一种热致发声装置的制备方法及装置与流程

本发明涉及发声装置技术领域，尤其涉及一种热致发声装置的制备方法及装置。

背景技术：

发声装置一般由信号输入装置和发声元件两部分组成，通过信号输入装置输入信号给发声元件，进而发出声音。现有的发声元件种类很多，如电动式、电磁式、静电式及压电式，它们大都采用振膜振动发出声音，结构较为复杂。热致发声装置是一种以热能与声能转换技术为原理的发声装置，其发声原理与传统的发声元件有着本质的不同。传统发声装置工作原理是发声元件的核心部件振膜通过电信号输入后产生振动，进而促使振膜附近的气体随之振动，从而将电能转换为声能。而热致发生器无任何振动部件，其工作原理主要基于一种热声转换技术：通过对具有某种特性的加热材料进行周期性电加热，使其表面产生周期性的热型号，利用材料表面与其接触的气体之间的导热以及气体热胀冷缩的原理，使得材料表面的附近的气体产生周期性波动的温度波，由理想气体状态方程可知，温度波的存在进而导致气体压力的膨胀与压缩，从而在材料表面区域产生声波。

由于热致发声装置是通过加热附近空气来实现发声的，所以热致发声装置的发声效率主要取决于材料对周围空气的加热效率，在某一点集中的加热效率越高，则发声效率越高。而具有点-面接触结构的发声装置，由于接触点的面积小，电阻大，在施加电信号时该处所产生的热量最大也最集中，可以使得该点处的发声效率大大提高。

而目前现有的热致发声装置由于受到金属制备工艺的限制，多采用面接触结构，从而导致现有的热致发声装置的接触点的面积较大， 在施加电信号时产生的热量不足，从而导致其加热效率较低，进而极大的限制了热致发声装置的发声效率。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种热致发声装置的制备方法及装置，该热致发声装置的制备方法能制备出具有阵列型点-面接触结构的热致发声装置，该热致发声装置具有高效的发声效率和发声强度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热致发声装置的制备方法，包括如下步骤：

S1、提供一基底，所述基底具有一平整的表面；

S2、在所述基底的表面旋涂光刻胶，以在所述基底上形成一具有一定厚度的光刻胶层；

S3、将具有所述光刻胶层的基底通过光刻板进行光刻曝光，所述光刻板上具有多个成阵列排列的不透光图案；

S4、将具有所述曝光后的光刻胶层的基底进行固化，然后显影溶解，以在所述基底上形成刻蚀掩膜层，所述刻蚀掩膜层包括多个成阵列排列的柱体的光刻胶体；

S5、对具有所述刻蚀掩膜层的基底进行各向同性刻蚀，以在所述刻蚀掩膜层和基底之间形成基底结构层，所述基底结构层包括多个成阵列排列的锥体结构；

S6、对具有所述刻蚀掩膜层和基底结构层的基底进行氧等离子体刻蚀，以去除所述刻蚀掩膜层；

S7、在具有所述基底结构层的基底上溅射一金属薄膜层；

S8、在具有所述金属薄膜层的基底上平铺一石墨烯层，所述石墨烯层通过所述基底结构层的锥体顶点支撑。

其中，还包括：

S9、在所述金属薄膜层和石墨烯层上分别涂抹导电浆料，所述导电浆料的一侧分别连接有电极。

其中，在所述步骤S2中，通过匀胶机在所述基底上旋涂光刻胶，所述匀胶机的转速为3000～6000转。

其中，所述步骤S2中，还包括：在所述基底上旋涂所述光刻胶之前，先对所述基底进行烘烤，用于清除所述基底表面的水分；所述烘烤的温度为120℃，所述烘烤时间为30分钟。

其中，所述步骤S2中，还包括：在所述基底上旋涂所述光刻胶后，将所述具有光刻胶层的基底放置于120℃的热板上烘烤2分钟，以使所述光刻胶固化。

其中，所述步骤S3中，通过光刻机对具有所述光刻胶层的基底进行光刻曝光，所述光刻曝光的时间为80～150秒。

其中，在所述步骤S4中，所述固化为将具有所述曝光后的光刻胶层的基底放置于120℃的热板上烘烤2分钟；所述显影溶解为对所述基底上的光刻胶层的已曝光区域通过显影液显影溶解。

