TWI619392B - 帶有整合聲音功能之結構 - Google Patents

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Abstract

本文所揭示之實施例包括具有整合聲音功能之裝置，該裝置包括圖案化觸控螢幕蓋罩、聲音薄膜、複數個電極及基板。在一些實施例中，基板耦合至聲音薄膜，且減少從聲音薄膜穿過基板之熱損耗。聲音薄膜可耦合至圖案化觸控螢幕蓋罩，且導通由複數個電極提供之振盪電流，從而充當奈米級發聲器。在又一些實施例中，圖案化觸控螢幕蓋罩提供微型揚聲器陣列及觀看區，其中該微型揚聲器陣列安置在經圖案化觸控螢幕蓋罩之周邊周圍。

Description

帶有整合聲音功能之結構 【相關申請案之交叉引用】
本申請案根據專利法主張2012年10月26日申請之美國臨時申請案第61/718,980的優先權權利，該申請案之內容為本申請案之依據並且全部以引用之方式併入本文中。
本揭示案大體係關於帶有整合聲音功能之結構，且更特定而言，係關於具有用於提供聲音功能的微型揚聲器陣列的觸控螢幕裝置之實施例。
隨著電子裝置變得越來越先進，消費者現需要裝置包括音訊功能裝置，且在某些情況下需要裝置包括觸控螢幕顯示器。然而，將傳統錐形揚聲器併至該電子裝置通常是困難的，並且使裝置之大小增加。雖然傳統錐形揚聲器已變得較小，仍期望進一步減少電子裝置之大小。
本文所揭示之實施例包括具有整合聲音功能之裝置，該裝置包括圖案化觸控螢幕蓋罩、聲音薄膜、複數個電 極及基板。在一些實施例中，基板耦合至聲音薄膜，且減少從聲音薄膜穿過基板之熱損耗。聲音薄膜可耦合至圖案化觸控螢幕蓋罩，且導通由複數個電極提供之振盪電流，從而充當奈米級發聲器。在一些實施例中，圖案化觸控螢幕蓋罩提供微型揚聲器陣列及觀看區，其中該微型揚聲器陣列安置在圖案化觸控螢幕蓋罩之周邊周圍。
100‧‧‧電子裝置
102‧‧‧電子組件
104‧‧‧基板
106‧‧‧聲音薄膜
106a‧‧‧圖案化部分
106b‧‧‧非圖案化部分
108‧‧‧觸控螢幕蓋罩
108a‧‧‧圖案化部分
108b‧‧‧非圖案化部分
208‧‧‧微型揚聲器
308‧‧‧微結構
308a‧‧‧雙結構微結構
308b‧‧‧單結構微結構
404‧‧‧基板
404a‧‧‧基層
404b‧‧‧植入層
404c‧‧‧表層
406‧‧‧聲音薄膜層
408‧‧‧觸控螢幕蓋罩
410‧‧‧外部薄膜層
a1‧‧‧寬度
h1‧‧‧第一高度
a2‧‧‧第二寬度
h2‧‧‧第二高度
應瞭解，前述一般描述及以下詳細描述均描述各種實施例，並意欲提供用於理解所主張之標的物之本質與特徵的概述或框架。包括隨附圖式以提供對各種實施例之進一步理解，且隨附圖式併入本說明書中並構成本說明書之一部分。圖式圖示本文所述之各種實施例，且與描述一併用於解釋所主張標的物之原理及操作。
第1圖描繪根據本文所揭示之實施例之電子裝置之各種組件的透視圖，該電子裝置包括帶有整合聲音功能的觸控螢幕；第2圖描繪根據本文所揭示之實施例之具有複數個微型揚聲器之觸控螢幕的頂視圖，該複數個微型揚聲器用於提供聲音功能；第3圖描繪根據本文所揭示之實施例之觸控螢幕之側視圖，該觸控螢幕包括複數個微結構；及第4圖描繪根據本文所揭示之實施例之電子裝置之側視圖，該電子裝置包括在基板中的多孔層。
本文所揭示之實施例包括多層結構，該結構具有位於兩個玻璃片之間的透明、半透明及/或有色之導電薄膜(諸如薄碳奈米管、石墨烯、金屬奈米線、ITO(銦錫氧化物)、PEDOT聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)或其他透明導電薄膜)，其中在玻璃表面與充當奈米級發聲器之聲音薄膜之間製造電極。此等層可經圖案化以最佳化電子裝置之音訊及視訊效能。該等玻璃片之一者或兩者可包括薄覆蓋層。藉由將音頻之振盪電流施加至導電薄膜(諸如碳奈米管薄膜)，在熱聲效應之基礎上產生聲音。此舉在薄膜內產生振盪熱，該振盪熱在相鄰之周圍界面中產生溫度振盪，該溫度振盪又在周圍空氣中產生聲壓振盪。因此，在該等層沒有振動之情況下產生聲音。相應地，玻璃層可保護透明、半透明及/或有色之導電薄膜(諸如碳奈米管薄膜)免於損傷，並且致能透明、半透明及/或有色之導電薄膜與周圍空氣之間的熱交換。
