制造具有声学振动膜的微型设备的方法与流程

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本申请要求于2017年5月17日提交的标题为“制造具有声学振动膜的微型设备的方法(methodoffabricatingaminiaturedevicehavinganacousticdiaphragm)”的美国专利申请序列号15/598,065的优先权和权益，该美国专利申请的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术：

本公开涉及微型设备，该微型设备具有顺应性构件。更具体地，本公开涉及制造微型设备上的声学振动膜的方法。

技术实现要素：

在一个方面，制造具有顺应性构件的设备的方法包括在未固化状态下提供弹性体层。将弹性体层预固化以增加该弹性体层的粘度。将各自具有端部的线轴和外壳中的一者或多者定位成使得线轴和/或外壳中的一者或多者的端部至少部分地延伸到弹性体层中。固化弹性体层，使得该弹性体层固定到线轴和/或外壳中的一者或多者。

各个示例可以包括以下特征中的一者或多者：

预固化可包括向弹性体层施加热量以将弹性体层的温度增加至第一温度，并且弹性体层的固化可包括向弹性体层施加热量以将弹性体层的温度增加至大于第一温度的第二温度。预固化可在第一持续时间内进行，并且固化可在第二持续时间内进行，其中第一持续时间小于第二持续时间。

预固化可包括在第一持续时间内用紫外光辐照弹性体层，并且固化可包括在第二持续时间内用紫外光辐照弹性体层，其中第二持续时间大于第一持续时间。

弹性体层的预固化可包括用紫外光以第一辐照度辐照弹性体层，并且弹性体层的固化包括用紫外光以第二辐照度辐照弹性体层，其中第二辐照度大于第一辐照度。

预固化可包括将热量施加到弹性体层并且用紫外光辐照弹性体层。固化可包括将热量施加到弹性体层并且用紫外光辐照弹性体层。

可将弹性体层固定到线轴和外壳，并且该方法还可包括移除弹性体层的延伸到外壳的直径之外的一部分。

处于未固化状态的弹性体层可包括液态硅橡胶。

线轴和/或外壳中的一者或多者的定位还可包括将线轴定位在外壳内部。

根据另一方面，一种设备包括顺应性构件、以及线轴和外壳中的一者或多者。顺应性构件具有基本上平面的形状并且由经固化的弹性体材料的单一层形成。线轴和外壳中的一者或多者各自具有至少部分地延伸到顺应性构件中的端部。弹性体材料粘附到外壳和/或线轴的端部处的外壳和/或线轴的一部分上，以形成具有沿着外壳和/或线轴的壁部限定的高度的弯月面。弯月面的高度小于针对弹性体材料的未固化状态沿着外壳和/或线轴的壁部形成的弯月面的高度。

各个示例可以包括以下特征中的一者或多者：

外壳可以是管件，该管件在端部处具有开口。弹性体材料可包括硅橡胶。

顺应性构件可包括在外壳和/或线轴的内壁表面和外壳和/或线轴的外壁表面中的每一者处形成的弯月面。

根据另一方面，一种微型扬声器设备包括声学振动膜、外壳、线轴和线圈。声学振动膜具有基本上平面的形状并且由经固化的弹性体材料的单一层形成。外壳具有至少部分地延伸到单一层中的端部。单一层粘附到外壳的端部处的外壳的一部分，以形成具有沿着外壳的壁部限定的高度的第一弯月面。第一弯月面的高度小于针对弹性体材料的未固化状态沿着外壳的壁部的弯月面的高度。线轴设置在外壳内部并且具有表面和至少部分地延伸到单一层中的端部。单一层粘附到线轴的端部处的线轴的一部分，以形成具有沿着线轴的壁部限定的高度的第二弯月面。第二弯月面的高度小于针对弹性体材料的未固化单一层沿着轴线的壁部的弯月面的高度。线圈卷绕在线轴的表面上。

各个示例可以包括以下中的一者或多者：

外壳和轴线可由不同的材料形成。

第一弯月面的高度可不同于第二弯月面的高度。

第一弯月面可包括具有沿外壳的内壁表面的高度的第一内弯月面和具有沿外壳的外壁表面的高度的第一外弯月面，并且第二弯月面可包括具有沿线轴的内壁表面的高度的第二内弯月面和具有沿线轴的外壁表面的高度的第二外弯月面。

附图说明

本发明构思的示例的以上和另外的优点可以通过结合附图参考以下描述而更好地理解，在附图中，在各个附图中类似的数字标示类似的结构元件和特征。附图未必按比例绘制，相反重点是在于例示特征和具体实施的原理。