其中，在所述步骤S5中，通过等离子体刻蚀机对具有所述刻蚀掩膜层的基底进行刻蚀，所述刻蚀的时间为1～2小时。

其中，还具有如下参数要求：

S1、所述基底的材质为绝缘材料，且厚度为500μm；

S2、所述光刻胶层的厚度为1～5μm，且材质为正性光刻胶；

S3、所述光刻板上的不透光图案为圆形或多边形，所述圆形或多边形的半径或边长为5～15μm，且间距为10～30μm；

S4、所述刻蚀掩膜层上的成阵列排列的柱体的光刻胶体的底面形状为圆形或多边形，所述圆形或多边形的半径或边长为5～15μm，且高度为1～5μm；

S6、所述金属薄膜层的厚度为200～500nm，材质为铝。

本发明还提供了一种热致发声装置，是采用如上所述的热致发声装置的制备方法而制成的。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的热致发声装置的制备方法为提供一基底，基底具有一平整的表面；在基底的表面旋涂光刻胶，以在基底上形成一具有一定厚度的光刻胶层；将具有光刻胶层的基底通过光刻板进行光刻曝光，光刻板上具有多个成阵列排列的不透光图案；将具有曝光后的光刻胶层的基底进行固化，然后显影溶解，以在基底上形成刻蚀掩膜层，刻蚀掩膜层包括多个成阵列排列的柱体的光刻胶体；对具有刻蚀掩膜层的基底进行各向同性刻蚀，以在刻蚀掩膜层和基底之间形成基底结构层，基底结构层包括多个成阵列排列的椎体结构；对具有刻蚀掩膜层和基底结构层的基底进行氧等离子体刻蚀，以去除刻蚀掩膜层；在具有基底结构层的基底上溅射一金属薄膜层；在具有金属薄膜层的基底上覆盖一石墨烯层，石墨烯层通过基底结构层的椎体顶点支撑；本发明的热致发声装置是通过如上所述的制备方法制备而成的。该热致发声装置的制备方法利用了刻蚀的侧面倾蚀效应，其制备出的热致发声装置具有阵列型点-面接触结构，由于各个接触点的面积小、电阻大，在施加电信号时接触点所产生的热量最大也最集中，从而使该热致发声装置具有高效的发声效率和发声强度。

附图说明

图1为本发明实施例的热致发声装置的制备方法的制备流程图；

图2为本发明实施例的热致发声装置的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例的热致发声装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的热致发声装置的剖视图。

其中，1、基底；2、基底结构层；3、石墨烯层；4、导电浆料；5、电极；6、金属薄膜层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。 以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本实施例提供的热致发声装置的制备方法，包括如下步骤：

S1、提供一基底1，基底1具有一平整的表面。

优选基底1的材质为绝缘材料或导电性较差的材料，且厚度为500μm；为了便于兼容集成电路工艺，本实施例选用标准2英寸的圆形或方形硅片作为基底1。

S2、在基底1的表面旋涂光刻胶，以在基底1上形成一具有一定厚度的光刻胶层。

为了保证光刻胶的旋涂效果，本实施例优选通过匀胶机在基底1上旋涂光刻胶，匀胶机的转速为3000～6000转；光刻胶层的厚度优选为1～5μm，且材质为正性光刻胶。

为了确保基底1的平整度和光刻胶的旋涂效果，以便于对旋涂了光刻胶的基底1进行后续处理，在本步骤还包括了如下具体步骤：

S21、在基底1上旋涂光刻胶之前，先对基底1进行烘烤，用于清 除基底1表面的水分；为了保证基底1表面的水分被彻底清除，同时基底1表面仍保有良好的平整度，优选对基底1烘烤的温度为120℃，烘烤时间为30分钟；