現參照圖式，第1圖描繪根據本文所揭示之實施例之電子裝置100之各種組件的透視圖，該電子裝置包括觸控螢幕蓋罩108，諸如具有整合聲音功能之玻璃觸控螢幕蓋罩。如圖所示，電子裝置100包括具有整合視覺功能之電子組件102(可包括用於提供諸如電子影像之影像之影像源)、基板104、聲音薄膜106及觸控螢幕蓋罩108。電子組件102可經配置為行動電話、平板電腦或用於為顯示器提供影像信號及音訊信號之其他裝置的電子硬體或計算硬體。如以下更詳細論述，電子裝置100亦可經由耦合至聲音薄膜106之電極提供音訊信號，以用於經由觸控螢幕蓋罩108產生音訊。相應 地，基板104可由玻璃或其他類似材料構成且基板104可經配置為.熱絕緣體以減少由電極產生的逃逸至電子組件102中之熱量。基板104可經配置為剛性材料或可撓材料且基板104可經配置以收納及/或固定一或多個電極。
聲音薄膜106耦合至基板104。聲音薄膜106可由碳奈米管材料或其他具有類似特性之材料構成，且聲音薄膜106因此可經構造為奈米結構薄膜。根據所使用之特定材料，聲音薄膜106可具有在約0.5微米與約1.0微米之間的厚度且提供約6歐姆至約15歐姆之電阻。聲音薄膜106亦可具有薄膜長度及薄膜寬度，該薄膜長度及薄膜寬度實質上與觸控螢幕蓋罩108之蓋罩長度及蓋罩寬度相匹配。根據特定實施例，複數個電極可耦合於聲音薄膜106與基板104之間。因此，回應於對音訊信號之請求，電子組件102可發送電子信號(一或多個)至該等複數個電極。該等複數個電極可相應地發射出與所需聲音相對應之電信號(一或多個)。此外，根據特定實施例，聲音薄膜106可提供可撓性、透明性及/或半透明性以提供電子裝置100之所需之視覺效果。
亦如圖所示，聲音薄膜106可經構造為圖案化奈米碳薄膜。特定而言，聲音薄膜106包括圖案化部分106a以及非圖案化部分106b。圖案化部分106a可沿聲音薄膜106之周邊安置且可經敲打以促進傳送電信號至聲音薄膜以用於產生熱量。類似地，觸控螢幕蓋罩108可具有蓋罩長度及蓋罩寬度，且包括圖案化部分108a及非圖案化部分108b。圖案化部分108a可沿觸控螢幕蓋罩108之周邊安置且可經配置以經由 微型揚聲器陣列傳遞源自聲音薄膜106之圖案化部分106a的熱量，該等微型揚聲器由觸控螢幕蓋罩108之圖案化部分108a界定。當熱量經由微型揚聲器傳遞時，振盪熱藉由在周圍空氣中產生聲壓振盪而產生熱聲效應。
相應地，高效之熱聲效應自聲音薄膜106(諸如具有可撓玻璃材料之碳奈米管薄膜)及製造製程產生，以使得可直接在玻璃上實現聲音(音訊)功能。以下方程式解釋聲音功能之機制，其中Prms為聲壓(空氣中之聲波)之均方根；Pinput為輸入功率(電)；Cs為薄膜導體之每單位面積之熱容量；f為頻率；r為傳播距離；ρo、To及α分別為周圍空氣之密度、溫度及熱擴散率。
該方程式預測聲壓(Prms)隨著電輸入(Pinput)增加、頻率()升高及每單位面積之熱容量Cs降低而升高，每單位面積之熱容量Cs與薄膜之質量比熱容及表面密度相關，然而表面密度為固有材料參數。下表比較碳奈米管薄膜層及鉑箔之特性。雖然以上任一材料可用於聲音薄膜106(或其他具有類似特性之材料)，但該表提供了碳奈米管薄膜之低表面密度是低Cs之主要驅動力，該碳奈米管薄膜轉化為在聲壓位準上比7微米之鉑箔高約48dB(=20xlog(2/7.7x10-3)。
碳奈米管材料之低Cs以及相對較高之電阻導致聲音薄膜106之瞬時加熱。當施加振盪電流(音訊信號輸入)時，導致聲音薄膜106之溫度振盪，該溫度振盪又在相鄰空氣中引起產生聲波之熱膨脹及熱收縮。
第2圖描繪根據本文所揭示之實施例之具有複數個微型揚聲器之觸控螢幕蓋罩108的頂視圖，該等複數個微型揚聲器用於提供聲音功能。如圖所示，觸控螢幕蓋罩108包括在電子裝置100之觀看區域內安置在觸控螢幕蓋罩108之周邊周圍的圖案化部分108a及安置在觸控螢幕蓋罩108之內部的非圖案化部分108b。亦如圖所示，圖案化部分108a界定複數個微型揚聲器208，該等微型揚聲器208允許經由觸控螢幕蓋罩108傳遞振盪熱。
