TWI419575B - 熱致發聲裝置及其製備方法 - Google Patents

Description

熱致發聲裝置及其製備方法

本發明涉及一種熱致發聲裝置及其製備方法，尤其涉及一種基於金屬材料之熱致發聲裝置及其製備方法。

發聲裝置一般由訊號輸入裝置和發聲元件組成，通過訊號輸入裝置輸入訊號到該發聲元件，進而發出聲音。熱致發聲裝置為發聲裝置中之一種，其為基於熱聲效應原理之一種發聲裝置，先前技術中之熱致發聲裝置為採用熱容較低之金屬材料作為發聲元件。

H.D.Arnold和I.B.Crandall在文獻“The thermophone as a precision source of sound”,Phys.Rev.10,p22-38(1917)中揭示一種簡單之熱致發聲裝置，其包括一作為發聲元件之鉑片、設置於該鉑片兩端且用於夾持該鉑片使其懸空設置之夾具及與該鉑片電連接之訊號輸入裝置。該熱致發聲裝置通過向該鉑片中通入交流電來實現發聲。該鉑片具有較薄之厚度，其厚度值為0.7微米，從而使該鉑片具有較小之單位面積熱容(heat capacity per area)，故，當交流電通過該鉑片時，其內部產生之熱量通過熱交換之方式迅速傳導給周圍空氣，從而促使周圍空氣分子運動並發出聲波。

然而，先前熱致發聲裝置中，由於受金屬製備工藝之限制，形成可懸空設置且具有更小厚度之金屬片難度較大，故導致金屬片之單位面積熱容值無法達到很小，進而使先前熱致發聲裝置之發聲強度較低，限制了其在實際中之應用。

有鑒於此，提供一種具有較高發聲強度之熱致發聲裝置及其製備方法實為必要。

一種熱致發聲裝置，其包括：一訊號輸入裝置；及一發聲元件，該發聲元件包括一金屬膜，且該金屬膜與所述訊號輸入裝置電連接；其中，該發聲元件進一步包括一基體及設置於該基體之複數微結構，所述金屬膜設置於所述複數微結構上並通過該複數微結構支撐，且該金屬膜相對於所述基體懸空設置，所述訊號輸入裝置輸入電訊號給該金屬膜，並通過該金屬膜加熱周圍氣體介質發出聲波。

一種熱致發聲裝置之製備方法，其包括以下步驟：提供一基體，該基體具有一表面；在所述基體之表面形成複數微結構；在該基體之表面形成一犧牲層，以填充所述複數微結構之間之間隙；在所述犧牲層之表面形成一金屬膜；加熱所述犧牲層，直至所述犧牲層完全分解，從而形成一發聲元件；提供一訊號輸入裝置，使該訊號輸入裝置與所述金屬膜電連接，從而形成一熱致發聲裝置。

相較於先前技術，由於所述熱致發聲裝置中，所述金屬膜通過所述複數微結構與所述基體表面懸空設置，從而使該金屬膜與周圍 空氣或其他氣體介質可進行充分之熱交換；同時，採用本發明之製備方法可製備獲得具有較小厚度、較小單位面積熱容之金屬膜，故，本發明之熱致發聲裝置具有較高之發聲強度。

10，20‧‧‧熱致發聲裝置

12，22‧‧‧訊號輸入裝置

14，24‧‧‧發聲元件

15，25‧‧‧金屬膜

16，26‧‧‧基體

162，262‧‧‧表面

17，27‧‧‧微結構

18，28‧‧‧電極

19，29‧‧‧導線

圖1為本發明第一實施例熱致發聲裝置之結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例熱致發聲裝置製備方法流程圖。

圖3為本發明第二實施例熱致發聲裝置之結構示意圖。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例之熱致發聲裝置及其製備方法。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種熱致發聲裝置10，該熱致發聲裝置10包括一訊號輸入裝置12、一發聲元件14及至少兩個電極18。

所述發聲元件14包括一基體16、複數微結構17及一金屬膜15，所述基體16具有一表面162，所述微結構17設置於該基體16之表面162，所述金屬膜15設置於該複數微結構17上，且通過該複數微結構17與所述基體16之表面162懸空設置。所述至少兩個電極18間隔設置且與所述金屬膜15電連接。所述至少兩個電極18分別通過外接導線19與所述訊號輸入裝置12之兩端電連接，用於將所述訊號輸入裝置12中之電訊號輸入到所述發聲元件14中。