图1a、图1b、以及图1c分别是微型耳塞的微型扬声器的示例的透视图、透视剖面图和分解剖面图。

图2是一种形成具有顺应性构件的设备的方法的示例的流程图表示。

图3a、图3b和3c是顺序地示出图2的方法如何被应用于制造微型扬声器设备的横截面视图。

图4为图3c的微型扬声器设备的端部的一部分的示出形成在外壳和线轴壁上的弯月面的放大视图。

图5为一种使用热预固化和固化形成具有顺应性构件的设备的方法的示例的流程图表示。

图6为适用于热固化的弹性体材料的粘度与温度之间关系的图示。

图7为一种使用紫外线辐照预固化和固化形成具有顺应性构件的设备的方法的示例的流程图表示。

图8为粘度与可紫外线固化的弹性体材料的辐照度和紫外线暴露持续时间两者的函数关系的图示。

具体实施方式

现代入耳式耳机或耳塞通常包括微型扬声器。微型扬声器可以包括线圈，该线圈直接地或者通过线圈所卷绕的线轴而附接到声学振动膜。振动膜由于被提供给线圈的电信号而产生的运动导致产生对电信号进行响应的声学信号。微型扬声器通常包括外壳，诸如套筒或管件，其包封线轴、线圈和磁结构。随着耳塞的尺寸减小，制造在线轴(或线圈)和外壳的一个端部处具有弹性悬置件的声学振动膜变得越来越难。

图1a、图1b、以及图1c分别是可以在微型耳塞中使用的微型扬声器10的示例的透视图、透视剖面图和分解剖面图。微型扬声器10包括圆柱形外壳12，该圆柱形外壳在两个端部处具有开口。在外壳12内有线轴14，该轴是标称圆柱形形状的并且至少在一个端部处是开口。外壳12和线轴14在其端部之一处固定到顺应性构件16。在一些示例中，外壳12由不锈钢制成，并且线轴14由聚酰亚胺(例如，)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)(例如，)制成。磁体组件18在外壳12的与顺应性构件16相对的端部处固定到平台19。磁体组件18包括两个通过线圈18c分开的磁体件18a和18b。磁体组件18沿外壳12的轴线20延伸并进入线轴14内的开口区域中。在一个示例中，磁体件18a和18b是圆柱形钕磁体。线圈22卷绕到线轴14的外侧表面上。响应于传导通过线圈22的电流，线轴14基本上沿外壳轴线20运动。继而，顺应性构件16的中心圆形部分轴向地运动并且移位空气，由此形成声学信号。

一种用于制造顺应性构件16的技术包括将外壳12的开口端部和线轴14的开口端部放置到液态硅橡胶的单个薄层中。然后将液态硅橡胶固化以形成顺应性构件16。可将位于线轴的端部区域内的顺应性构件16的中心区域变硬，而围绕中心区域的环形区域保持顺应。这种技术带来了困难，因为液态硅树脂具有表面张力，该表面张力导致液体粘附到以及“爬上”外壳12和线轴14的壁而形成弯月面。液体硅树脂向壁部的迁移可快速发生，例如，在将外壳12的端部和线轴放置到液态硅橡胶中的几秒钟内。迁移的结果是硅树脂层的厚度减小，这可能在顺应性构件16中产生孔。孔可能在脱模过程期间形成，因为顺应性构件16在变薄区域处被弱化。此外，变薄区域可导致在微型扬声器10的操作期间在顺应性构件10中形成撕裂或孔。

图2是一种制造具有顺应性构件的设备的方法100的示例的流程图表示。还参考图3a至图3c，它们是以顺序方式示出方法100被应用于制造微型扬声器设备的横截面侧视图图示，其中可随后处理顺应性构件以形成声学振动膜和围绕件。

根据方法100，在未固化状态下提供弹性体层22(110)，如图3a所示。弹性体层22可为热固性橡胶，诸如硅橡胶或聚氨酯，其可随后例如通过施加热量(热固化)、空气(蒸镀固化)、水分、微波能量、紫外线(uv)辐射和/或化学添加剂而固化。弹性体层22设置在剥离衬垫24上，该剥离衬垫在制造过程期间稍后被移除。硅树脂的粘度一般足以使得所施涂的层的厚度不显著改变，尽管表面特征和隆起通常随着时间推移而消失，直到表面基本上平坦。以具体的非限制性示例的方式，硅橡胶可以是购自德国慕尼黑的wackerchemieag的3070系列自粘性液态硅橡胶，聚氨酯可以是购自明尼苏达州明尼阿波里斯市的northstarpolymers有限责任公司的mpp-w43c聚氨酯凝胶或gk-22聚氨酯凝胶，并且衬垫24可以是购自北卡罗来纳州卡里的loparex有限责任公司的40μm厚5100系列氟硅酮剥离衬垫。未固化的弹性体层22的厚度可根据具体的应用需求而变化。以具体的非限制性示例的方式，未固化的弹性体层22的厚度可在约50μm至约100μm的范围内。