對於熱聲發聲，重要的是具有在聲音薄膜106與周圍空氣之間經由觸控螢幕蓋罩108的高效熱交換。然而，由於觸控螢幕蓋罩108可具有固有之熱障壁，本文所揭示之實施例包括具有至少一個開槽或孔隙之圖案化螢幕蓋罩108，該 至少一個開槽或孔隙使聲音薄膜106暴露於周圍環境。該等特徵結構之高密度使得可能提供介於總表面面積之約10%與約90%之間的最佳空氣表面直接接觸。可預期，可基於聲音輸出最佳化微型揚聲器之大小及音調。可設計及最佳化在整個觸控螢幕蓋罩108表面或僅部分地圖案化微型揚聲器(如第2圖中所示)抑或均勻或非均與孔徑，及此特徵結構在一或多個選定區域中之分配，以適合應用。可在觸控螢幕蓋罩108表面上形成微型揚聲器陣列，以用於使目標領域內之聲音效能最佳。
第3圖描繪根據本文所揭示之實施例之觸控螢幕蓋罩108之側視圖，該觸控螢幕蓋罩108包括複數個微結構308。如圖所示，微結構308可經配置為複數個孔隙，其中奈米管經置放於該等微結構308之至少一個側壁上。在一些實施例中，微結構308可經配置為雙結構微結構308a，而在一些實施例中可經配置為單結構微結構308b。雙結構微結構308a可經配置具有第一區段，該第一段區具有寬度a1及第一高度h1。第二區段可經配置具有第二寬度a2及第二高度h2。如圖所示，第一區段及第二區段均具有置放於側壁上之奈米管。
根據實施例，微結構308可為近似於徑向之微型亥姆霍茲共振器，即可用於放大聲音之聲音特徵結構。尺寸特徵a1、a2、h1及h2可經指定，以使得共振落在可聽頻率範圍之內。進一步地，可能製造具有不同尺寸之特徵結構，以將廣泛範圍之頻率包括在最佳化之聲譜之音訊範圍中。
微結構可使用複數種不同製程中之任一製程產生。舉例而言，可使用雷射處理及/或藉由使用薄片玻璃中用於玻璃互連之通孔的製程在大型薄玻璃片中製造微結構。一些實施例可包括利用在玻璃軋製中對薄膜玻璃片的表面紋理化。
一旦形成紋理化薄玻璃片，即可發送該玻璃片至用於在微結構308之表面及側壁上沉積導電奈米材料之製程。微結構308可包括高縱橫比分子(HARM)結構。HARM結構可經置放在玻璃片之後側及置放在在孔隙之側壁上。可指定該等孔隙作為圖案在玻璃上之分佈，以提供高品質之音效，該高品質之音效與玻璃之其他效能功能(諸如顯示及觸摸)相容。
第4圖描繪根據本文所揭示之實施例之電子裝置100之側視圖，該電子裝置100包括基板404中之植入層404b(該層可為多孔的)。如圖所示，基板404可包括基層404a、植入層404b及表層404c。基層404a及表層404c可由玻璃基板構成。植入層404b可由基板內之複數個氣囊構成，該等氣囊用於保持預定氣體，諸如氬氣及/或氮氣。植入層404b可為約0.3微米厚，且可用於隔絕源自聲音薄膜層406穿過基板之熱傳遞。植入層404b可位於基板表面下方約0.3微米。亦包括具有外部薄膜層410之觸控螢幕蓋罩408，該外部薄膜層410可由碳奈米管或其他類似結構構成。
在一些實施例中，外部薄膜層410可經構造為薄片多孔玻璃基板，該薄片多孔玻璃基板由碳奈米管、石墨烯或沉積在玻璃基板之多孔結構內之其他類似材料構成。玻璃之 孔隙率範圍可自約10%至約60%(或更高)，具有微米級的平均孔徑。外部薄膜層410在觸控螢幕蓋罩408之頂表面上可為約10奈米至約1000奈米厚。高孔隙率為沉積碳奈米管材料或石墨烯材料提供大表面面積。因此，此配置可增加碳奈米管或石墨烯材料與空氣間的表面接觸，以產生較高聲壓級。此配置亦可減少傳導至基板404之熱量。
對熟習此項技術者而言將顯而易見的是，在不脫離所主張標的物之精神及範疇之情況下可對本文所揭示之實施例進行各種修改及變化。因此，若本文所揭示之實施例的修改及變化屬隨附申請專利範圍及申請專利範圍之均等物的範疇內，則意欲說明書涵蓋該等修改及變化。

Claims (19)

