具有集成的声学功能的结构的制作方法
【专利说明】具有集成的声学功能的结构
[0001] 背景
[0002] 相关申请的交叉参考
[0003] 本申请根据35U.S.C.§119要求2012年10月26日提交的美国临时申请系列第 61/718, 980号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。
[0004] 领域
[0005] 本发明总体涉及具有集成的声学功能的结构，具体来说，涉及具有用于提供声学 功能的微型扬声器阵列的触摸屏设备。
【背景技术】
[0006] 随着电子设备变得更加先进，消费者现在要求设备包括音频能力，在一些情况下 是触摸屏显示器。但是，把传统的锥形扬声器结合进入这种电子设备常常非常困难，并增加 了设备的尺寸。虽然传统的锥形扬声器变得更小，仍需要进一步减小电子设备的尺寸。
[0007] 概述
[0008] 本文所述的实施方式包括具有集成的声学功能的设备，其包括图案化的触摸屏盖 板、声学薄膜、多个电极和基片。在一些实施方式中，基片连接到声学薄膜，降低从声学薄膜 经基片的热损失。声学薄膜可连接到图案化的触摸屏盖板，并传导由多个电极提供的振动 电流，由此用作纳米级发声器。在一些实施方式中，图案化的触摸屏盖板提供微型扬声器阵 列和观看区域，其中微型扬声器阵列绕着图案化的触摸屏盖板的周界设置。
[0009] 附图简要说明
[0010] 应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理 解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的 进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了 本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
[0011] 图1显示了根据本文所述的实施方式的电子设备的各种组件的透视图，其包括具 有集成的声学功能的触摸屏；
[0012] 图2显示了根据本文所述的实施方式的触摸屏的俯视图，其包括用于提供声学功 能的多个微型扬声器；
[0013] 图3显示根据本文所述的实施方式的触摸屏的侧视图，其包括多个微观结构；和
[0014] 图4显示根据本文所述的实施方式的电子设备的侧视图，其在基片中包括多孔 层。
[0015] 详细描述
[0016] 本文所述的实施方式包括多层结构，其包括设置在两个玻璃板之间的透明的、半 透明的和/或着色的导电薄膜（例如薄的碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、ITO(氧化铟锡）、 PEDOT聚（3, 4-亚乙基二氧噻吩）或其它透明的导电薄膜），在玻璃表面和声学薄膜之间制 备电极，起纳米级发声器的作用。可图案化这些层来优化电子设备的音频和视频性能。一 个或两个玻璃板可包括薄的覆盖层。通过把音频的振动电流施加到导电薄膜例如碳纳米管 薄膜，基于热声学效应来产生声音。这在膜内产生振动热量，振动热量在邻近的环境界面 中产生温度振动，进而在周围空气中产生声学压力振动。结果，无需层振动就形成声音。因 此，玻璃层可保护透明的、半透明的和/或着色的导电薄膜例如碳纳米管薄膜免受损坏，以 及使得透明的、半透明的和/或着色的导电薄膜与周围空气之间能进行热交换。
[0017] 现在参考附图，图1显示了根据本文所述的实施方式的电子设备100的各种组件 的透视图，其包括触摸屏盖板108,例如具有集成的声学功能的触摸屏盖板。如图所示，电子 设备100包括具有集成的视觉功能（其包括用于提供影像例如电子影像的影像源）的电子 组件102、基片104、声学薄膜106和触摸屏盖板108。电子组件102可构造成移动电话、平 板或用于为显示提供图像和音频信号的其它设备的电子或计算硬件。如下文所更加详细描 述，电子设备100还可通过连接到声学薄膜106的电极提供音频信号，用于通过触摸屏盖板 108形成音频。因此，基片104可由玻璃或其它类似的材料构成，且可构造成热绝缘体来降 低通过电极产生的热量逃逸进入电子组件102的量。基片104可构造成刚性或柔性材料， 且可构造成用于接受和/或固定一个或多个电极。