所述基體16主要起支撐所述微結構17及所述金屬膜15之作用，其形狀不限，任何具有確定形狀之物體均可作為本實施例中之基體 16。本實施例中，所述複數微結構17為所述基體16本身所具有之複數微小凸起，所述金屬膜15直接設置於該複數凸起，且通過該複數凸起與所述基體16之表面162懸空設置。該基體16之材料不限，本實施例中，該基體16之材料為一硬性或柔性之絕緣材料，如金剛石、玻璃、石英塑膠或樹脂等，優選地，該基體16之材料應具有較好之絕熱性能，從而防止該金屬膜15產生之熱量過度被該基體16吸收，故無法達到加熱周圍氣體介質進而發聲之目的。

所述金屬膜15與每個微結構17之接觸面積應小於1平方微米，以使該金屬膜15盡可能與周圍空氣或其他外界氣體或液體介質具有較大之接觸面積，並具有盡可能大之散熱面積，進而可在一定程度上改善所述發聲裝置10之發聲效果。同時，所述微結構17與所述金屬膜15之相鄰之兩個接觸位置之間之最短距離應小於1微米，以確保所述金屬膜15均勻地被所述微結構17支撐，且不會在重力之作用下發生變形。由於該金屬膜15通過基體16及微結構17支撐，故該金屬膜15可承受強度較高之訊號輸入而不致發生變形，從而具有較高之發聲強度。

所述金屬膜15之材料為低熱容或具有良好延展性之材料，可為鐵、鎳、鈷、鉑、銅、銀、金、鈀、鋁、鈹、銅或鉛。由於該金屬膜15通過上述基體16及複數微結構17支撐，故該金屬膜15之厚度可極薄且在工作過程中不易發生變形，本實施例中該金屬膜15之厚度可小於0.7微米。同時，由於單位面積之熱容除與材料本身之種類有關外，還與該材料之厚度有關，即相同材料形成之金屬膜15，其厚度越大，單位面積熱容越大，厚度越小，單位面積熱 容越小，故，本實施例中，具有較小厚度之金屬膜15之單位面積熱容較小，其單位面積熱容可小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文。所述金屬膜15之發聲頻率與其單位面積熱容密切相關，即金屬膜15之單位面積熱容愈大，則發聲頻率範圍愈窄，且發聲強度愈低；反之，單位面積熱容愈小，則發聲頻率範圍愈寬，且發聲強度愈高。可見，本實施例發聲裝置10中採用具有較小厚度金屬膜15之發聲元件14具有較寬之發聲頻率範圍及較高之發聲強度。

所述至少兩個電極18由導電材料形成，其具體形狀結構不限。具體地，所述至少兩個電極18可選擇為層狀、棒狀、塊狀或其他形狀。所述至少兩個電極18之材料可選擇為金屬、導電膠、金屬性奈米碳管、銦錫氧化物(ITO)等。本實施例中，所述電極18為兩個棒狀金屬電極，所述電極18用於實現所述訊號輸入裝置12與所述發聲元件14之間之電連接。所述電極18間隔設置固定在所述金屬膜15之表面，具體為，該至少兩個電極18可通過導電粘膠固定於所述金屬膜15並實現電連接，該導電粘膠可為銀膠。優選之，本實施例中電極18之長度等於金屬膜15之寬度，從而使音頻電訊號傳導至整個金屬膜15中。另，所述至少兩個電極18為熱致發聲裝置10之可選元件，由於所述金屬膜15導電，故，所述訊號輸入裝置12也可與所述金屬膜直接電連接，進而將音頻電訊號直接輸入所述發聲元件14。

所述訊號輸入裝置12可直接通過導線或電極引線等方式與所述金屬膜15電連接，或者間接地通過電極18與所述金屬膜15電連接。只需確保所述訊號輸入裝置12能將電訊號輸入給所述金屬膜15即 可。任何可實現所述訊號輸入裝置12與所述金屬膜15之間電連接之方式都在本發明之保護範圍之內。

所述訊號輸入裝置12輸入之訊號包括音頻電訊號等。所述訊號輸入裝置12通過導線19與所述電極18電連接，並通過所述電極18將訊號輸入到所述發聲元件14中。

上述發聲裝置10在使用時，由於所述金屬膜15具有較小之厚度、較小之熱容及較大之散熱表面，在輸入訊號後，該金屬膜15可迅速升降溫，產生週期性之溫度變化，並和周圍氣體介質快速進行熱交換，使周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，進而發出人耳可感知之聲音，且所發出之聲音頻率範圍較寬，可達到20赫茲至10萬赫茲，發聲強度可超過60分貝每瓦聲壓級，且發聲效果較好。故本實施例中，所述發聲裝置10具有廣泛之應用範圍。另，本實施例中之金屬膜15由於受基體16及複數微結構17之支撐，故不容易發生變形或者損壞，且可承受較高強度之訊號輸入，使用壽命較長。