将弹性体层22预固化(120)以增加其粘度。如本文所用，“预固化”是指增加弹性体材料的粘度，使其粘稠比初始提供的弹性体材料大并且比处于完全固化状态的弹性体材料小。将材料部分固化以达到处于或略低于凝胶点的粘度，该粘度被定义为储能模量和损耗模量的交变点。高于该粘度，材料表现出类弹性行为，并且不再可能将组分灌封到弹性体中。因此，预固化的材料比未固化的材料更耐流动，而已固化(即完全固化)的材料通常处于韧化或硬化状态，并且不受流动的影响。弹性体材料的粘度通常随着固化部分的增加而增加，但粘度随固化部分的变化不一定是线性的。

在预固化之后，外壳28和线轴30(仅示出端部)被定位(130)成使得它们的端部至少部分地延伸到弹性体层22中，如图3b所示。在一个示例中，外壳28呈中空圆柱形管件形式，并且线轴30被构造成以双向方式沿管件轴线的方向移动。外壳28和线轴30可同时定位。另选地，外壳28和线轴30可在不同的时间定位，只要弹性体材料的粘度在两个物品的定位时间之间没有显著变化即可。由于在预固化后粘度增加，弹性体材料的迁移相对于未固化的弹性体材料原本将发生的迁移大幅减少。弹性体材料迁移的减少导致沿着外壳28和线轴30的壁形成的弯月面减小，如下文进一步所述。

弹性体材料被固化(140)，使得外壳28和线轴的端部固定到弹性体层22上。然后移除剥离衬垫24，使得弹性体层22保持为粘附到外壳28和线轴30的端部的基本上平坦的顺应性构件。顺应性构件的中心区域(即，限定在线轴30的直径内的区域)可被硬化以形成声学振动膜。围绕中心区域的环形区域限定可支撑线轴30和线圈的顺应性围绕件，并且使声学振动膜能够轴向移动，从而产生声学信号。顺应性构件的延伸超过外壳28的外径的部分可通过多种技术中的任一种来移除，诸如通过修剪或使用冲切工具。

图4示出了与图3c的左侧对应的外壳28和线轴30的端部的一部分的放大剖视图。弯月面32在弹性体材料已爬升(在图中垂直迁移)外壳28和线轴30的壁部的位置处形成。因此，分别沿着外壳28的内壁表面34和外壁表面36存在内弯月面32a和外弯月面32b。类似地，分别沿着线轴30的内壁表面38和外壁表面40存在内弯月面32c和外弯月面32d。每个弯月面32具有从弹性体层22的顶部表面42定义的高度h1。弯月面32在外壳28和线轴30的端部首先定位在预固化的弹性体层22时开始的一段时间内形成。所有的弯月面32被示出为具有相同的高度h1；然而，沿两个壁部的高度可不同，这是由于根据壁部材料的不同，沿壁部的材料迁移也不同。

图4示出了壁部的底部与弹性体层22的底部不重合，因为无论预固化粘度如何，弹性体材料和壁部之间都存在一定的亲和力。从壁部的底部到层22的底部的距离受预固化期间所实现的粘度增加的影响。

由于经预固化的弹性体层22的粘度增加以及材料迁移的相应减少，弯月面32的高度h1显著小于原本使用未固化的弹性体层将形成的弯月面的高度h2。因此，进行更少的薄化并且整个弹性体层22的厚度变化显著减小。有利的是，制成的设备更易于从剥离衬垫(未示出)移除而不造成撕裂或产生孔。此外，减少或消除了在用顺应性构件制造的微型扬声器设备的操作期间产生孔或撕裂的机会。另一个优点是由围绕内部声学振动膜的顺应性构件的周边部分所限定的悬置件的更一致的刚度。应当指出的是，消除弯月面32并非目标，因为它们代表对外壳28和线轴30的壁部的附着面积的增加，并且如果不存在弯月面，则当移除剥离衬垫时可能发生撕裂。此外，弯月面32限制了弹性体与外壳和线轴壁之间的接合处的应力集中。

参考图5，其示出了制造具有顺应性构件的设备的方法200的一个示例的流程图表示，其中制造利用热预固化和热固化。在未固化状态下提供弹性体层(210)，并且增加层的温度(220)以将弹性体材料的粘度提高至中等水平(即，低于完全固化的粘度的水平)。还参考图6，其示出了适用于热固化的硅氧烷弹性体的示例的粘度和温度之间的关系。在温度t1以下，粘度随温度的增加略微降低。在温度t1和更高温度t2之间，粘度随温度快速增加。在温度t1和温度t2之间，粘度可改变约100倍或以上。在大于t2的温度下，粘度随温度的增加而逐渐增加。

