专利名称：热致发声装置及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热致发声装置及其制备方法，尤其涉及一种基于金属材料的热致 发声装置及其制备方法。
背景技术：
发声装置一般由信号输入装置和发声元件组成，通过信号输入装置输入信号到该 发声元件，进而发出声音。热致发声装置为发声装置中的一种，其为基于热声效应原理的一 种发声装置，现有技术中的热致发声装置为采用热容较低的金属材料作为发声元件。H.D.Arnold 禾口 I. B. Crandall 在 文 献"The thermophone as a precision sourceof sound”，Phys. Rev. 10，p22_38 (1917)中揭示一种简单的热致发声装置，其包括一 作为发声元件的钼片、设置于该钼片两端且用于夹持该钼片使其悬空设置的夹具及与该钼 片电连接的信号输入装置。该热致发声装置通过向该钼片中通入交流电来实现发声。该 钼片具有较薄的厚度，其厚度值为0. 7微米，从而使该钼片具有较小的单位面积热容(heat capacity per area)，因此，当交流电通过该钼片时，其内部产生的热量通过热交换的方式 迅速传导给周围空气，从而促使周围空气分子运动并发出声波。然而，现有热致发声装置中，由于受金属制备工艺的限制，形成可悬空设置且具有 更小厚度的金属片难度较大，因此导致金属片的单位面积热容值无法达到很小，进而使现 有热致发声装置的发声强度较低，限制了其在实际中的应用。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高发声强度的热致发声装置及其制备方法。一种热致发声装置，其包括一信号输入装置；以及一发声元件，该发声元件包括 一金属膜，且该金属膜与所述信号输入装置电连接；其中，该发声元件进一步包括一基体及 设置于该基体的多个微结构，所述金属膜设置于所述多个微结构且通过该多个微结构与所 述基体悬空设置，所述信号输入装置输入电信号给该金属膜，并通过该金属膜加热周围气 体介质发出声波。—种热致发声装置的制备方法，其包括以下步骤提供一基体，该基体具有一表 面；在所述基体的表面形成多个微结构；在该基体的表面形成一牺牲层，以填充所述多个 微结构之间的间隙；在所述牺牲层的表面形成一金属膜；加热所述牺牲层，直至所述牺牲 层完全分解，从而形成一发声元件；提供一信号输入装置，使该信号输入装置与所述金属膜 电连接，从而形成一热致发声装置。与现有技术相比较，由于所述热致发声装置中，所述金属膜通过所述多个微结构 与所述基体表面悬空设置，从而使该金属膜与周围空气或其他气体介质可进行充分的热交 换；同时，采用本发明的制备方法可制备获得具有较小厚度、较小单位面积热容的金属膜， 因此，本发明的热致发声装置具有较高的发声强度。
图1为本发明第一实施例热致发声装置的结构示意图。图2为本发明第一实施例热致发声装置制备方法流程图。图3为本发明第二实施例热致发声装置的结构示意图。
具体实施例方式以下将结合附图详细说明本发明实施例的热致发声装置及其制备方法。请参阅图1，本发明第一实施例提供一种热致发声装置10，该热致发声装置10包 括一信号输入装置12、一发声元件14及至少两个电极18。所述发声元件14包括一基体16、多个微结构17及一金属膜15，所述基体16具有 一表面162，所述微结构17设置于该基体16的表面162，所述金属膜15设置于该多个微结 构17上，且通过该多个微结构17与所述基体16的表面162悬空设置。所述至少两个电极 18间隔设置且与所述金属膜15电连接。所述至少两个电极18分别通过外接导线19与所 述信号输入装置12的两端电连接，用于将所述信号输入装置12中的电信号输入到所述发 声元件14中。所述基体16主要起支撑所述微结构17及所述金属膜15的作用，其形状不限，任 何具有确定形状的物体均可作为本实施例中的基体16。本实施例中，所述多个微结构17为 所述基体16本身所具有的多个微小凸起，所述金属膜15直接设置于该多个凸起，且通过该 多个凸起与所述基体16的表面162悬空设置。该基体16的材料不限，本实施例中，该基体 16的材料为一硬性或柔性的绝缘材料，如金刚石、玻璃、石英塑料或树脂等，优选地，该基体 16的材料应具有较好的绝热性能，从而防止该金属膜15产生的热量过度被该基体16吸收， 因此无法达到加热周围气体介质进而发声的目的。所述金属膜15与每个微结构17的接触面积应小于1平方微米，以使该金属膜15 尽可能与周围空气或其他外界气体或液体介质具有较大的接触面积，并具有尽可能大的散 热面积，进而可在一定程度上改善所述发声装置10的发声效果。同时，所述微结构17与所 述金属膜15的相邻的两个接触位置之间的最短距离应小于1微米，以确保所述金属膜15 均勻地被所述微结构17支撑，且不会在重力的作用下发生变形。由于该金属膜15通过基 体16及微结构17支撑，因此该金属膜15可以承受强度较高的信号输入而不致发生变形， 从而具有较高的发声强度。