S22、在基底1上旋涂光刻胶后，将具有光刻胶层的基底1放置于120℃的热板上烘烤2分钟，以使基底1表面的光刻胶固化，以确保光刻胶层与基底1的可靠固化连接。

S3、将具有光刻胶层的基底1通过光刻板进行光刻曝光，光刻板上具有多个成阵列排列的不透光图案。其中，图2中的箭头表示曝光时光照射方向。

为了保证后续步骤便于操作，本实施例的光刻板上的不透光图案为圆形或多边形或其他图案，该不透光的圆形或多边形的半径或边长为5～15μm，且间距为10～30μm；为了确保基底1的光刻曝光效果，本实施例是通过光刻机对具有光刻胶层的基底1进行光刻曝光的，将涂有光刻胶层的基底1放置在光刻机的硅片基座上，并在基底1上放置已预设好不透光的图案的光刻板进行曝光，曝光时间优选为80～150秒。

S4、将具有曝光后的光刻胶层的基底1进行固化，然后显影溶解，以在基底1上形成刻蚀掩膜层，刻蚀掩膜层包括多个成阵列排列的柱体的光刻胶体。

在本步骤中，优选将具有曝光后的光刻胶层的基底1放置于120℃的热板上烘烤2分钟，以使经过曝光后的光刻胶层能够可靠的固化在基底1上，然后优选对基底1上的光刻胶层的已曝光区域通过显影液显影溶解，以将光刻板上的成阵列排列的不透光的圆形或多边形的图案转移到光刻胶层上，经过显影溶解后的光刻胶层形成了成阵列排列的柱体的光刻胶体，该柱体的光刻胶体具有与光刻板上的不透光图案相同形状的截面。

本实施例中，刻蚀掩膜层上的成阵列排列的柱体的光刻胶体的底面形状优选为圆形或多边形或其他图案，该圆形或多边形的半径或边 长优选为5～15μm，且高度优选为1～5μm。

S5、对具有刻蚀掩膜层的基底1进行各向同性刻蚀，以在基底1上形成基底结构层2，基底结构层2包括多个成阵列排列的锥体的光刻胶体。

在本步骤中，优选通过等离子体刻蚀机对具有刻蚀掩膜层的基底1进行刻蚀，通过等离子体刻蚀工艺对基底1上没有光刻胶遮挡的部分向下刻蚀一段距离，由于留存的刻蚀掩膜层的柱体光刻胶阵列对于其下方的基底1具有保护作用，因此在刻蚀掩膜层的下方区域不会被刻蚀；但由于在刻蚀工艺过程中存在侧面倾蚀效应，会使得基底1越接近上表面的部分被横向刻蚀的越厉害；因此基底1被向下刻蚀一段距离的同时，还受到侧面倾蚀效应影响，在刻蚀掩膜层和基底1之间形成顶点朝上的椎体结构，从而形成具有成阵列排列的椎体结构的基底结构层2，本实施例的刻蚀的时间优选为1～2小时。

需要说明的是，本实施例的刻蚀掩膜层上的成阵列排列的柱体的光刻胶体的底面形状与光刻板上预先设定的图案相同，因此本步骤中形成的基底结构层2的底面图案也与光刻板上预先设定的图案相同或相似；为了便于工艺处理，本实施例选用的光刻板上的不透光图案为圆形，也可以为方形、三角形、多边形或其他图案，从而使得后续形成的基底结构层2的底面的形状为圆形或方形或三角形或其他形状。

S6、对具有刻蚀掩膜层和基底结构层的基底进行氧等离子体刻蚀，以去除刻蚀掩膜层，从而使得基底1上仅保留一基底结构层2。

S7、在具有基底结构层2的基底1上溅射一金属薄膜层6。

本实施例中，优选将经过刻蚀处理的基底1放置于金属溅射机中，通过金属溅射工艺在具有基底结构层2的基底表面溅射一层导电金属，以作为金属薄膜层6，该金属薄膜层6覆盖于基底结构层2的表面，从而形成了具有椎体结构的导电金属阵列的基底结构层2；该金属薄膜层6的厚度优选为200～500nm，金属材质优选为铝。