  1. 一種帶有一整合聲音功能之裝置，該裝置包含一圖案化觸控螢幕蓋罩、一聲音薄膜、複數個電極及一基板，其中：該基板耦合至該聲音薄膜，且減少從該聲音薄膜穿過該基板之熱損耗；該基板包含一多孔層，該多孔層安置於該基板之一表面正下方，該多孔層包含保持一預定氣體之氣囊，該多孔層進一步減少從該聲音薄膜穿過該基板之熱傳遞；該聲音薄膜耦合至該圖案化觸控螢幕蓋罩，且導通由該等複數個電極提供的一振盪電流，從而充當一奈米級發聲器；該圖案化觸控螢幕蓋罩提供一微型揚聲器陣列及一觀看區，其中該微型揚聲器陣列安置在該圖案化觸控螢幕蓋罩的一周邊周圍；該圖案化觸控螢幕蓋罩經由該微型揚聲器陣列傳熱，以在周圍空氣中產生聲壓，從而在該圖案化觸控螢幕蓋罩中不產生振動的情況下產生一所需聲音；及該圖案化觸控螢幕蓋罩接收觸摸式使用者輸入亦控制該裝置之至少一部分的操作。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該基板實質上由玻璃構成。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該預定氣體包含以下氣體中之至少一者：氬氣及氮氣。
  4. 如請求項1所述之裝置，其中該多孔層具有在0.2微米與1.0微米之間的一厚度。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜包含一奈米結構薄膜，該奈米結構薄膜經塗覆於該圖案化觸控螢幕蓋罩與該基板之間。
  6. 如請求項5所述之裝置，其中該奈米結構薄膜包含一奈米碳薄膜。
  7. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜具有在0.5微米與1微米之間的一厚度。
  8. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜提供在6歐姆與15歐姆之間的一電阻。
  9. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜經圖案化。
  10. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜具有一薄膜長度及一薄膜寬度，該薄膜長度實質上與該圖案化觸控螢幕蓋罩之一蓋罩長度匹配，且該薄膜寬度實質上與該圖案化觸控螢幕蓋罩之一蓋罩寬度匹配。
  11. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜僅沿該圖案化 觸控螢幕蓋罩之該周邊安置。
  12. 如請求項1所述之裝置，其中該圖案化觸控螢幕蓋實質上由玻璃構成。
  13. 如請求項1所述之裝置，其中該圖案化觸控螢幕蓋罩係以微結構所圖案化。
  14. 如請求項13所述之裝置，其中該等微結構之至少一者包含一孔隙，其中一奈米管置放在該孔隙之一側壁上。
  15. 如請求項13所述之裝置，其中該等微結構包含一第一區段及一第二區段，其中該第一區段包含一寬度，該寬度大於該第二區段的一寬度。
  16. 如請求項1所述之裝置，該裝置進一步包含一外部薄膜，該外部薄膜耦合至該圖案化觸控螢幕蓋罩，與該聲音薄膜相對。
  17. 如請求項1所述之裝置，其中該聲音薄膜包含以下特徵中之至少一者：可撓性、透明性及半透明性。
  18. 如請求項1所述之裝置，其中該基板、該聲音薄膜及該圖案化觸控螢幕蓋罩為半透明的，以提供自一影像源穿過該 基板、該聲音薄膜及該圖案化觸控螢幕蓋罩的影像。
  19. 一種帶有一整合視覺功能及一整合聲音功能之裝置，該裝置包含一玻璃觸控螢幕蓋罩，一奈米碳薄膜，複數個電極、一玻璃基板及一影像源，其中：該基板耦合至該奈米碳薄膜，且減少從該奈米碳薄膜穿過該玻璃基板之熱損耗；該基板包含一多孔層，該多孔層安置於該基板之一表面正下方，該多孔層包含保持一預定氣體之氣囊，該多孔層進一步減少從該聲音薄膜穿過該基板之熱傳遞；該奈米碳薄膜耦合至該玻璃觸控螢幕蓋罩，且導通由該等複數個電極提供的一振盪電流，從而充當一奈米級發聲器；該玻璃觸控螢幕蓋罩經由一微型揚聲器陣列沿該玻璃觸控螢幕蓋罩之一周邊傳熱，以在周圍空氣中產生聲壓，從而在該玻璃觸控螢幕蓋罩中不產生振動的情況下產生一所需聲音；該影像源耦合至該玻璃基板以提供電子影像；及該玻璃基板、該奈米碳薄膜及該玻璃觸控螢幕蓋罩實質上係透明的，以提供自該影像源穿過該玻璃觸控螢幕蓋罩之該電子影像。
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