所述金属膜15的材料为低热容或具有良好延展性的材料，可为铁、镍、钴、钼、铜、 银、金、钯、铝、铍、铜或铅。由于该金属膜15通过上述基体16及多个微结构17支撑，因此 该金属膜15的厚度可以极薄且在工作过程中不易发生变形，本实施例中该金属膜15的厚 度可小于0. 7微米。同时，由于单位面积的热容除与材料本身的种类有关外，还与该材料的 厚度有关，即相同材料形成的金属膜15，其厚度越大，单位面积热容越大，厚度越小，单位面 积热容越小，因此，本实施例中，具有较小厚度的金属膜15的单位面积热容较小，其单位面 积热容可小于2X 10_4焦耳每平方厘米开尔文。所述金属膜15的发声频率与其单位面积 热容密切相关，即金属膜15的单位面积热容愈大，则发声频率范围愈窄，且发声强度愈低； 反之，单位面积热容愈小，则发声频率范围愈宽，且发声强度愈高。可见，本实施例发声装置 10中采用具有较小厚度金属膜15的发声元件14具有较宽的发声频率范围及较高的发声强
所述至少两个电极18由导电材料形成，其具体形状结构不限。具体地，所述至少 两个电极18可选择为层状、棒状、块状或其它形状。所述至少两个电极18的材料可选择为 金属、导电胶、金属性碳纳米管、铟锡氧化物(ITO)等。本实施例中，所述电极18为两个棒状 金属电极，所述电极18用于实现所述信号输入装置12与所述发声元件14之间的电连接。 所述电极18间隔设置固定在所述金属膜15的表面，具体为，该至少两个电极18可通过导 电粘胶固定于所述金属膜15并实现电连接，该导电粘胶可为银胶。优选的，本实施例中电 极18的长度等于金属膜15的宽度，从而使音频电信号传导至整个金属膜15中。另外，所述 至少两个电极18为热致发声装置10的可选元件，由于所述金属膜15导电，因此，所述信号 输入装置12也可与所述金属膜直接电连接，进而将音频电信号直接输入所述发声元件14。所述信号输入装置12可直接通过导线或电极引线等方式与所述金属膜15电连 接，或者间接地通过电极18与所述金属膜15电连接。只需确保所述信号输入装置12能将 电信号输入给所述金属膜15即可。任何可实现所述信号输入装置12与所述金属膜15之 间电连接的方式都在本发明的保护范围之内。所述信号输入装置12输入的信号包括音频电信号等。所述信号输入装置12通过 导线19与所述电极18电连接，并通过所述电极18将信号输入到所述发声元件14中。上述发声装置10在使用时，由于所述金属膜15具有较小的厚度、较小的热容及较 大的散热表面，在输入信号后，该金属膜15可迅速升降温，产生周期性的温度变化，并和周 围气体介质快速进行热交换，使周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出人耳可感知的声 音，且所发出的声音频率范围较宽，可达到20赫兹至10万赫兹，发声强度可超过60分贝每 瓦声压级，且发声效果较好。故本实施例中，所述发声装置10具有广泛的应用范围。另外， 本实施例中的金属膜15由于受基体16及多个微结构17的支撑，因此不容易发生变形或者 损坏，且可承受较高强度的信号输入，使用寿命较长。本发明提供一种上述第一实施例发声装置的制备方法，其具体包括以下步骤步骤一，提供一基体，该基体具有一表面；步骤二，在所述基体的表面形成多个微结构；该步骤具体为，通过刻蚀工艺在上述基底的表面刻蚀出多个微小凸起以形成多个 微结构，如光刻蚀、电子束刻蚀或离子束刻蚀等。步骤三，在该基体的表面形成一牺牲层，以填充该多个微结构之间的间隙；所述牺牲层的材料为具有较低分解温度的有机材料，且该分解温度需低于上述基 体及所述发声装置中金属膜的熔点，优选为可在450°C以下完全分解的有机材料，如丙烯酸 树脂或硝棉。本实施例为丙烯酸树脂。该牺牲层的厚度不限。该牺牲层的制备方法具体包括首先，提供一有机聚合物溶液，该有机聚合物溶液 由按照一定比例配比的聚合物、增塑剂、溶剂及助溶剂组成。所述聚合物包括聚甲基丙烯酸 异丁酯和丙烯酸B-72树脂，所述增塑剂可为邻苯二甲酸二丁酯，所述溶剂包括醋酸乙酯和 醋酸丁酯，所述助溶剂包括无水乙醇和正丁醇，本实施例中该聚合物溶液的具体配比如表1 所示；其次，将所述聚合物溶液通过人工涂敷法或旋转涂敷法均勻涂敷于所述基体的表面 并使其静置一段时间，从而形成一牺牲层。此外，该制备方法中为减小固体的表面张力，有 利于聚合物溶液在所述具体表面上扩散铺展，或使不平整的基体可具有一个平滑的表面，可进一步在涂敷所述聚合物溶液之前采用水或水的溶液润湿基体1 10分钟。
表1聚合物溶液组分配比
权利要求
一种热致发声装置，其包括一信号输入装置；以及一发声元件，该发声元件包括一金属膜，且该金属膜与所述信号输入装置电连接；其特征在于，该发声元件进一步包括一基体及设置于该基体的多个微结构，所述金属膜设置于所述多个微结构且通过该多个微结构与所述基体悬空设置，所述信号输入装置输入电信号给该金属膜，并通过该金属膜加热周围气体介质发出声波。
2.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述金属膜的单位面积热容小于 2 X ΙΟ"4焦耳每平方厘米开尔文。