[0018] 连接到基片104的是声学薄膜106。声学薄膜106可由碳纳米管材料或具有类似 性质的其它材料构造，且因此可构造成纳米结构的膜。取决于所用的具体材料，声学薄膜 106的厚度可为约0. 5-1. 0微米，并提供约6-15欧姆的电阻。声学薄膜106还可具有基本 上匹配触摸屏盖板108的盖板长度和盖板宽度的膜长度和膜宽度。取决于特定实施方式， 在声学薄膜106和基片104之间可连接多个电极。因此，响应音频信号的请求，电子组件 102可把（一种或更多种）电信号发送到多个电极。因此，多个电极可发射对应于所需声音 的（一种或更多种）电信号。此外，取决于特定实施方式，声学薄膜106可提供柔性、透明 性和/或半透明性，来提供所需的电子设备100的视觉效果。
[0019] 还如本文所述，声学薄膜106可构造成图案化的纳米碳膜。具体来说，声学薄膜 106包括图案化的部分106a和非图案化的部分106b。图案化的部分106a可沿着声学薄膜 106的周界设置，且可图案化以促进电信号传递到声学薄膜，用于形成热量。类似地，触摸屏 盖板108可具有盖板长度和盖板宽度，并包括图案化的部分108a和非图案化的部分108b。 图案化的部分108a可沿着触摸屏盖板108的周界设置，且可构造成把来自声学薄膜106的 图案化的部分l〇6a的热量通过微型扬声器阵列转移，所述微型扬声器阵列通过触摸屏盖 板108的图案化的部分108a限定。当通过微型扬声器转移热量时，振动热量通过在周围空 气中形成声学压力振动来形成热声学效应。
[0020] 因此，高效的热声学效应是借助柔性玻璃材料和制造过程，从声学薄膜106例如 碳纳米管薄膜产生的，从而可在玻璃上直接实现声学（音频）功能。下面的公式解释了用 于声学功能的机理，其中是声学压力的均方根（空气中的声波），P?x是输入功率（电 功率），CS是每单位面积薄膜导体的热容；f?是频率；r是传播距离；P 和a分别是环境 空气的密度、温度和热扩散系数。
[0021]
[0022] 这个公式预计，声学压力（P_s)随着电输入（P*^)的增加、频率(^/7)的升高和 每单位面积热容cs的降低而升高，每单位面积热容cs与薄膜的质量比热容和表面密度相 关，而后者是固有的材料参数。下面的表格比较了碳纳米管膜层和铂箔的性质。虽然任一 材料都可用于声学薄膜106 (或者具有类似性质的其它材料），下面的表格表明，碳纳米管 膜的低表面密度是低Cs的主要驱动因素，相当于其声学压力比7微米铂箔高约48dB(= 20xlog(2/7. 7xl(T3) 〇
[0023] 表
[0024]
[0025] 碳纳米管材料的低Cs和较高电阻导致瞬时加热声学薄膜106。当施加振动电流 (音频信号输入）时，这导致声学薄膜106的温度振动，这进而导致邻近的空气热膨胀和收 缩，产生声波。
[0026] 图2显示了根据本文所述的实施方式的触摸屏盖板108的俯视图，其包括用于提 供声学功能的多个微型扬声器。如图所示，触摸屏盖板108包括绕着触摸屏盖板108的周界 设置的图案化的部分l〇8a，以及设置于电子设备100的观看区域之内的在触摸屏盖板108 内部部分上的非图案化的部分l〇8b。还如图所示，图案化的部分108a限定多个微型扬声器 208,其允许通过触摸屏盖板108转移振动热量。
[0027] 对于热声学发声，通过触摸屏盖板108在声学薄膜106和环境空气之间进行有效 的热交换是非常重要的。但是，因为触摸屏盖板108可具有固有的热阻，本文所述的实施方 式包括具有至少一个开放通道或小孔的图案化的触摸屏盖板108,其把声学薄膜106暴露 于环境。高密度的这种特征使得能在约10%-90%的总表面积上提供最佳的直接空气表面 接触。可设想，可基于声学输出来优化微型扬声器