作，極大的方便了所述耳機30的應用。
進一步的，所述訊號處理器13可同時集成於所述熱致發聲裝置14中，具體的，所述訊號處理器13可集成於所述承載元件128遠離熱致發聲裝置14的表面，也可直接集成於所述熱致發聲裝置14的基底100中，從而進一步減少耳機線的使用，降低耳機30的所需的輸入電壓，並且減小所述耳機30的體積，使得所述耳機30更方便攜帶及佩戴。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧耳機
15‧‧‧耳機頭
16‧‧‧音頻訊號輸入接口
17‧‧‧耳機線
18‧‧‧驅動訊號輸入接口

Claims (19)

  1. 一種耳機，其包括：一耳機頭，所述耳機頭包括一殼體及一熱致發聲裝置，該熱致發聲裝置設置於所述殼體內，其改良在於，進一步包括：一訊號處理器，所述訊號處理器輸出訊號給所述熱致發聲裝置；及一音頻訊號輸入接口和一驅動訊號輸入接口，所述音頻訊號輸入接口和所述驅動訊號輸入接口分別與所述訊號處理器電連接，分別輸入音頻訊號與驅動訊號給訊號處理器；所述熱致發聲裝置進一步包括一基底，所述基底之材料為矽，所述基底具有一表面，該表面形成有複數凹槽，每一凹槽的深度為100微米至200微米；及一熱致發聲元件設置於所述基底的該表面並覆蓋所述複數凹槽，對應凹槽位置處的熱致發聲元件懸空設置。
  2. 如請求項1所述的耳機，其中，所述驅動訊號輸入接口為一USB插頭，所述訊號處理器集成在所述USB插頭內。
  3. 如請求項1所述的耳機，其中，所述訊號處理器集成設置在耳機頭的殼體內。
  4. 如請求項1所述的耳機，其中，所述訊號處理器通過半導體工藝集成設置在所述基底上。
  5. 如請求項1所述的耳機，其中，進一步包括一耳機控制器與所述耳機頭電連接，所述訊號處理器集成在耳機控制器內。
  6. 如請求項1所述的耳機，其中，所述訊號處理器包括一音頻處理模組及一電流處理模組，所述音頻訊號輸入接口與所述音頻處理模組電連 接輸入音頻訊號，所述驅動訊號輸入接口與所述電流處理模組電連接輸入驅動訊號。
  7. 如請求項1所述的耳機，其中，所述基底的面積為25平方毫米至100平方毫米。
  8. 如請求項1所述的耳機，其中，所述複數凹槽的寬度大於等於0.2毫米小於1毫米。
  9. 如請求項1所述的耳機，其中，所述複數凹槽相互平行且間隔設置。
  10. 如請求項9所述的耳機，其中，所述熱致發聲元件包括複數平行且間隔設置的奈米碳管線，所述複數奈米碳管線沿同一方向延伸，且所述奈米碳管線的延伸方向與所述凹槽的延伸方向形成一夾角。
  11. 如請求項10所述的耳機，其中，相鄰奈米碳管線之間的間隔為0.1微米至200微米。
  12. 如請求項1所述的耳機，其中，所述熱致發聲元件與所述基底通過一絕緣層絕緣，所述絕緣層包括第一絕緣層、第二絕緣層層疊設置於所述複數凹槽之間的基底表面，及一第三絕緣層貼附於所述第二絕緣層的表面及所述複數凹槽的底面及側面。
  13. 如請求項1所述的耳機，其中，所述熱致發聲元件為一層狀奈米碳管結構，該層狀奈米碳管結構有複數奈米碳管組成。
  14. 如請求項12所述的耳機，其中，所述層狀奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜，所述奈米碳管膜包括複數奈米碳管與所述基底的表面平行，且沿同一方向擇優取向延伸。
  15. 如請求項1所述的耳機，其中，所述熱致發聲裝置進一步包括一第一電極和一第二電極間隔設置並與所述熱致發聲元件電連接，所述第一電極與所述第二電極之間的基底表面具有至少一凹槽。
  16. 如請求項15所述的耳機，其中，所述第一電極形成以第一梳狀電極，所述第二電極形成一第二梳狀電極，所述第一梳狀電極與第二梳狀電極相互交錯插入設置。
  17. 如請求項1所述的耳機，其中，所述殼體具有一出聲部，所述熱致發聲元件與所述殼體的出聲部面對且間隔設置。
  18. 一種耳機，其包括：一耳機頭，所述耳機頭包括一殼體及一設置於殼體內的熱致發聲裝置，其改良在於，進一步包括：一訊號處理器，所述訊號處理器通過有線或無線方式輸出訊號給所述熱致發聲裝置；及一音頻訊號輸入接口和一驅動訊號輸入接口，所述音頻訊號輸入接口和所述驅動訊號輸入接口分別向所述訊號處理器輸入音頻訊號和驅動訊號，所述訊號處理器將輸入的音頻訊號與驅動訊號進行處理後輸出給所述熱致發聲裝置，驅動所述熱致發聲裝置發聲，所述熱致發聲裝置進一步包括一基底，所述基底之材料為矽，所述基底的一表面形成有複數凹部；一熱致發聲元件，設置於所述基底的一表面，每一凹部的深度為100微米至200微米。
  19. 如請求項18所述的耳機，其中，所述熱致發聲元件包括一層狀奈米碳管結構，該層狀奈米碳管結構在所述複數凹部處懸空設置；及一第一電極和一第二電極間隔設置並與所述熱致發聲元件電連接。
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