請參閱圖2，本發明提供一種上述第一實施例發聲裝置之製備方法，其具體包括以下步驟：步驟一，提供一基體，該基體具有一表面；步驟二，在所述基體之表面形成複數微結構；該步驟具體為，通過刻蝕工藝在上述基底之表面刻蝕出複數微小凸起以形成複數微結構，如光刻蝕、電子束刻蝕或離子束刻蝕等。

步驟三，在該基體之表面形成一犧牲層，以填充該複數微結構之間之間隙；所述犧牲層之材料為具有較低分解溫度之有機材料，且該分解溫度需低於上述基體及所述發聲裝置中金屬膜之熔點，優選為可在450℃以下完全分解之有機材料，如丙烯酸樹脂或硝棉。本實施例為丙烯酸樹脂。該犧牲層之厚度不限。

該犧牲層之製備方法具體包括：首先，提供一有機聚合物溶液，該有機聚合物溶液由按照一定比例配比之聚合物、增塑劑、溶劑及助溶劑組成。所述聚合物包括聚甲基丙烯酸異丁酯和丙烯酸B-72樹脂，所述增塑劑可為鄰苯二甲酸二丁酯，所述溶劑包括醋酸乙酯和醋酸丁酯，所述助溶劑包括無水乙醇和正丁醇，本實施例中該聚合物溶液之具體配比如表1所示；其次，將所述聚合物溶液通過人工塗敷法或旋轉塗敷法均勻塗敷於所述基體之表面並使其靜置一段時間，從而形成一犧牲層。此外，該製備方法中為減小固體之表面張力，有利於聚合物溶液在所述具體表面上擴散鋪展，或使不平整之基體可具有一個平滑之表面，可進一步在塗敷所述聚合物溶液之前採用水或水之溶液潤濕基體1分鐘~10分鐘。

表1 聚合物溶液組分配比

步驟四，在所述犧牲層之表面形成一金屬膜；所述金屬膜之材料為具有低熱容或延展性好之金屬材料，如鐵、鎳、鈷、銀、銅、金、鈀、鋁、鈹、銦、鉑或鉛，該金屬膜之具體製備方法為物理氣相沈積法如真空蒸鍍法或磁控濺射法等。通過該方法可在犧牲層表面形成一厚度較小之金屬膜，且可使所述金屬膜不致直接形成在所述基體上並與該基體結合為一體。

步驟五，加熱所述犧牲層，直至該犧牲層完全分解，從而形成所述發聲元件；加熱上述在基體與金屬膜之間之犧牲層，直到該犧牲層完全分解，在該犧牲層分解之過程中，隨著該犧牲層厚度之變薄，形成在該犧牲層表面之金屬膜便在重力之作用下逐漸下降，從而使得所述金屬膜與所述基體之微結構接觸。由於所述犧牲層之分解溫度均低於所述金屬膜和基體之熔點，故，當犧牲層完全分解之後 ，所述金屬膜與所述基體均不會熔融，且不會由於熔融而發生彼此結合之現象。故，將犧牲層去除之後，所述金屬膜與所述基體之表面將會通過所述複數微結構懸空設置，使得金屬膜與空氣或其他外界氣體或液體介質具有更大之接觸面積。

進一步地，該步驟還包括提供至少兩個電極，通過導電粘膠將該兩個電極粘結並間隔固定在所述發聲元件即金屬膜之表面。

步驟六，提供一訊號輸入裝置，使該訊號輸入裝置與所述發聲元件電連接，從而形成一熱致發聲裝置。

該步驟中，所述訊號輸入裝置可為MP3、收音機等音頻輸入裝置或者功率放大器等，其可通過一導線直接將該訊號輸入裝置與所述金屬膜電連接，或者間接地將該訊號輸入裝置通過至少兩個電極與所述金屬膜實現電連接，該訊號輸入裝置與電極之間通過導線相連接。