对于热预固化，将热量施加到弹性体层以使其温度增加至大于温度t1但远低于温度t2。以非限制性示例的方式，弹性体层的预固化温度可在约35℃到约100℃的范围内。点44表示预固化操作温度的一个示例。预固化操作的结果是粘度充分增加，使得弹性体材料更耐流动并且形成大的弯月面，同时仍允许外壳和线轴的端部适当地放置在弹性体层中。例如，剥离衬垫上的弹性体层可通过生产线烤箱，或通过一个或多个加热灯或元件来实现所需的温度。以举例的方式，弹性体层处于预固化温度的持续时间可少于一分钟到十分钟以上。应当理解，所选择的温度和预固化的持续时间将根据特定弹性体材料的物理特性并且根据弯月面32(参见图4)的所需高度h1而变化。

在通过烤箱或通过加热器之后，外壳和线轴被定位(230)在弹性体层中。在另选的示例中，当弹性体层和剥离衬垫处于升高的预固化温度时，可定位外壳和线轴。

在完成外壳和线轴的放置之后，施加热量以使弹性体层的温度增加(240)至显著大于t2的温度以完全固化弹性体层。固化的持续时间显著长于预固化的持续时间。固化的持续时间可为若干小时或更长(例如，150℃的固化温度需四小时持续时间)。

在一些制造环境中，预固化在与固化操作分开的热环境中进行。更具体地，预固化可使用生产线烤箱或一个或多个加热器来进行，并且固化可使用单独的烤箱或加热器配置来进行。这样，固化的较长持续时间并不限制生产线的部件生产量，并且固化烤箱被用作单独的批量工艺。

图7示出了制造具有顺应性构件的设备的方法300的一个示例的流程图表示，其中制造利用uv预固化和uv固化。还参考图8，其示出了粘度与可紫外线固化的弹性体材料(购自纽约韦斯特福德的的uvelectro225(uv固化液态硅橡胶))的辐照度和uv暴露持续时间两者的函数关系。该附图示出了储能模量与针对使用具有以约365nm为中心的光谱输出的uva光源的辐照度为2mw/cm2、6mw/cm2、21.5mw/cm2和44.6mw/cm2(曲线图50、52、54和56)的uv辐照持续时间的函数关系。在开始紫外线辐照之前，在四个曲线图中的每一者中均存在明显的初始三秒延迟。初始粘度的差异归因于样本温度的变化。

图8示出了较大的紫外线辐照度如何能够在较短的暴露持续时间内实现完全固化。类似地，对于较大的辐照度，预固化的持续时间也更少。从未固化到完全固化的粘度变化可从小于未固化材料的粘度的100倍到1，000倍以上。

根据方法300，在未固化状态下提供弹性体层(310)。在预固化持续时间内，用紫外光辐照(320)层，该预固化持续时间例如可从小于10秒到几分钟或更长，并且取决于辐照度。以具体示例的方式，紫外光可从弧光灯(例如，汞灯)或一个或多个uv发光二极管(led)发出。在预固化期间对弹性体层的紫外线辐照将层的粘度增加至该层更耐流动的水平。较低的辐照度需要较长的预固化持续时间；然而，由于不同制造运行的预固化持续时间的差异所导致的在预固化期间粘度增加的任何变化均减小。uv预固化的优选辐照度和持续时间基于所使用的具体材料和所需的弯月面几何形状(参见图4)以充分减小弹性体层的厚度变化。

在完成预固化之后，将外壳和线轴定位(330)，使得它们的端部延伸到弹性体层中。虽然弹性体材料在放置外壳和线轴之后迁移，但增加的粘度限制了沿外壳和线轴壁形成的弯月面的尺寸，因此材料的厚度变化相对于在未固化的材料中放置原本将发生的迁移有所减小。随后，用紫外光辐照(340)弹性体层以实现完全固化。固化持续时间的辐照度可大于预固化持续时间的辐照度。此外，固化的持续时间可显著长于预固化的持续时间，并且可部分地由固化辐照度确定。优选地，uv源相对于设备构造成使得弹性体层不被外壳或线轴所遮蔽以用于固化过程的空间一致性；然而，可使用可通过紫外线辐射和/或热量的施加而固化的双重固化材料来避免与阴影区相关联的问题。

uv预固化和uv固化过程可单独完成。例如，两个过程可利用不同的uv光源。又如，预固化uv光源可位于生产线上，并且固化uv光源可为被构造成用于对大量部件进行批量辐照的单独光源，使得生产线的生产量不受影响。

已描述了多个实施方式。然而，应当理解的是，以上描述旨在例示、而不是限制由权利要求的范围限定的本发明构思的范围。其他示例在以下权利要求的范围内。