S8、在具有金属薄膜层6的基底1上平铺一石墨烯层3，石墨烯层 3通过基底结构层2的锥体顶点支撑。

由于该基底结构层2上覆盖有金属薄膜层6，也可看做石墨烯层3通过金属薄膜层6的锥体顶点支撑；本实施例中，优选通过湿法转移的方式将石墨烯转移到具有金属薄膜层6的基底1上，从而使具有金属薄膜层6的基底1上的椎体导电金属阵列的顶点接触并支撑有一层石墨烯层3，从而在基底1表面形成了点-面接触的阵列结构。

由于石墨烯优异的导热特性及其非常薄的厚度，单层的石墨烯层3的厚度在1nm左右，可以大大提高加热效率；且由于石墨烯层3的厚度非常薄，有利于使产生的声波透过石墨烯层3传导出去，而不会因为其他材质的薄膜层太厚而导致声波衰减过多。

由此，分别对具有该点-面接触的阵列结构的金属薄膜层6和石墨烯层3通电后，可将电能转化为热能，对覆盖有金属薄膜层6的基底结构层2进行周期性电加热，使其表面产生周期性热信号，从而使其附近的气体产生周期性波动的温度波，进而产生声波而发声。

S9、在金属薄膜层6和石墨烯层3上分别涂抹导电浆料4，导电浆料4的一侧分别连接有电极5。

本实施例的导电浆料4的材质优选为银，分别在基底1上的金属薄膜层6和由金属薄膜层6的顶点支撑的石墨烯层3上涂抹导电银浆，并从金属薄膜层6和石墨烯层3的导电银浆上的一侧分别引出电极5，两个电极5分别与电信号输入输出机构连接，通过电极5将电信号在金属薄膜层6和石墨烯层3之间引入引出，形成回路，更加便于对金属薄膜层6和石墨烯层3通电，从而使该热致发声装置具有更安全可靠的导电结构。

如图3、图4所示，本实施例提供的热致发声装置是采用如上所述的热致发声装置的制备方法而制成的，该热致发声装置的基底1的表面具有基底结构层2，该基底结构层2包括多个成阵列排列的顶点朝上的椎体结构，基底结构层2的表面溅射覆盖有金属薄膜层6，具有金属薄膜层6的基底结构层2的顶点支撑有平铺的石墨烯层3；在金属薄膜 层6和石墨烯层3上分别设有用于导电的导电浆料4，两个导电浆料4的一侧分别通过电极5与电信号输入输出机构连接，从而通过引入或引出电信号，使该热致发声装置利用热声转换技术而发声，由于该热致发声装置具有阵列型点-面接触结构，其各个接触点的面积小、电阻大，在施加电信号时在接触点位置所产生的热量最大也最集中，从而使该热致发声装置具有高效的发声效率和发声强度。

综上所述，本实施例的热致发声装置的制备方法为提供一基底1，基底1具有一平整的表面；在基底1的表面旋涂光刻胶，以在基底1上形成一具有一定厚度的光刻胶层；将具有光刻胶层的基底1通过光刻板进行光刻曝光，光刻板上具有多个成阵列排列的不透光图案；将具有曝光后的光刻胶层的基底1进行固化，然后显影溶解，以在基底1上形成刻蚀掩膜层，刻蚀掩膜层包括多个成阵列排列的柱体的光刻胶体；对具有刻蚀掩膜层的基底1进行各向同性刻蚀，以在刻蚀掩膜层和基底1之间形成基底结构层2，基底结构层2包括多个成阵列排列的椎体结构；对具有刻蚀掩膜层和基底结构层2的基底1进行氧等离子体刻蚀，以去除刻蚀掩膜层；在具有基底结构层2的基底1上溅射一金属薄膜层6；在具有金属薄膜层6的基底1上覆盖一石墨烯层3，石墨烯层3通过基底结构层2的椎体顶点支撑；本发明的热致发声装置是通过如上所述的制备方法制备而成的。该热致发声装置的制备方法利用了刻蚀的侧面倾蚀效应，其制备出的热致发声装置具有阵列型点-面接触结构，由于各个接触点的面积小、电阻大，在施加电信号时接触点所产生的热量最大也最集中，从而使该热致发声装置具有高效的发声效率和发声强度。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。