本實施例中，所述製備方法通過在所述基體之表面形成複數微結構，再形成一犧牲層以填充所述複數微結構之間之間隙，並在該犧牲層之表面沈積具有較薄厚度之金屬膜，之後再採用加熱之方式將該犧牲層去除，從而獲得所述發聲元件。可見，整個過程中，只需通過加熱之方式將所述犧牲層去掉即可使所述金屬膜自支撐地通過所述複數微結構與所述基體之表面部分懸空設置，所謂自支撐係指無需通過一支撐體支撐，也可保持自身特定之形狀而不發生破壞。即，該金屬膜部分受所述複數微結構支撐，部分自支撐地懸空設置，且該部分懸空設置之金屬膜可原位形成，所謂 原位形成係指該金屬膜在實現懸空設置之過程中與所述基底和複數微結構之相對位移較小，其相對位置近似固定。故該形成過程不容易使該具有較薄厚度之金屬膜因與所述基底和複數微結構之相對位置發生變動而發生損壞，且也可同時實現使該金屬膜懸空設置。可見，本發明之製備方法可使具有較薄厚度之金屬膜通過複數微結構支撐而部分懸空設置。而相同材料之金屬膜，厚度較小之金屬膜比厚度較大之金屬膜單位面積熱容小，發聲頻率範圍寬，發聲強度高。所述複數微結構為該金屬膜提供複數支撐，使該發聲裝置在使用之過程中不易破壞，同時，該基體表面與該金屬膜之間懸空設置，從而保證該金屬膜具有盡可能大之散熱面積，並具有理想之發聲效果。

請參閱圖3，本發明第二實施例提供一種熱致發聲裝置20，包括一訊號輸入裝置22、一發聲元件24及至少兩個電極28。

所述發聲元件24包括一基體26、複數微結構27及一金屬膜25，所述基體26具有一表面262，所述微結構27設置於該基體26之表面262，所述金屬膜25設置於該複數微結構27上，且通過該複數微結構27與所述基體26懸空設置。所述至少兩個電極28間隔設置且與所述金屬膜25電連接。所述至少兩個電極28分別通過外接導線29與所述訊號輸入裝置22之兩端電連接，用於將所述訊號輸入裝置22中之電訊號輸入到所述發聲元件24中。

本實施例與上述第一實施例之熱致發聲裝置10之結構基本相同，其區別在於，本實施例之微結構27為顆粒，所述金屬膜25設置於該複數顆粒上。

所述顆粒均勻分散於所述基體26之表面262，所述顆粒直徑小於1微米。該顆粒之材料不限，可為一硬性材料，如金剛石、玻璃或石英。優選地，該複數顆粒之材料應具有較好之絕熱性能，從而防止該金屬膜25產生之熱量過度之被該複數顆粒吸收，無法達到加熱周圍氣體介質進而發聲之目的。進一步地，所述基體26之表面262可設置有一粘膠層，用於粘結並固定所述複數顆粒。該粘膠層所選用之粘膠種類不限，只需確保將本實施例中之複數顆粒均勻固定於所述基體26之表面262即可。

請參閱圖4，本發明提供一種上述第二實施例發聲裝置之製備方法，其具體包括以下步驟：步驟一，提供一基體，該基體具有一表面；步驟二，在所述基體之表面形成複數微結構；步驟三，在該基體之表面形成一犧牲層，以填充該複數微結構之間之間隙；步驟四，在所述犧牲層之表面形成一金屬膜；步驟五，加熱所述犧牲層，直至該犧牲層完全分解，從而形成所述發聲元件；步驟六，提供一訊號輸入裝置，使該訊號輸入裝置與所述發聲元件電連接，從而形成一熱致發聲裝置。

本實施例發聲裝置之製備方法與上述第一實施例發聲裝置之製備方法基本相同，其區別在於，本實施例發聲裝置製備方法之步驟 二所形成之複數微結構為顆粒。具體為：首先，在所述基體之表面塗覆一粘膠層；其次，提供複數顆粒，將所述複數顆粒均勻地分散在所述粘膠層之表面，使得該複數顆粒固定於所述基體之表面，從而形成複數微結構。

本發明實施例提供之熱致發聲裝置及其製備方法具有以下優點：由於所述熱致發聲裝置中之金屬膜通過基體及複數微結構支撐，故該金屬膜之厚度即使很小仍可承受強度較高之訊號輸入而不致發生變形，從而具有較高之發聲強度；通過本發明製備方法製備之金屬膜，其厚度可小於0.7微米，而厚度越小，其單位面積熱容越小，本發明之單位面積熱容可小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文，而金屬膜之發聲頻率與其單位面積熱容密切相關，單位面積熱容愈小，發聲頻率範圍愈寬，聲波強度愈高，故本發明發聲裝置之發聲頻率範圍較寬，發聲強度較高；本發明之製備方法可使所製備之金屬膜與所述基體表面懸空設置，使金屬膜與周圍介質之接觸面積較大，工作時，該金屬膜可與周圍之介質迅速地進行熱交換並使周圍介質迅速膨脹和收縮，進而發出人耳可感知之聲音。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧熱致發聲裝置