3.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述金属膜的材料为铁、镍、钴、 钼、铜、银、金、钯、钼、铍、铟、铝或铅。
4.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述金属膜的厚度小于0.7微米。
5.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述微结构与所述金属膜的接触 面积小于1平方微米。
6.如权利要求5所述的热致发声装置，其特征在于，相邻两个所述微结构与所述金属 膜的接触位置之间的最短距离小于1微米。
7.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述微结构为绝缘材料。
8.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述微结构为颗粒。
9.如权利要求8所述的热致发声装置，其特征在于，所述发声元件进一步包括一设置 于所述基体表面且用于粘结并固定所述颗粒的粘胶层。
10.如权利要求8所述的热致发声装置，其特征在于，所述颗粒的材料为绝热材料。
11.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述微结构为通过粗糙化所述基 体表面而形成的凸起。
12.如权利要求1所述的热致发声装置，其特征在于，所述热致发声装置进一步包括至 少两电极，该至少两电极间隔设置于所述金属膜的表面且与所述金属膜电连接。
13.如权利要求12所述的热致发声装置，其特征在于，所述至少两电极进一步通过导 线与所述信号输入装置的两端电连接。
14.一种热致发声装置的制备方法，其包括以下步骤提供一基体，该基体具有一表面；在所述基体的表面形成多个微结构；在该基体的表面形成一牺牲层，以填充所述多个微结构之间的间隙；在所述牺牲层的表面形成一金属膜；加热所述牺牲层，直至所述牺牲层完全分解，从而形成一发声元件；提供一信号输入装置，使该信号输入装置与所述金属膜电连接，从而形成一热致发声装置。
15.如权利要求14所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述微结构为颗粒。
16.如权利要求15所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，在形成所述颗粒之 前，在所述基体的表面形成一黏胶层。
17.如权利要求14所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述微结构为基体 本身的凸起。
18.如权利要求17所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述凸起通过刻蚀 工艺形成。
19.如权利要求14所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述形成金属膜的 方法为磁控溅射法或蒸镀法。
20.如权利要求14所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述形成牺牲层的 方法包括以下步骤提供一有机聚合物溶液，该有机聚合物溶液由按照一定比例配比的聚 合物、增塑剂、溶剂及助溶剂组成；采用人工涂敷法或旋转涂敷法将所述有机聚合物溶液涂 敷于所述基体表面。
21.如权利要求20所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，在将所述有机聚合 物溶液涂敷于所述基体表面之前，可进一步包括采用水或水的溶液润湿所述基体表面1 10分钟。
22.如权利要求14所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材料 为低分解温度的有机材料。
23.如权利要求22所述的热致发声装置的制备方法，其特征在于，所述低分解温度的 有机材料为丙烯酸树脂或硝棉。
全文摘要
一种热致发声装置，其包括一信号输入装置以及一发声元件，该发声元件包括一金属膜，且该金属膜与所述信号输入装置电连接；其中，该发声元件进一步包括一基体及设置于该基体的多个微结构，所述金属膜设置于所述多个微结构且通过该多个微结构与所述基体悬空设置，所述信号输入装置输入电信号给该金属膜，并通过该金属膜加热周围气体介质发出声波。本发明还提供一种上述热致发声装置的制备方法。由于所述热致发声装置中的金属膜可通过多个微结构与所述基体表面悬空设置，且具有较小的单位面积热容，从而使该金属膜具有较高的发声强度。
文档编号H04R31/00GK101990152SQ200910109570
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者冯辰, 刘亮, 刘锴, 姜开利, 范守善, 陈卓 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司