12‧‧‧訊號輸入裝置

14‧‧‧發聲元件

15‧‧‧金屬膜

16‧‧‧基體

162‧‧‧表面

17‧‧‧微結構

18‧‧‧電極

19‧‧‧導線

Claims (25)

1. 一種熱致發聲裝置，其包括：一訊號輸入裝置；及一發聲元件，該發聲元件包括一金屬膜，且該金屬膜與所述訊號輸入裝置電連接；其改良在於，該發聲元件進一步包括一基體及設置於該基體之複數微結構，所述金屬膜設置於所述複數微結構上並通過該複數微結構支撐，且該金屬膜相對於所述基體部分懸空設置，所述訊號輸入裝置輸入電訊號給該金屬膜，並通過該金屬膜加熱周圍氣體介質發出聲波。
2. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述金屬膜之單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文。
3. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述金屬膜之材料為鐵、鎳、鈷、鉑、銅、銀、金、鈀、鉑、鈹、銦、鋁或鉛。
4. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述金屬膜之厚度小於0.7微米。
5. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述微結構與所述金屬膜之接觸面積小於1平方微米。
6. 如請求項第5項所述之熱致發聲裝置，其中，相鄰兩個所述微結構與所述金屬膜之接觸位置之間之最短距離小於1微米。
7. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述基體具有一表面，所述微結構均勻設置在所述基體表面。
8. 如請求項第7項所述之熱致發聲裝置，其中，所述微結構為顆粒。
9. 如請求項第8項所述之熱致發聲裝置，其中，所述發聲元件進一步包括一設置於所述基體表面且用於粘結並固定所述顆粒之粘膠層。
10. 如請求項第8項所述之熱致發聲裝置，其中，所述顆粒之材料為絕熱材料，其包括金剛石、玻璃、石英、塑膠或樹脂。
11. 如請求項第7項所述之熱致發聲裝置，其中，所述微結構為通過粗糙化所述基體表面而形成之凸起。
12. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述微結構材料為絕緣材料。
13. 如請求項第1項所述之熱致發聲裝置，其中，所述熱致發聲裝置進一步包括至少兩電極，該至少兩電極間隔設置於所述金屬膜之表面且與所述金屬膜電連接。
14. 如請求項第12項所述之熱致發聲裝置，其中，所述至少兩電極進一步通過導線與所述訊號輸入裝置之兩端電連接。
15. 一種熱致發聲裝置，其包括：一訊號輸入裝置；及一發聲元件，該發聲元件進一步包括：一基體，該基體具有一表面；複數微結構設置於該基體表面；及一金屬膜，該金屬膜通過所述複數微結構與基體間隔設置，該金屬膜與所述訊號輸入裝置電連接，所述訊號輸入裝置輸入電訊號給該金屬膜，並通過該金屬膜加熱周圍氣體介質發聲。
16. 一種熱致發聲裝置之製備方法，其包括以下步驟：提供一基體，該基體具有一表面；在所述基體之表面形成複數微結構，所述複數微結構之間具有間隙；在該基體之表面形成一犧牲層，填充所述複數微結構之間之間隙；在所述犧牲層之表面形成一金屬膜；加熱所述犧牲層，直至所述犧牲層完全分解，從而形成一發聲元件；以及提供一訊號輸入裝置，使該訊號輸入裝置與所述金屬膜電連接，從而形成一熱致發聲裝置。
17. 如請求項第16項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述微結構為顆粒。
18. 如請求項第17項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，在形成所述顆粒之前，在所述基體之表面形成一黏膠層。
19. 如請求項第16項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述微結構為基體本身之凸起。
20. 如請求項第19項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述凸起通過刻蝕工藝形成。
21. 如請求項第16項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述形成金屬膜之方法為磁控濺射法或蒸鍍法。
22. 如請求項第16項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述形成犧牲層之方法包括以下步驟：提供一有機聚合物溶液，該有機聚合物溶液由按照一定比例配比之聚合物、增塑劑、溶劑及助溶 劑組成；採用人工塗敷法或旋轉塗敷法將所述有機聚合物溶液塗敷於所述基體表面。
23. 如請求項第22項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，在將所述有機聚合物溶液塗敷於所述基體表面之前，可進一步包括採用水或水之溶液潤濕所述基體表面1分鐘~10分鐘。
24. 如請求項第16項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述犧牲層之材料為低分解溫度之有機材料。
25. 如請求項第24項所述之熱致發聲裝置之製備方法，其中，所述低分解溫度之有機材料為丙烯酸樹脂或硝棉。